復(fù)雜地質(zhì)條件下基于圍巖自穩(wěn)時(shí)間的隧道施工技術(shù)研究

趙軍婷

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

0 引言

我國(guó)西北地區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造的影響較大，巖體條件非常復(fù)雜，鐵路隧道施工的難度很大[1]。傳統(tǒng)鐵路隧道施工過(guò)程中，面對(duì)隧道圍巖巖體類型多變、裂隙和斷層等構(gòu)造復(fù)雜的情況，往往在掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，需要不斷轉(zhuǎn)換開(kāi)挖工序[2]。在開(kāi)挖工序轉(zhuǎn)換過(guò)程中難免需要對(duì)支護(hù)、噴錨、立架等進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換，不僅加大了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，還耗費(fèi)了大量的精力和時(shí)間，導(dǎo)致隧道工程建設(shè)工期長(zhǎng)、工程造價(jià)高[3-5]。究其原因，主要是開(kāi)挖過(guò)程中復(fù)雜多變的圍巖造成較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響了施工的順利進(jìn)行。基于此，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并對(duì)相關(guān)施工技術(shù)展開(kāi)研究，有利于確保隧道施工的安全，保障隧道施工的質(zhì)量。

1 工程概況

我國(guó)西北地區(qū)在建鐵路工程中某隧道全長(zhǎng)6627m，最大埋深451m，屬于超長(zhǎng)超深隧道。并且該隧道區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖以玄武巖、頁(yè)巖、灰?guī)r、砂巖及輝長(zhǎng)巖為主，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，形成了數(shù)量眾多的各級(jí)斷層、破碎面、穿插帶、入侵巖等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共計(jì)5處大斷層和15處小斷層，以及其他復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造體。由此可知，該隧道施工具有典型的復(fù)雜地質(zhì)條件?？紤]該工程中地質(zhì)構(gòu)造過(guò)于復(fù)雜，傳統(tǒng)的以精準(zhǔn)開(kāi)挖為主不斷轉(zhuǎn)換開(kāi)挖工序的施工方式存在過(guò)高的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要研究基于圍巖自穩(wěn)時(shí)間的隧道施工技術(shù)，為工程施工做好準(zhǔn)備。

2 圍巖自穩(wěn)時(shí)間分析

隧道開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)主要在于開(kāi)挖的掌子面圍巖不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)斷裂、塌陷、破碎等情況，一般都會(huì)采取邊開(kāi)挖邊支護(hù)的方式進(jìn)行。考慮作業(yè)面需要的空間，在開(kāi)挖與支護(hù)間必然存在時(shí)間差，如何高效利用時(shí)間，形成連續(xù)的、多階梯的開(kāi)挖，成為節(jié)約工期的關(guān)鍵。為此，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，就是確定掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖能夠自穩(wěn)定的時(shí)間，在自穩(wěn)定結(jié)束前采取支護(hù)，并最大限度的持續(xù)開(kāi)挖，形成更加高效的隧道施工技術(shù)。

隧道圍巖自穩(wěn)時(shí)間分析的過(guò)程：

（1）進(jìn)行巖石流變?cè)囼?yàn)，獲得不同巖體的力學(xué)參數(shù)。該工程由某勘察設(shè)計(jì)院采取鉆探取樣，并采用GCTS 公司雙軸巖石流變儀，依照《巖石流變?cè)囼?yàn)規(guī)程》進(jìn)行巖石流變及蠕變特性試驗(yàn)。

（2）對(duì)室內(nèi)流變儀得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采取有限元計(jì)算。利用ANSYS 軟件對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)行模擬。分別對(duì)進(jìn)行圍巖模擬、噴射混凝土模擬以及錨桿模擬，采集其中圍巖自穩(wěn)定時(shí)間（見(jiàn)表1）。

表1 隧道圍巖自穩(wěn)定時(shí)間

通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果很容易發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)風(fēng)化玄武巖破壞程度最大，圍巖穩(wěn)定系數(shù)最小，其開(kāi)挖后自穩(wěn)定時(shí)間為4.5h。花崗巖破碎后的圍巖穩(wěn)定性系數(shù)較大，其開(kāi)挖后自穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到最大14h。為此，確定圍巖穩(wěn)定時(shí)間4.5~14h 之間，仰拱初支未閉合成環(huán)穩(wěn)定時(shí)間均為15~16h。

3 隧道施工技術(shù)分析

3.1 施工方法分析

基于隧道圍巖穩(wěn)定時(shí)間的分析結(jié)果，可以在圍巖自穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)合理選擇開(kāi)挖變換次數(shù)少、工期節(jié)約的方法進(jìn)行施工。該工程采用三臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖施工。并模擬驗(yàn)算各工序一次循環(huán)時(shí)間，進(jìn)而控制初支封閉時(shí)間符合圍巖自穩(wěn)定時(shí)間要求。

