地質(zhì)異常區(qū)隧道正洞大變形施工方案

馬時坤

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100000）

隧道施工受區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等影響較大，當(dāng)隧道設(shè)計埋深較大、隧道施工穿越應(yīng)力集中區(qū)、軟質(zhì)巖體和破碎帶以及其他地質(zhì)異常區(qū)時，容易造成隧道圍巖加大變形，斷面成型較差等現(xiàn)象，導(dǎo)致隧道施工質(zhì)量下降、施工進(jìn)度緩慢、施工困難增加和圍巖維護(hù)成本提升等系列問題[1]。為了有效解決隧道穿越特殊地質(zhì)帶引發(fā)的變形問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者及各施工單位進(jìn)行了多方面的研究和實踐，針對性地提出了若干解決辦法，并取得了顯著成效[1-4]。但因施工條件不同，方法的運用和方案設(shè)計有所不同，且隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)的不斷擴張，施工環(huán)境也隨之不斷變化，為此，基于工程實踐對隧道大變形施工方案進(jìn)行進(jìn)一步探討具有重要意義。

1 工程概況

某鐵路隧道位于四川省，地處岷山中高山區(qū)，山高坡陡，溝谷縱橫，地表植被發(fā)育，海拔在3 586～4 250 m，相對高差約664 m，最大埋深約570 m，隧道上方植被發(fā)育，地表多為草甸和灌木覆蓋，基巖露頭稀少，設(shè)計為雙線隧道，隧道內(nèi)為10‰、25‰的單面上坡。隧道起訖長度5 857.98 m，位于摩天嶺東西向構(gòu)造帶與熱務(wù)河旋卷構(gòu)造之復(fù)合部位西北側(cè)，瑪沁-略陽斷裂與秦嶺地槽褶皺系分界，區(qū)內(nèi)主要為巴顏喀拉冒地槽褶皺帶，位于褶皺系北部，構(gòu)造對于本隧影響相對較小，洞身通過地段接力裂隙較發(fā)育，構(gòu)造不發(fā)育。地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水，富水性分區(qū)主要為弱富水區(qū)。其中：Ⅲ級圍巖300 m、Ⅳ級圍巖4 578.6 m、Ⅴ級圍巖979.38 m；斜井長度1 138 m，其中Ⅳ級870 m、Ⅴ級268 m。主要不良地質(zhì)主要為極高地應(yīng)力：隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，埋深大，地應(yīng)力集中，部分段落存在高地應(yīng)力現(xiàn)象，軟質(zhì)巖體可能產(chǎn)生大變形，硬質(zhì)巖體可能會發(fā)生巖爆，正洞存在大變形風(fēng)險圍巖。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及圖紙設(shè)計，隧道大變形范圍合計310 m。

2 施工方案設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)條件預(yù)判，對隧道施工過程中圍巖可能會發(fā)生大變形的區(qū)域采用三臺階臨時橫撐工藝進(jìn)行施工，在施工過程中嚴(yán)格按照新奧法的施工要求進(jìn)行組織，采用“弱爆破、短進(jìn)尺、強支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工技術(shù)措施，正線大變形措施采用三臺階（短臺階）+臨時橫撐快速封閉成環(huán)法施工，上下臺階底部設(shè)置橫向臨時橫撐，采用I18 輕型工字鋼鋼架，縱向結(jié)合正洞鋼架，每2 榀鋼架設(shè)置1 處。

2.1 及時有效地做好超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報

根據(jù)已有的地質(zhì)資料進(jìn)行分析，當(dāng)隧道施工位置進(jìn)入預(yù)報區(qū)域后，必須及時全面地對所開挖隧道區(qū)域的地層巖性進(jìn)行研判分析，對變化區(qū)域進(jìn)行定期監(jiān)測，并采用鉆探工藝對隧道開挖前方、圍巖四周的巖性變化情況進(jìn)行探測和分析，根據(jù)地質(zhì)資料分析以及鉆探驗證結(jié)果及時調(diào)整優(yōu)化施工工藝，并制定相應(yīng)的應(yīng)急措施。

2.2 強化隧道圍巖支護(hù)

為有效控制因地質(zhì)異常發(fā)生的圍巖變形，采用超前支護(hù)和初期支護(hù)等方式對圍巖進(jìn)行主動支護(hù)，提升隧道整體的應(yīng)力支撐強度，有效提升隧道圍巖的穩(wěn)定性，保證工程施工的安全。初期支護(hù)參數(shù)嚴(yán)格按照設(shè)計參數(shù)施工，并且依據(jù)實際開挖地質(zhì)條件及時與設(shè)計單位溝通協(xié)調(diào)，確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3 施工方案實施

