高海拔Ⅴ級圍巖長隧道安全高效施工技術(shù)研究

楊清

（中國水利水電第十二工程局有限公司，杭州 310004）

1 工程概況

大雪山隧道位于云南省香格里拉市境內(nèi)，起訖樁號K125+830～K127+950，長2 120 m，洞室凈空8.5 m×6.5 m，隧道軸線走向方位約3°。進洞口、出洞口設(shè)計標(biāo)高分別為3 931.23 m、3 977.61 m。隧道最小埋深在進出口處，約為14 m；最大埋深位于K126+926 處，約453 m。隧道山體進出口周邊的既有公路設(shè)施欠缺，存在交通不便的局限性。除此之外，隧址區(qū)海拔較高，如何在高海拔的特殊條件下安全高效施工是工程的重難點內(nèi)容。

2 高海拔地區(qū)隧道開挖的常見安全事故

隧道施工范圍內(nèi)的地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，可能會經(jīng)過巖溶地帶，部分地區(qū)含豐富的地下水，或有不同規(guī)模的斷層破碎帶，若前期未做好勘察工作，將難以順利推進施工進程，且在施工方案不合理時，易誘發(fā)安全、質(zhì)量等一系列問題。例如，在隧道挖掘時有應(yīng)力明顯集中的情況，能量大量釋放，迫使隧道的穩(wěn)定性受到影響，易導(dǎo)致塌方、透水等事故。同時，仰拱及二襯施作滯后、支護結(jié)構(gòu)不可靠、背后脫空等問題也均有可能發(fā)生。實際施工中，若采用鉆爆法，則對爆破控制水平有較高的要求，若管理措施不到位（炸藥用量不合適、裝藥結(jié)構(gòu)不合理等），均容易誘發(fā)爆炸等安全事故，嚴重影響工程項目施工進度的正常推進。

高海拔隧道施工時，隧道內(nèi)部的作業(yè)面積有限，空氣質(zhì)量欠佳，若缺乏完善的通風(fēng)設(shè)備或設(shè)備的實際運行水平偏低，均會影響隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量，人員出現(xiàn)缺氧、頭暈等現(xiàn)象，嚴重時誘發(fā)安全事故。因此，隧道施工中加強通風(fēng)極為關(guān)鍵，必須配套完善的通風(fēng)設(shè)施，以便提供新鮮空氣，降低粉塵以及有害氣體的濃度，從根本上優(yōu)化勞動條件，保證人員的人身安全。

3 洞身開挖與支護方法

3.1 施工規(guī)劃

3.1.1 隧道進洞

根據(jù)設(shè)計要求，挖除洞門及明洞的位置，預(yù)留套拱下方的核心土。開挖采用挖掘機，加強防控，以免因開挖而影響洞門的穩(wěn)定性。注重對仰坡的觀測，確保進洞安全。除此之外，以加固噴錨的方法防護臨時仰坡和邊坡，先將明洞和洞門襯砌好，再開挖核心土石方。洞口仰坡施工前，先清理隧道洞口頂部的雜土以及植被，而后清理洞口上方可能滑落的灌木表土及危石，從源頭上規(guī)避施工安全隱患。

3.1.2 隧道貫通

測量人員加強洞內(nèi)導(dǎo)向控制測量，檢測隧道的高程和中線并予以有效控制，確保隧道貫通前有足夠的精度。

隧道貫通施工前，檢查兩開挖工作面的位置，若該值在40 m 以內(nèi)，各工作面施工人員需保持密切聯(lián)系，距離縮小至15 m 時，一端掌子面暫停掘進，從另一端開挖貫通。隨著施工進程的推進，隧道貫通后，測量人員需測定隧道的貫通誤差（橫向、縱向、豎向等），將實測結(jié)果與設(shè)計要求做對比分析，以便做合理的調(diào)整。

3.2 各級圍巖條件下的隧道洞身施工

3.2.1 Ⅴa 級圍巖

Ⅴa 級圍巖施工采用臺階法，整個斷面分為上、中、下3 部分。上部留核心土支擋開挖工作面，以便及時施作拱部初期支護結(jié)構(gòu)，由此大幅提高開挖工作面的穩(wěn)定性；對于核心土及下部開挖，則必須建立在設(shè)置好拱部初期支護的基礎(chǔ)上，以免發(fā)生安全事故。

