淺談軟巖隧洞開挖和一次支護

謝愛花 紀光磊

中國水利水電第一工程局有限公司

淺談軟巖隧洞開挖和一次支護

謝愛花 紀光磊

中國水利水電第一工程局有限公司

本文通過在建和已完軟巖隧洞工程，根據(jù)現(xiàn)有的施工技術(shù)和軟巖的特點，總結(jié)已經(jīng)在工程中得到成功運用的施工方法，并能夠正確理解新奧法通過一次支護利用圍巖自承載能力，以達到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

軟巖;開挖;支護

1 概述

深圳公明Ⅶ標放水隧洞、頂山隧洞（15km）、二道彎隧洞、八十一大坂隧洞進口（5KM）其共同的特點為砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖、砂礫巖，巖石飽和抗壓強度低于15MPa，以上四條隧洞為機械配合人工修整輪廓面非爆破方式開挖。在巖石飽和抗壓強度低于15MPa的軟巖和巖石飽和抗壓低于5MPa的極軟巖隧洞開挖時,采用不擾動或少擾動圍巖的施工方法。

2 軟巖開挖

軟巖開挖以不（弱）爆破、短進尺、強支護、早封閉，以不擾動和少擾動圍巖為原則，噴錨支護緊跟掌子面。

如果隧洞跨度小于10m，宜采用臺階分部法開挖，掏槽寬度大約1m，上、下臺階距離控制在3m～5m，并預(yù)留核心土，開挖進尺控制在0.5m～1.5m為一個開挖循環(huán)，開挖完一個循環(huán)后，立即進行格柵安裝，掛網(wǎng)片、噴混凝土3cm～5cm。下臺階開挖時左右邊墻錯開開挖，錯開2榀格柵間距。

2.1 一次支護

2.2.1 鋼格柵及鋼拱架

工程上一般采用架設(shè)鋼格柵及鋼拱架噴射混凝土來增強軟巖的變形支護抗力，鋼拱架抗壓強度大于鋼格柵。

鋼格柵及鋼拱架根據(jù)設(shè)計和實際施工需要將1榀分成幾單元（節(jié)）。節(jié)間通過接頭板螺栓連接，注意柱腳應(yīng)設(shè)置在無沉降的基礎(chǔ)上，鋼格柵及鋼拱架利用拱角和鎖腳錨桿加固。鋼格柵及鋼拱架安設(shè)定位準確，允許偏差橫向和高程均為±50mm,垂直度允許偏差為±2°。

鋼格柵及拱架應(yīng)保證能單獨承受2m～4m高的松動巖柱重量，應(yīng)保證鋼格柵（拱架）與圍巖之間的混凝土厚度不小于40mm，立柱埋入底板深度不應(yīng)小于15mm，或設(shè)置底座，當有水溝時不應(yīng)高于水溝底面。如果采用鋼管拱架，應(yīng)在架設(shè)完后注滿水泥砂漿。縱向間距不應(yīng)大于1.5m，兩榀間用聯(lián)系筋焊接。

2.2.2 錨桿施工

軟巖自穩(wěn)時間短和飽和單軸抗壓強度小于30MPa，對可鉆圍巖采用全長粘結(jié)型錨桿，錨桿主要采用錨桿臺車或手風鉆造孔，注漿管插至距孔底50mm～100mm，隨漿液的注入緩慢均勻拔出。錨桿安裝后，孔口加楔固定封嚴，砂漿終凝前不允許擾動。

對不可鉆圍巖（砂質(zhì)泥巖）或成孔較困難的圍巖采用摩擦型錨桿，將桿體一端切成45°尖，用風鎬將桿體打入巖體，一般呈梅花形排列。環(huán)向不大于設(shè)計間距15cm，平均長度不小于設(shè)計長度。

2.2.3 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土

根據(jù)設(shè)計的構(gòu)造要求，鋼筋網(wǎng)大多采用6mm～10mm直徑的圓鋼，必要時采用雙層鋼筋網(wǎng)。利用錨桿點焊牢固，使鋼筋網(wǎng)緊貼巖面，網(wǎng)間用22#鉛絲扎牢。如果網(wǎng)片安裝較困難或較危險，可以采用噴射普通碳素鋼纖維，要求抗拉強度不得低于380MPa，直徑0.3mm～0.5mm，長度20mm～25mm，為混合料重量的3%～6%。

噴射混凝土采用42.5硅酸鹽水泥，細骨料采用粗、中砂，細度模數(shù)大于2.5，速凝劑摻入量根據(jù)配合比確定。分層混凝土噴射時，兩次噴射的時間間隔不宜過短。為了兩次噴射的混凝土能密貼，一般不超過1小時。若超1小時，噴射前應(yīng)把浮在表面的回彈料清理干凈，并噴水濕潤混凝土表面，確保層間粘結(jié)良好。

通過鋼格柵、錨桿、網(wǎng)噴混凝土最大限度的提高圍巖的彈性模量，從而提高圍巖的自承載能力，使他們形成一個牢固的承重拱環(huán)，保持圍巖穩(wěn)定。