三臺(tái)階法施工時(shí)，基于隧道縱斷面從上至下依次成三步臺(tái)階的階梯狀掌子面，形成上、中、下三個(gè)開(kāi)挖面，有利于施工的高效性，節(jié)約工期；并且每一開(kāi)挖面的初支封閉時(shí)間滿足圍巖自穩(wěn)定時(shí)間要求。

3.2 工序時(shí)間分析

總體工序安排是由一次開(kāi)挖工序不斷循環(huán)進(jìn)行的。為此，要具體分析每一次開(kāi)挖的工序，并優(yōu)化組合時(shí)間，從而合理安排總體工期。

由于工程中可以布設(shè)鋼架間距0.8m，為此按照1榀、2榀鋼架的工序進(jìn)行。每榀鋼架工序一致，分別為：超前支護(hù)施工→上、中、下三層臺(tái)階開(kāi)挖→上層臺(tái)階扒渣→上層臺(tái)階立架、中層臺(tái)階扒渣、中層臺(tái)階立架、下層臺(tái)階扒渣→上層臺(tái)階噴漿、中層臺(tái)階噴漿、下層臺(tái)階立架、下層臺(tái)階噴漿→清理斷面。其中對(duì)應(yīng)圍巖穩(wěn)定時(shí)間4.5~9h 的地質(zhì)情況，包括強(qiáng)風(fēng)化玄武巖、破碎砂巖、破碎片巖，按1 榀鋼架一次開(kāi)挖，仰拱封閉時(shí)長(zhǎng)按15d計(jì)算，掘進(jìn)32m。其中對(duì)應(yīng)圍巖穩(wěn)定時(shí)間9～14h的地質(zhì)情況，包括破碎片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、破碎花崗巖。按2 榀鋼架一次開(kāi)挖，仰拱封閉時(shí)長(zhǎng)按15d 計(jì)算，掘進(jìn)37m。兩者步距均能滿足安全要求，其初期支護(hù)封閉時(shí)間符合圍巖自穩(wěn)定時(shí)間。為此，可以計(jì)算1 榀、2榀鋼架的一次開(kāi)挖工序時(shí)間（見(jiàn)表2）。

表2 一次開(kāi)挖工序時(shí)間

3.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

一次開(kāi)挖工序之中，操作的要點(diǎn)在于首尾銜接，過(guò)程有機(jī)結(jié)合，施工流程如圖1所示。

圖1 一次開(kāi)挖工序流程圖

3.3.1 臺(tái)階設(shè)置

臺(tái)階高度需要滿足最低2.8m的要求，因此，下層臺(tái)階和中層臺(tái)階均可以設(shè)計(jì)為2.8m，上層臺(tái)階則余3.4m。臺(tái)階長(zhǎng)度從下至上以此減少，下層臺(tái)階可設(shè)6~18m，中層臺(tái)階為4~6m，上層臺(tái)階為3~5m。垂直方向的交叉作業(yè)隱患，每次作業(yè)在中層、下層臺(tái)階要考慮橫向錯(cuò)開(kāi)，可以選擇縱向錯(cuò)開(kāi)2~3m，左右至少錯(cuò)開(kāi)2~3m，過(guò)寬的一側(cè)應(yīng)設(shè)置在圍巖薄弱處。

開(kāi)挖鋼架設(shè)置，該工程選擇長(zhǎng)寬高分別為4.5m、6m、1.7m，與每層設(shè)計(jì)高度對(duì)比后，滿足長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)下的人體工程學(xué)原理。

3.3.2 施工準(zhǔn)備

案例教學(xué)法還能實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。在案例教學(xué)中，教師不僅是引導(dǎo)者而且也是學(xué)習(xí)者。一方面，教師掌握著教學(xué)進(jìn)程，引導(dǎo)學(xué)生思考、組織討論研究，并進(jìn)行總結(jié)、歸納。另一方面，收集案例的過(guò)程就是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程，教師在教學(xué)中與學(xué)生共同討論同一話題，也可以從中獲得大量感性材料。教師在課堂上不再“獨(dú)唱”，既能更合理地利用體力和腦力，也能從中獲得一種成就感。

（1）工機(jī)具方面，采用Y-28 型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)械和高壓噴漿設(shè)備。因此，要準(zhǔn)備好風(fēng)、水、電及充足原料。

（2）人員方面，按照工序計(jì)算后滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，并提前做好崗前培訓(xùn)考核工作，一次開(kāi)挖人員參考，可以考慮三臺(tái)階人員排布，一般上層臺(tái)階不少于7人、中層臺(tái)階不少于7人、下層臺(tái)階開(kāi)挖不少于3人，共計(jì)不少于17人。