施工基本流程為：上部導(dǎo)坑開挖→拱部初期支護→中部開挖→邊墻初期支護→下部開挖，仰拱初期支護。隧道開挖結(jié)束以及初期支護工作落實到位后，隨即澆筑仰拱二襯混凝土；加強隧道施工監(jiān)控量測，以實測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，組織邊墻、拱部的二次模筑混凝土澆筑作業(yè)；嚴格控制開挖進尺，正常情況下開挖進尺為0.5 m，臺階長度取5～10 m，同時及時檢測并靈活控制二次襯砌與掌子面的距離，即該值需在70 m 以內(nèi)。

3.2.2 Ⅴb 級圍巖

上下斷面正臺階法施工，整個斷面被劃分為兩個部分。開挖、支護的主要作業(yè)內(nèi)容如下：

1）基本流程為：拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護→拱部環(huán)形開挖→上半斷面初期支護→核心土開挖→下半斷面開挖→下半斷面左、右側(cè)初期支護→初期支護仰拱封底→澆筑仰拱封底→敷設(shè)防水板→全斷面一次模筑二次襯砌混凝土。

2）嚴格控制弧形導(dǎo)洞開挖速度，為避免因爆破過強而誘發(fā)安全事故，采取分部開挖的方法；加強對拱頂下沉量的監(jiān)測，必要時根據(jù)拱頂結(jié)構(gòu)特點設(shè)置豎向臨時支撐裝置。

3）隧洞開挖環(huán)節(jié)，每架立兩榀鋼拱架視為一個循環(huán)進尺，邊開挖、邊支護；以監(jiān)控量測結(jié)果為參考，擇機施工二次襯砌[1]。

4）施工充分遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、早成環(huán)、勤量測”的基本原則。

4 開挖爆破參數(shù)的設(shè)計

4.1 Ⅴa 級圍巖爆破

4.1.1 上臺階爆破

Ⅴa 級圍巖上臺階爆破設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 Ⅴa 級圍巖上臺階爆破設(shè)計圖（單位：mm）

上臺階爆破參數(shù)為：炮孔直徑42 mm；循環(huán)進尺0.5 m；炮孔利用率0.85。

4.1.2 中臺階爆破Ⅴa 級圍巖中臺階爆破設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 Ⅴa 級圍巖中臺階爆破設(shè)計圖（單位：mm）

中臺階爆破參數(shù)為：炮孔直徑42 mm；循環(huán)進尺0.5 m；炮孔利用率0.85。

4.1.3 下臺階爆破Ⅴa 級圍巖下臺階爆破設(shè)計圖如圖3 所示。

圖3 Ⅴa 級圍巖下臺階爆破設(shè)計圖（單位：mm）

下臺階爆破參數(shù)為：炮孔直徑42 mm；循環(huán)進尺0.5 m；炮孔利用率0.85。

4.2 Vb 級圍巖爆破

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，將整個斷面劃分為多個部分，即環(huán)形拱部、上部核心土及下部臺階。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)斷面的尺寸，進一步對環(huán)形拱部做劃分處理，形成多個區(qū)塊，此時以交替的方法有序開挖。

4.3 上部核心土與下部臺階的爆破

隨著施工作業(yè)的持續(xù)開展，待環(huán)形土開挖結(jié)束、拱頂與拱腰初期支護兩項工作落實到位后，根據(jù)工程進度計劃，開挖上部核心土與下部臺階。具體的開挖要點如下：

1）上部核心土開挖，斷面呈等腰梯形，共形成4 個自由面，現(xiàn)場施工條件良好，有利于高效開挖。實際施工中，在臺階上打設(shè)炮孔，采用普通潛孔臺階爆破的方法，高效完成爆破開挖作業(yè)。爆破工藝與Ⅴa 級圍巖的下臺階爆破相同，由于前述已經(jīng)提及，故此處不再贅述。