3.1 三臺階+臨時橫撐施工工藝

三臺階+臨時橫撐法施工工藝流程，如圖1 所示。

圖1 三臺階+臨時橫撐法施工工藝流程

1）將隧道斷面施工分為3 個臺階，首先進(jìn)行上臺階開挖施工，并做到循環(huán)進(jìn)尺和超前支護(hù)相輔推進(jìn)，并對上臺階的圍巖進(jìn)行初期支護(hù)及混凝土初襯，利用鋼架對上臺階開挖斷面進(jìn)行臨時支護(hù)，并及時跟進(jìn)錨桿支護(hù)及斷面二襯。

2）中部臺階施工與上臺階施工不能同時施工，而是待上臺階開挖深度與中部臺階開挖深度達(dá)到一定距離后進(jìn)行，并接續(xù)長鋼架，其他工序施工與上臺階施工工序一致。

3）參照上述上臺階和中部臺階施工工藝，待中部臺階開挖深度到適當(dāng)距離后，開挖下臺階，并完成相應(yīng)圍巖支護(hù)。

4）三臺階施工完成后，開挖4 部仰拱，并參照上述工藝完成初期支護(hù)并完成混凝土灌注。

采用三臺階施工法隧道不能一次成型，所以各臺階及仰拱施工都應(yīng)注重隧道洞身的整體性，并且盡量減小對隧道圍巖的擾動，為此，各臺階及邊墻的施工工藝選擇一定要合理穩(wěn)定。上臺階作為首臺階施工，對圍巖的擾動最大，施工采用人工風(fēng)鎬支或弱爆破，中部、下臺階施工采用挖掘機或者控制爆破方法，以此來減少對圍巖的開挖擾動，臺階完成后的邊墻施工盡量采用人工風(fēng)鎬或弱爆破工藝，并且每次僅對一側(cè)邊墻進(jìn)行施工，嚴(yán)禁邊墻施工的平行作業(yè)，且嚴(yán)格控制邊墻施工距離。同樣，仰拱施工也采用一次短距離開挖的方式，而在地質(zhì)條件較差的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)預(yù)留一定厚度進(jìn)行人工開挖，并且做到開挖后第一時間支護(hù)、封閉、施作鋼架支護(hù)，并加強圍巖變形監(jiān)測、勤排水。

3.2 隧道洞內(nèi)小導(dǎo)管施工

小導(dǎo)管采用無縫熱軋鋼管制作，為了便于施工，采用外徑Φ42 mm、壁厚3.5 mm 的無縫熱軋鋼管，鋼管長度4.5 m，導(dǎo)管前段加工成尖錐狀，尾部焊Φ12 加勁箍。管壁四周按10～20 cm 間距梅花形鉆設(shè)Φ6 mm～Φ8 mm 注漿孔，尾端100 cm 范圍內(nèi)不鉆設(shè)花孔，作為止?jié){段，如圖2 所示。小導(dǎo)管的施工采用鉆孔打入法，且按照隧道斷面從上到下依次布設(shè)施工，導(dǎo)管數(shù)量及布設(shè)范圍和間距根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件和隧道自身穩(wěn)定能力進(jìn)行及時調(diào)整，而到導(dǎo)管與隧道縱軸線之間的角度應(yīng)當(dāng)以導(dǎo)管設(shè)計長度以及鋼架間距進(jìn)行綜合考慮，外插角（與隧道縱軸線的夾角）取值應(yīng)考慮小導(dǎo)管的長度和鋼架的間距，一般外插角為10～15°，長度為4.5 m，縱向3.2 m 一環(huán)，每環(huán)27 根，環(huán)向間距40 cm；小導(dǎo)管應(yīng)同鋼架配合使用。安設(shè)完成后，需對導(dǎo)管進(jìn)行壓水試驗，以便確定注漿參數(shù)，從而根據(jù)配比制作漿液，注漿過程中應(yīng)注意注漿壓力和注漿順序，并及時調(diào)整注漿漿量、漿液配比、注漿壓力等，當(dāng)采用單液水泥漿時，開挖時間為注漿后8 h，采用水泥－水玻璃漿液時為4 h，開挖過程中應(yīng)檢查漿液滲透及固結(jié)狀況，并根據(jù)壓力-流量曲線分析判斷注漿效果，及時調(diào)整預(yù)注漿方案。

圖2 小導(dǎo)管的加工示意圖

3.3 隧道初期支護(hù)施工方法及工藝

隧道初期支護(hù)由掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、型鋼拱架、拱部樹脂錨桿和邊墻砂漿長錨桿、拱墻徑向孔口管組成。