3 施工期監(jiān)測

施工期監(jiān)測包括圍巖收斂觀測、頂拱下沉及圍巖變形監(jiān)測等。

圍巖收斂觀測：軟巖觀測斷面間距宜按20m～50m控制，施工時視巖石開挖情況進行增減，斷面實際實施時可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

觀測設(shè)備采用精密收斂計，精密收斂計采用人工觀測方式測量。

監(jiān)測測次：

開始1～15天2次/天，15～1個月為1次/2天，1個月～3個月為1～2次/周，到二次支護施工后，臨時檢測（圍巖收斂、洞內(nèi)頂拱下沉）即告結(jié)束。

根據(jù)量測的數(shù)據(jù)及時繪制位移---時間曲線，分析推算最終位移值和掌握位移變化規(guī)律。當變形速率或總變形超過規(guī)定值時，表明圍巖和支護已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)適當加強支護，必要時停止開挖并進行支護處理。

4 工程實例

二道彎隧洞洞身所經(jīng)地層，巖性為第四系中更新統(tǒng)的砂礫石,進口表層覆蓋有5m～10m厚的風積黃土,出口表層覆蓋一層厚3m～10m的坡洪積碎石土,洞身處在砂礫石干密度γd為1.9～2.0g/cm3,礫石含量80%,屬Ⅴ類圍巖,穩(wěn)定性差，圍巖內(nèi)分布有松散的砂層透鏡體，地下水低于隧洞底部。

頂山隧洞洞身所經(jīng)地層，為第三系始—漸新統(tǒng)砂巖、砂礫巖、泥巖（砂質(zhì)泥巖）互層，成巖作用差，弱膠結(jié)，砂巖遇水軟化，泥巖中強膨脹巖，強風化層厚度5m～7m。洞頂厚度大于40m,一般埋深為：40m～50m,最大埋深80m,巖性極弱，圍巖均屬Ⅳ，Ⅴ類圍巖，易風化，遇水極易崩解，成洞條件差。

4.1 隧洞具體開挖方案

根據(jù)地質(zhì)條件和大量的實驗，隧洞采用臺階預(yù)留核心土法，人工風鎬開挖配合機械分部開挖一次支護緊跟。

隧洞開挖采用人工風鎬配合機械分上、下臺階作業(yè)，上臺階開挖為洞挖斷面半圓段即開挖輪廓線,人工運渣至開挖下導洞處挖掘機裝車，自卸車運輸。

圖1 上臺階開挖示意圖

下臺階邊墻段，左右邊墻錯開，二期開挖采用短臂挖掘機開挖，人工輔助，自卸車運輸，配合5T自卸車運輸?shù)街付蠄觥?/p>

圖2 下臺階開挖示意圖

4.2 隧洞施工方案表

表1

4.3 不良地段處理

不良地段拱架采用16工字鋼，榀距1.0m，每榀拱架之間由φ25鋼筋連接，間距0.8m～1.5m。采用小斷面、短進尺、強支護、快襯砌。

對Ⅴ類圍巖、斷層破碎帶等地質(zhì)條件較差的洞段，除上述施工工藝及方法外，還采取如下措施：

⑴地質(zhì)勘探

在開挖過程中，加強地質(zhì)跟蹤及預(yù)測，鉆超前勘探孔摸清圍巖性狀及情況，以便采取恰當?shù)氖┕こ绦蚣按胧_保圍巖穩(wěn)定。

⑵開挖

開挖嚴格按照“短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的原則施工。

⑶一次支護

支護位置提前具備，經(jīng)安全處理，立即施作一次支護，采用錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土等支護手段，形成一柔性封閉環(huán)，確保圍巖穩(wěn)定。

⑷施工監(jiān)測措施

成洞后按設(shè)計要求埋設(shè)各種觀測儀器，并開始觀測，十倍洞徑距離以后，視變形速率情況，可拉開量測時間間隔。通過勤量測，及時反饋信息，指導開挖支護施工，確保成洞穩(wěn)定和施工安全。

⑸混凝土跟進襯砌：通過變形觀測，如發(fā)現(xiàn)局部危巖變形速率陡增，采取一次支護措施后尚不能滿足要求時，進行頂拱襯砌。在監(jiān)測反饋信息圍巖趨于穩(wěn)定后，方可進行混凝土襯砌。

5 結(jié)束語

圍巖越差荷載越大，隧洞跨度越大，荷載越大。盡量不要惡化圍巖的應(yīng)力分布，開挖后立即施做一次支護，防止圍巖進一步松動，所有支護相當柔性的，能適應(yīng)圍巖的變形，在施工過程中密切監(jiān)測圍巖應(yīng)力情況，調(diào)整支護措施，控制變形。通過調(diào)整支護調(diào)動圍巖的自承載能力，達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。

本文重點對洞跨小于10m的軟巖開挖與支護方面實踐經(jīng)驗進行總結(jié),以期提供合理、科學解決洞挖工程中安全支護與開挖方法的實踐依據(jù)，供共同探討。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.011