從施工實踐中總結軟巖隧道的施工工藝

吳 沖

神華新準鐵路有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 017000

從施工實踐中總結軟巖隧道的施工工藝

吳 沖

神華新準鐵路有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 017000

軟弱圍巖條件下隧道工程施工極易發生大變形及冒頂片幫等安全、質量事故，結合軟巖隧道塌方事故處理的實踐經驗，對軟弱圍巖條件下隧道工程施工通常所采用的施工工藝進行了系統分析，并以此提出了軟巖隧道工程施工必須遵循的基本施工原則與必須引入的先進檢測技術。

軟巖隧道；施工工藝；檢測技術

1 工程概況

大準鐵路南坪支線肖家沙墕隧道，是點岱溝至南坪工業廣場鐵路運煤專用支線全線開通的關鍵控制工程，隧道進口里程為DK8+520，出口里程為改DK9+765，全長1 245m。隧道進口至DK8+528.11位于半徑為800m的曲線上，DK8+528.11至改DK9+039.80位于直線上，自改DK9+039.80至隧道出口位于半徑為800m的曲線上。隧道內縱坡自隧道進口至DK8+950為10.5‰的上坡，DK8+950至改DK9+750為7‰的上坡，改DK9+750至隧道出口為1‰的下坡。

1.1 工程地質及水文地質

該隧道位于剝蝕低山區，地形起伏很大，山頂地表大部分辟為耕地，局部為荒地。隧道進口地勢較緩，但進口左側沖溝下切較深；出口地形較陡，線路左側有一陡洞，深約3m。隧道頂植被稀少，表覆第四系上更新統沖風積層（）濕陷性新黃土，濕陷系數δs=0.015～0.070；洞身地層主要為二疊系上統（P2）泥巖及砂巖，節理發育，呈全風化（W4）～弱風化（W2），巖層產狀135°∠ 7°，其中泥巖屬膨脹巖；隧道進出口洞頂地層為新黃土夾粉細沙薄層。

本隧道地下水主要為基巖裂隙水，地下水水量不大，主要含水層為節理裂隙發育的砂巖風化層，受大氣降水補給，對混凝土不具侵蝕性，滲透系數新黃土及砂巖為K=0.5，泥巖為K=0.001～0.005。

1.2 設計參數（改DK9+010～590段）

隧道改DK9+010～590段，原設計為Ⅳ級圍巖，采用短臺階或超短臺階法施工，初期支護及二次襯砌為噴錨施工復合式襯砌（詳見圖1），參數見表1。

表1 Ⅳ級圍巖段支護參數

1.2.1 超前支護

隧道拱部140°范圍內采用超前小導管注漿支護，小導管采用φ42熱軋鋼管，長3.5m。環向每米3根布置，縱向每2榀格柵打一環，施工外插角為10°～15°。注漿材料選用水泥漿，灰水重量比采用1:1，注漿壓力0.8MPa。

圖1 肖家沙墕隧道Ⅳ級圍巖復合式襯砌斷面圖（單位：cm）

1.2.2 初期支護

初期支護以噴混凝土、鋼筋網、格柵鋼架及錨桿組成，支護緊隨開挖并封閉成環。其中噴射混凝土采用碳塑加強筋纖維噴射混凝土新工藝，以提高噴射混凝土的質量和增強抗裂性，并減少回彈量；鋼筋網拱墻設置，鋼筋直徑采用φ8，網格尺寸為25×25cm；Ⅳ級圍巖段格柵鋼架（詳見圖2）按局部設計，工程數量按2m/榀，實際施工時在需要設置的段落集中架設，間距按1.2m考慮，格柵縱向連接筋為φ22鋼筋，環向間距1.0m，單排布置；錨桿拱墻設置，在拱部120°范圍內采用帶排氣管的新型CD組合式中空注漿錨桿，邊墻采用砂漿錨桿，錨桿長2.5m，環、縱間距1.2m，呈梅花狀布置。

圖2 肖家沙墕隧道Ⅳ級圍巖復合式襯砌格柵鋼架圖

1.3 二次襯砌

拱墻及仰拱為C25混凝土，厚度分別為30cm和40cm，仰拱填充為C20混凝土。仰拱超前封閉，二次模筑襯砌按先墻后拱順序全斷面一次整體灌注。

1.4 防排水措施

隧道初期支護與二次襯砌間于拱墻設置新型HDPE防水排水板，襯砌背后設環向盲溝，間距按12m一道，在墻腳處設縱向軟管透水盲溝；襯砌施工縫按8m一道，施工縫設膨潤土止水條。