2）上部臺階開挖，該部分共有兩個自由面，開挖時間安排在上部核心土開挖結(jié)束后。實際操作中，從臺階上平面打設(shè)下向孔；炸藥單耗0.5 kg/m3，最小抵抗線0.8 m，孔距1 m，排距0.8 m；側(cè)壁孔采用預(yù)裂爆破的方法，以便有效防護隧道側(cè)壁圍巖，以免該部分在爆破過程中受損。

5 高海拔Ⅴ級圍巖隧道的安全施工技術(shù)

隧道有失穩(wěn)的情況時，采取噴射混凝土的應(yīng)對方法，有效加固隧道，也可以輔以架立鋼支撐、加設(shè)錨桿等相關(guān)措施，提升防護效果。盡快施作仰拱和二次襯砌，起到加固的作用，以免出現(xiàn)隧道邊墻向內(nèi)位移的情況。遇斷層破碎帶隧道時，宜優(yōu)先采用三臺階七步流水作業(yè)法，在此類地質(zhì)條件下施工時，每循環(huán)進尺為1 榀拱架，開挖過程中加強對現(xiàn)場情況的觀察，針對異常情況及時采取處理措施。開挖結(jié)束后，施作仰拱和二次襯砌。

為了在安全的前提下順利推進施工進程，開挖宜采取預(yù)留核心土環(huán)向施工的方法，規(guī)范作業(yè)行為，禁止隨意挖掘，否則會由于施工粗放化、無秩序化而埋下大量的安全隱患。若施工現(xiàn)場以水文條件較好的圍巖為主，則以全斷面法掘進施工，此時可取得較高的施工效率，除此之外也有助于保障施工人員的人身安全。對于高海拔地區(qū)的隧道工程施工，由于氧氣稀薄，施工人員的工作負荷加大，施工效率降低，為此應(yīng)盡可能采取機械化作業(yè)的模式，減輕員工的勞動強度，同時機械設(shè)備的穩(wěn)定性較好，可有效抵御外部環(huán)境的影響。除此之外，盡可能選擇成熟的施工技術(shù)以及優(yōu)質(zhì)的材料[2]。

若采用爆破法，則需要深入現(xiàn)場做詳細的勘察，掌握地形、地質(zhì)、水文等方面的實際情況，以此為出發(fā)點，制訂完善的爆破方案，做好原材料及機械設(shè)備的準(zhǔn)備等相關(guān)工作。在爆破時，盡可能減小對巖石的擾動性影響，除此之外，還需避免超挖、欠挖現(xiàn)象，以免額外增加工程量。

若挖掘現(xiàn)場以富水區(qū)為主，則需考慮水文條件對施工的影響，配套防水性能較好的機械設(shè)備，確保各類機械設(shè)備在帶水的環(huán)境中也能夠穩(wěn)定運行。實際施工中，隧址區(qū)的地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，可能存在含水帶以及導(dǎo)水帶，在此條件下，開挖過程中易誘發(fā)涌水事故，同時有大量的巖屑涌出，嚴重時導(dǎo)致塌方。若檢測數(shù)據(jù)揭示現(xiàn)場有異常情況，則隨即暫停施工，查明實際情況后，采取有效支護措施。例如，用圓木對隧道初期支護進行支頂處理，阻止變形的繼續(xù)發(fā)生，而后采取周壁注漿等相關(guān)處理措施[3]。

此外，隧道初支和仰拱的位移量較大時，或是噴層結(jié)構(gòu)完整性不足時（例如，有裂縫），均意味著隧道有異常狀況，隧道可能會隨著異常狀況的發(fā)展而發(fā)生坍塌，因此，需要及時組織人員及機械設(shè)備撤離現(xiàn)場，并采取安全防控措施，主動規(guī)避不良影響。待洞內(nèi)基本維持穩(wěn)定，各項危險因素均被排除后，方可恢復(fù)正常施工狀態(tài)。

6 結(jié)語

綜上所述，高海拔地區(qū)的隧道工程施工有明顯的復(fù)雜性，施工人員面臨著缺氧、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工窗口期短等多重問題。為此，必須綜合考慮現(xiàn)場圍巖、土層、氣候等自然條件，選擇合適的施工技術(shù)，制定安全可靠的施工措施，營造安全的施工環(huán)境，在此前提下高效推進施工進程，保證工程品質(zhì)。