（3）測(cè)量放線，采用激光型全站儀及標(biāo)尺，并提前做好超前支護(hù)孔位的輪廓線標(biāo)注及開(kāi)挖。

（4）超前支護(hù)，超前支護(hù)對(duì)于存在裂隙及破碎的復(fù)雜地質(zhì)條件開(kāi)挖十分必要。通過(guò)小導(dǎo)管注漿的方式，將水泥漿注入軟弱地層、巖縫斷面及裂隙等，在凝固中加固了圍巖自穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高后續(xù)在開(kāi)挖過(guò)程中可能發(fā)生的由于爆破、風(fēng)動(dòng)鑿巖引起圍巖自穩(wěn)定性時(shí)間變短的情況，保證施工安全。

3.3.3 開(kāi)挖操作

正式開(kāi)挖操作按照一次開(kāi)挖工序時(shí)間依次進(jìn)行。

（1）同步三臺(tái)階的開(kāi)挖工作，采用爆破方式（弱爆破）形成松動(dòng)面，使用風(fēng)動(dòng)機(jī)可以開(kāi)挖三層臺(tái)階處掌子面。

（3）上層臺(tái)階立架，上層臺(tái)階處扒渣結(jié)束后開(kāi)始上層臺(tái)階的立架，需要挖機(jī)在扒渣后平整運(yùn)輸通道，然后使用裝載機(jī)將臺(tái)架、鋼架等器具、材料運(yùn)輸至上層臺(tái)階處。

（4）中層臺(tái)階處扒渣，在上層扒渣、排危及運(yùn)輸通道清理后，根據(jù)中層臺(tái)階進(jìn)度，挖機(jī)繼續(xù)進(jìn)行中層臺(tái)階處扒渣作業(yè)，使渣土清理至下層臺(tái)階處。

（5）中層臺(tái)階立架，挖機(jī)在清理完中層巖土后，中層臺(tái)階即可開(kāi)始立架，同時(shí)，挖機(jī)清理下層臺(tái)階。

（6）上層、中層臺(tái)階噴漿，在上層和中層臺(tái)階扒渣、立架結(jié)束后做好噴漿準(zhǔn)備，人員撤離至下層臺(tái)階處，并開(kāi)始進(jìn)行下層臺(tái)階處立架。隨后開(kāi)始上層、中層噴漿；在完成下層立架后，轉(zhuǎn)移高壓噴漿設(shè)備進(jìn)行下層臺(tái)階噴漿。

（7）為一次開(kāi)挖工序中作業(yè)面的操作流程。在該流程中，基本按照上層、中層、下層臺(tái)階的順序分別做好扒渣、立架、噴漿的操作，三層作業(yè)同時(shí)開(kāi)始，交叉作業(yè)，使得作業(yè)面安排更加高效。

3.3.4 斷面清理

噴漿過(guò)程中難免發(fā)生回彈料，造成上層臺(tái)階噴漿流至中層、下層的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成運(yùn)輸通道的不安全性，因此要采用挖機(jī)對(duì)斷面進(jìn)行清理。為了高效作業(yè)，在挖機(jī)完成上層臺(tái)階斷面清理后，在繼續(xù)進(jìn)行中層臺(tái)階斷面清理的同時(shí)，使用裝載機(jī)運(yùn)輸臺(tái)架至上層，準(zhǔn)備開(kāi)始上層臺(tái)階的開(kāi)挖作業(yè)；在挖機(jī)完成中層臺(tái)階斷面清理后，在繼續(xù)進(jìn)行下層臺(tái)階斷面清理的同時(shí)，使用裝載機(jī)運(yùn)輸臺(tái)架至中層，準(zhǔn)備開(kāi)始中層臺(tái)階的開(kāi)挖作業(yè)。最后挖機(jī)完成中層臺(tái)階斷面清理后，繼續(xù)進(jìn)行下層臺(tái)階斷面清理，而這一過(guò)程與下一次開(kāi)挖形成銜接，直到隧道開(kāi)挖完工。

4 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)的選擇，要基于安全性和高效性兩個(gè)方面考慮。西北某復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)，基于圍巖自穩(wěn)定時(shí)間的分析結(jié)果，選擇了三層臺(tái)階開(kāi)挖方法。該施工方法在一次開(kāi)挖工序之中，將各工序有機(jī)結(jié)合，確保施工工藝流程的有機(jī)結(jié)合，形成首尾高效銜接的作業(yè)面。該施工技術(shù)在兼顧安全性和施工進(jìn)度方面，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。