2 塌方事故處理

2.1 事故概況

2006年12月5日，結合本隧道復雜地形、地質及前期施工情況，為確保隧道結構永久性質量安全，本著動態施工的管理理念，兼考慮隧道總體施工進度等因素，就改DK9+010～590原Ⅳ級圍巖段設計，曾提出如下變更：

1）于仰拱增設砂漿錨桿及鋼筋網片，格柵鋼架由原設計的局部設置調整為1榀/m設置，全斷面封閉成環；

2）初期支護噴射混凝土厚度調整為22cm，二次襯砌厚度按45cm施作，隧道凈空斷面尺寸不變；

3）其余施工參數維持原設計，變更后的復合式襯砌結構圖詳見圖3。

圖3 肖家沙墕隧道Ⅳ級圍巖復合式襯砌變更斷面圖（單位：cm）

但由于該段地質條件復雜多變，圍巖屬未固結軟弱泥巖夾砂巖，且風化嚴重，自支護能力較差，開挖后由于其自重應力及構造應力的釋放，變形較大，給施工的動態管理造成相當困難。2007年7月23日上午11時，在進行隧道出口改DK9+440～443段左側邊墻初期支護馬口開挖時發生突然坍塌，塌方沿臨空面迅速擴展，致使改DK9+420～460段左側初期支護從拱頂至邊墻連同格柵一起全部垮塌，圍巖發生大面積坍塌，塌方數量約為400多方。從洞內的坍體表面觀察來看，該段地質為強風化泥巖夾砂巖，節理發育，基巖裂隙水受雨季降水補給下滲，致使泥巖浸水呈現出中等崩解性、膨脹性及抗剪強度降低等特點，圍巖結構十分松散，主要依靠層間粘結力結合，整體穩定性極差。

2.2 處理措施——管棚工法

第一步：對改DK9+460～470段用工字鋼做卡口梁，加強鎖腳和徑向錨桿等加固處理，并盡快施作改DK9+460～476段仰拱及矮邊墻，每循環施作4m。仰拱施作完成后拆除卡口梁，及時澆注此段二次襯砌。

第二步：從洞外運土對塌方段右側進行填筑，用于穩定坍體及施作系統錨桿的平臺，同時對右側沒有變形的拱架增加鎖腳及徑向錨桿。

第三步：在改DK9+461處架設2榀I22型鋼護拱，作為管棚施作支撐，護拱間距10cm并采用φ22鋼筋與原有拱架進行連接，同時做好管棚頂進鉆孔（施工外插角5°）及推進基地。

第四步：在塌方范圍內頂進φ89mm、長L=6m的鋼管，環向間距30cm，縱向每循環搭接長度為2m，注漿壓力1.5MPa（管棚布置圖詳見圖4）。

圖4 塌方段管棚及小導管布置圖

第五步：待管棚成形后，拆除已垮塌拱架部分，重新進行噴錨掛網，并就塌方范圍初期支護采取如下技術措施：

1）邊墻增設徑向小導管，長度3.5m，環縱間距1.5m，梅花型布置，注漿壓力1.5MPa；

2）將CD組合式中空注漿錨桿及砂漿錨桿，由原設計的長2.5m變更為3m，環、縱間距由原設計的1.2m變更為1m，梅花狀布置；

3）噴射混凝土厚度由變更后的22cm調整為28cm。

第六步：及時跟進仰拱及二次襯砌，并采用噴漿機對襯砌背后空洞進行填充注漿處理。

3 技術效果分析

3.1 管棚、小導管及錨桿作用分析

3.1.1 管棚工法

管棚工法是沿隧道開挖斷面外輪廓以一定間隔與隧道平行鉆孔后插入鋼管，再從插入的鋼管內壓注充填水泥漿或砂漿，來增加鋼管外圍巖的抗剪切強度，并使鋼管與圍巖形成一體，構成棚架體系。在軟弱圍巖條件下的隧道施工，管棚工法能有效防止圍巖的松弛變形，同時其梁式結構對防止圍巖的松弛崩塌也是十分有利的。在設計中，要充分考慮圍巖地質條件、周邊環境、隧道開挖斷面、埋深以及隧道的施工方法等，來決定管棚的配置、形狀、施工范圍、管棚間隔及斷面等。

3.1.2 小導管注漿

1）超前小導管

超前小導管注漿是向掌子面附近的圍巖壓注水泥、砂漿及水玻璃等壓注材料，以改善圍巖狀況并使掌子面達到穩定的方法。由于掌子面斜上方的圍巖狀況對隧道的穩定性具有很大的影響，因此改善該部分的圍巖狀況對提高隧道的穩定性是極為重要的。同時作為超前支護，超前小導管以低角度打設的方式沿隧道外輪廓平行打入掌子面前方圍巖，可有效約束圍巖的松弛變形，防止崩落掉塊。