1）砂漿錨桿施工，如圖3 所示。采用先插桿后注漿工藝，為提高隧道邊墻砂漿錨桿施工速度及錨桿錨固質(zhì)量，主要從以下3 個方面開展：提高錨孔成孔速度；加快錨孔封閉錨固劑凝結(jié)，提高錨固劑的早期強度；加快錨孔水泥砂漿凝結(jié)，提高水泥砂漿的早期強度。速凝型水泥卷錨固劑的凝結(jié)時間為4～10 min，0.5 h 抗壓強度大于等于9 MPa，24 h 抗壓強度大于等于25 MPa。在錨孔口采用速凝型水泥卷錨固劑封閉0.5 h 后，可安裝墊板及螺母，從而大大縮短了砂漿錨桿錨固安裝時間，提升了錨桿施工速度。

普通砂漿錨桿采用螺紋鋼筋現(xiàn)場制做，系統(tǒng)錨桿呈交錯形布置，一般情況下系統(tǒng)錨桿應(yīng)沿隧道開挖輪廓線徑向布置，但必須注意，錨桿與巖體主結(jié)構(gòu)面、巖層層面平行或交角太小，錨固效果較差，錨桿的組合拱作用效果不好；成大角度布置，可以把不利結(jié)構(gòu)面或巖層“串”在一起，共同參與工作。砂漿鋼質(zhì)錨桿作為系統(tǒng)錨桿，其桿體全長外裹水泥砂漿的主要作用有2 點，其一是起膠結(jié)作用，傳遞荷載；其二是阻止或延緩錨桿桿體腐蝕。錨桿桿體設(shè)對中支架，可固定錨桿桿體與錨孔孔壁的位置關(guān)系，保證桿體外裹砂漿厚度，是砂漿錨桿桿體防腐的重要措施之一。

2）預(yù)應(yīng)力中空錨桿施工。施工的主要流程包括：施工前的準(zhǔn)備，按照設(shè)計現(xiàn)場測量放線、鉆孔施工、錨桿安裝、預(yù)應(yīng)力施加和相應(yīng)錨具安裝、水泥砂漿灌注、錨桿與鉆孔的密封度和無損檢測。根據(jù)設(shè)計要求初始預(yù)應(yīng)力值，使用扭力扳手施加預(yù)應(yīng)力。采用專用螺旋砂漿泵進(jìn)行注漿，注漿作業(yè)通過中空錨桿的底部注漿管進(jìn)行，錨桿內(nèi)漿體上部空間進(jìn)行排氣，待錨桿內(nèi)漿體灌注至中部孔道后停止注漿，在此過程中要時刻注意注漿壓力和漿體流量，并做出及時調(diào)整，以免發(fā)生注漿管爆裂等情況，預(yù)應(yīng)力中空錨桿在拱部144°范圍均勻布設(shè)。

3）隧道圍巖混凝土噴筑采用濕噴技術(shù)，如圖4 所示。而在濕氣較大或圍巖含水量較大的區(qū)段采用潮噴技術(shù)，為了保證混凝土噴筑質(zhì)量和厚度，噴筑過程分為一襯和二襯，且每次混凝土噴筑都應(yīng)當(dāng)按照由拱頂至兩壁、由上到下、分段分片分層，以及無水到多水分區(qū)的順序進(jìn)行。為了保證混凝土噴筑的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)從混凝土的配比、噴筑工藝等多種因素進(jìn)行綜合考慮，降低混凝土噴筑后的回彈率，邊墻和拱部的回彈率分別控制在0.15 和0.20 以下，并且在噴筑過程中根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)及時優(yōu)化調(diào)整各項參數(shù)，以便更好地控制回彈率，保證隧道圍巖面的平滑度及隧道整體質(zhì)量。

圖4 噴射混凝土施工程序圖

減水劑的主要作用是減少混凝土的用水量，提高早期強度，由于濕噴混凝土坍落度指標(biāo)的要求，使水灰比較大，這樣水泥水化后多余的水要蒸發(fā)，使噴層出現(xiàn)“干裂”現(xiàn)象，從而降低了噴層強度和抗?jié)B性，因此在拌合混凝土?xí)r一般要摻入高效減水劑，使?jié)駠娀炷猎诩铀枯^小的情況下，提高其和易性和流動性；防水劑在混凝土拌合物中能與水泥的水化產(chǎn)物作用生成不溶性凝膠，阻塞混凝土的毛細(xì)管道，同時該凝膠所產(chǎn)生的微膨脹性還可部分抵消混凝土硬化所產(chǎn)生的干縮；速凝劑的作用主要是當(dāng)混凝土的料束粘到受噴面后必須盡快凝固，一方面可以防止由于混凝土物料的堆集而呈塊狀掉落，減少回彈量，從而增加噴層厚度；另一方面是為了發(fā)揮噴混凝土的早強作用，盡快形成支護(hù)能力，保證結(jié)構(gòu)的安全，使用液態(tài)速凝劑；加入硅粉主要是提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性。

4）鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)采用網(wǎng)格型網(wǎng)片，且鋼筋質(zhì)量應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計要求并經(jīng)檢驗合格，而在鋪設(shè)過程中，為了保證鋪設(shè)后隧道整體平滑度，鋼筋網(wǎng)應(yīng)當(dāng)與一襯后的圍巖壁面嚴(yán)格吻合，而二襯作業(yè)應(yīng)當(dāng)將鋼筋網(wǎng)進(jìn)行混凝土全覆蓋，且厚度應(yīng)能滿足對鋼筋網(wǎng)起到保護(hù)層的作用，且二襯作業(yè)完成后隧道圍巖仍能保持平滑質(zhì)量。

5）拱架施工。拱架采用型鋼鋼結(jié)構(gòu)，為了便于施工安裝，洞內(nèi)安裝所采用的鋼拱架為洞外根據(jù)隧道設(shè)計提前預(yù)制成型，拱架安裝后應(yīng)當(dāng)與定位系筋、錨桿聯(lián)接，確保拱架穩(wěn)定，拱架支撐間以噴混凝土填平。拱架支撐拱腳安放在牢固的基礎(chǔ)上，架立時垂直隧道中線，當(dāng)拱架支撐和圍巖之間間隙過大時設(shè)置墊塊，用噴混凝土噴填。為增強拱架支撐的整體穩(wěn)定性，將拱架支撐與錨桿聯(lián)接在一起。為使拱架支撐準(zhǔn)確定位，拱架支撐架設(shè)前均需預(yù)先打設(shè)定位系筋。

3.4 隧道結(jié)構(gòu)防排水施工方法及工藝

隧道結(jié)構(gòu)防排水采取“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理、保護(hù)環(huán)境”的原則，應(yīng)當(dāng)對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分認(rèn)識，提出最為科學(xué)合理、內(nèi)外完善的防排水措施，而對于不良地質(zhì)條件且富水性較強的區(qū)段，防排水應(yīng)當(dāng)采取“以堵為主、堵排結(jié)合、限量排放”的原則實施以圍巖預(yù)注漿固結(jié)圈、防排水網(wǎng)絡(luò)及模筑防排水混凝土襯砌組成的結(jié)構(gòu)體系。

3.5 隧道結(jié)構(gòu)襯砌施工方法及工藝

1）仰拱及仰拱填充施工，應(yīng)當(dāng)在二襯前提前完成，即待巷道圍巖完成錨桿之后，及時跟進(jìn)開展仰拱開挖并完成仰拱部分區(qū)段的混凝土灌注，使應(yīng)力支護(hù)在最短時間內(nèi)閉合成環(huán)，以便為隧道后續(xù)的施工創(chuàng)造更為良好的施工環(huán)境。確保仰拱施工縫與二襯施工縫保持一致。仰拱封閉成環(huán)時間為掌子面進(jìn)度，確保仰拱與掌子面安全步距不超，而仰拱斷面內(nèi)分層進(jìn)行混凝土灌注，應(yīng)當(dāng)做好分層斷面的銜接和襯砌趕緊連接。

2）二次襯砌施工。二襯前，隧道的其他附屬設(shè)施、管路等都應(yīng)當(dāng)按照設(shè)計施工和埋設(shè)完成，為了保證二襯結(jié)束后隧道圍巖表面的整體性，在混凝土噴筑時應(yīng)當(dāng)充分考慮可能會出現(xiàn)的麻面、水泡等墻面缺陷，提前制定相應(yīng)的控制措施，而在完成噴漿后，還應(yīng)當(dāng)對墻面進(jìn)行巡查，及時對表面缺陷進(jìn)行整改。

4 結(jié)束語

為有效防止隧道過地質(zhì)異常區(qū)產(chǎn)生的大變形，除了嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行施工以外，還需要強化現(xiàn)場監(jiān)控量測，作為“新奧法原理”施工的三大要素之一，現(xiàn)場監(jiān)控量測是復(fù)合式襯砌設(shè)計、施工的核心技術(shù)。對完成復(fù)合襯砌施工的區(qū)段進(jìn)行實時有效的監(jiān)控量測，能夠及時準(zhǔn)確地掌握不良地質(zhì)影響下隧道圍巖的變形情況以及圍巖支護(hù)強度等信息，從而對施工工藝選擇、隧道施工設(shè)計等參數(shù)選擇的合理性等進(jìn)行充分評判，以便為施工工藝調(diào)整優(yōu)化提供更為合理的數(shù)據(jù)支撐。因此，實施隧道信息化動態(tài)施工控制，既能達(dá)到安全快速施工，又能節(jié)省工程造價的目的，為信息化設(shè)計與施工提供依據(jù)，為修改變更設(shè)計、調(diào)整施工方法提供科學(xué)依據(jù)。