超前支護基本是借助構件的抗彎剛度發揮作用，因此采用抗彎剛度大的構件是有利的，對于單管超前支護，一般采用34mm～48mm的鋼管，以30cm～60cm的間隔和5°～30°的仰角打入，打入長度一般為掘進進尺的2倍～3倍。

2）徑向小導管

小導管注漿不僅是掌子面穩定的對策，還可充分運用于改善隧道周邊圍巖的穩定性。對于徑向小導管注漿，是在隧道開挖后徑向打入隧道拱部及邊墻，并向周邊圍巖壓注注漿材料，其設計、施工、原理及效用與超前小導管基本相同。

3.1.3 錨桿

錨桿是隧道施工過程中維護圍巖穩定，保證施工安全的重要支護手段之一，施工完成后，在一定程度上還可以作為永久支護結構的一部分發揮作用。對于軟弱圍巖中的隧道施工，錨桿能有效限制約束圍巖變形，制止圍巖強度的惡化，其加固作用，可使圍巖中松動區的節理裂隙及破裂面等得以聯結，使錨固區圍巖形成整體加固帶，大幅提高圍巖強度，同時錨桿群可有效提高層狀圍巖的層間結合力，以提高隧道的整體穩定性。

錨桿施工中，要合理確定錨桿參數，充分發揮群錨作用，避免不配置墊板、布置不合理、砂漿充填不密實及長錨短打等現象發生。

3.2 塌方處理效果

本次塌方處理從7月24日開始，至9月底處理完畢，整個處理過程歷時2個多月，實際注漿量224.0m3。注漿完畢后，開挖情況顯示，坍體泥巖破碎體及土石松散體相當于凝結成一個低標號的混凝土整體，隧道拱部也具備了自穩能力，經量測資料分析，坍體處于穩定狀態，從開挖支護到二次襯砌，塌方段再沒有發生變形和下沉等安全質量事故，完全達到了塌方處理的預期目的，這同時也說明了處理方案選擇的正確與合理性。

4 結論

在隧道施工的整個工程中，一旦發生災害性事故，不僅延誤工期、大幅度提高工程費用，同時如處理不當，還會遺留工程質量后患，甚至出現人生傷害，但由于隧道施工地質條件的不斷變化，當一些不能預計到的突發現象發生時，應采取各種應變措施，按照安全、優質、高效、投資節約的總原則對事故進行處理，這就是動態施工管理的本質含義。

在軟弱圍巖中的隧道施工，導致塌方的原因雖然是多種多樣的，但如果在施工管理和技術上加以認真地改善，遵循“先預探、管超前、預注漿、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測、快反饋、緊襯砌”的施工原則，加強超前地質預報和監控量測信息反饋，及時調整設計參數，就會使塌方事故得到有效控制，因此要更多地從施工方面去分析塌方的原因，如由于搶工期心切而忽略地質因素；片面追求進尺而不及時封閉斷面或不及時跟進襯砌；在出現塌方跡象時不采取或被動采取輔助措施；破碎巖層中不設超前支護或支護不到位等，都是造成塌方或是塌方擴大的原因。

[1]關寶樹，楊其新.地下工程概論[M].成都：西南交通大學出版社，2001.

[2]鐵道部.鐵路隧道工程施工技術指南（TZ 204-2008）[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]鐵道部.鐵路隧道噴錨構筑法技術規范[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

[4]鐵路工程施工技術手冊——隧道（上、下冊）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

The Construction Technology of Weak Surrounding Rock Tunnels from the Tunnel Construction Work

WU Chong
Shenhua Xinzhun Railway Co.，Ltd. Inner Mongolia，Ordos 017000

In the condition of weak surrounding rocks，safety and quality accidents will probably happen during the tunnel construction work，such as the great deformation and side fall roof caving. Based on the weak surrounding rock tunnel collapse treatment experience，this essay systematically analysis the construction technology that the weak surrounding rock tunnel construction usually takes. Further，a proposal can be raised that the basic construction rules should obey and the advanced detection technology should import in the weak surrounding rock tunnel construction work.

Weak Surrounding Rock Tunnels; Construction Technology; Detection Technology

U25

A

1674-6708（2011）48-0172-03

吳沖，助理工程師，工作單位：神華新準鐵路有限責任公司，從事鐵路基本建設項目本質安全管理工作