小斷面高地應力圍巖隧道施工技術

1前言

受高地應力作用圍巖被擠壓變形，其變形量值特別大（小則幾十厘米至一百多厘米） ，洞壁位移后往往侵入模注混凝土襯砌凈空，嚴重者造成隧道封洞，給施工帶來極大安全隱患，本文以中緬管道小斷面高地應力隧道工程為例對高地應力擠壓性圍巖隧道施工技術進行闡述。

1.1工程簡介

中緬油氣管道工程博南山隧道位于云南省大理市永平縣杉陽鎮，隧道水平長度2842.10m，實長2847.79m，縱向坡度采用“人”字坡，坡度分別為9.7%（約5.6°）、0.3%（約0.2°），隧道襯砌斷面3.8m×3.8m。

隧道內安裝3條管道，分別為原油（管徑φ813）、天然氣（管徑φ1016）和成品油。

隧道洞身穿越地層主要為第四系全新統殘坡積層粉質粘土、碎石土；三疊系的灰巖、泥灰巖、礫巖；白堊系的變質砂巖、板巖、硅質巖、斷層破碎帶；隧址區內有滑坡、泥石流、巖溶等不良地質；大部分洞身段為高地應力區。實際施工開挖揭示博南山隧道出口段圍巖極為松散破碎以斷層角礫、斷層碎屑為主，含少量斷層泥，呈碎石角礫狀～散體狀結構，遇水即變形膨脹，且該段洞身埋深較深，地應力較大。

2012年7月15日出口掌子面上臺階里程為K2+008.3，累計掘進496.3m，下臺階里程為K2+011，發現已施工段K2+033-K2+011發生大變形，左側最大累計收斂達60cm，拱頂下沉最大為45cm，鋼架扭曲，混凝土開裂，部分連接螺栓崩斷，鎖腳錨桿脫落，洞身結構尺寸嚴重變形，左側邊墻也出現變形，特別是鋼架連接處出現被剪切受力變形隨后陸續出現全斷面、底板等變形情況，變形數值已嚴重危及工程結構安全和施工安全。

1.2隧道和工藝特點及施工原則

1.2.1高地應力擠壓性圍巖隧道特點

地層的拉扯、擠壓、傾覆、斷裂、地下水的作用往往使地下結構物周邊圍巖處于高應力或應力分布極不均衡的狀態，在各種地質運動中所形成的高地應力擠壓圍巖具有變形量大、速率高、持續時間長的變形特征，易發生扭曲、錯動甚至突發性巖爆、坍塌的特點。

1.2.2工藝特點

高地應力軟弱擠壓性圍巖隧道施工工藝主要強調“即時、快速”的工藝特點，及早控制圍巖變形加劇；對于已變形嚴重地段進行分段錯開處理，拆除一段補支護一段。

1.2.3施工原則

施工中針對高地應力擠壓性圍巖的特征、特點，嚴格遵循“勤觀測、短開挖、強支護、早封閉、襯砌緊跟”的施工原則，以利盡早控制圍巖變形，同時要適當加大預留變形量。

2施工工藝流程

2.1工藝流程 見圖2-1-1

2.2地質預報

為探明前方圍巖地質情況，需對掌子面前方圍巖地質進行探明，儀器設備采用TSP203+超前地質預報儀對隧道掌子面前方圍巖進行100～150m中期地質預報，明確前方圍巖工程地質特性。

同時對每槽炮開挖橫截面上的地質情況以及線路中線及兩邊墻在縱向截面上巖體結構面產狀及發育狀況、巖體的破碎程度，巖石的變質程度等特征進行及時的形象地質描述，直觀形象地揭示已出露的當前地質狀態。

通過對綜合資料的分析，了解軟弱巖層可能的出露位置，分析其可能造成的地質災害，根據觀測、匯集資料、分析結論和相應的管理等級，及時向有關各方發布地質預警信息。

2.3高地應力圍巖支護體系

2.3.1采用型鋼鋼架+鋼筋網+超前小導管+徑向小導管+噴射混凝土的支護體系

（1）型鋼拱架

根據型鋼拱架設計圖并結合現場開挖斷面及運輸能力分節，繪制型鋼拱架裝配圖。型鋼拱架采用冷彎制作。制作好的鋼架節段必須按裝配圖用紅油漆在其上標好節段號。

（2）鋼筋網

鋼筋網在鋼筋加工房制作，制作前應調直鋼筋。鋼筋網原則上制成面積為1.5～5 m2的網片，其長為1.5～2.5m，寬為1.0～2m，網眼尺寸按設計，鋼筋網節點采用綁扎或點焊。鋼筋網的預制質量應滿足設計和規范要求。

根據實際施工情況應隨時準備不小于20張面積1.5 m2以上的網片備用。

（3）超前小導管

超前小導管按設計要求進行制作，小導管尾部安裝注漿閥門并焊箍，頭部成尖錐狀，管上按梅花型布置小孔，一般間隔20cm，孔眼直徑8mm，尾部與型鋼焊接連接。

根據實際施工情況應隨時準備不小于30根以上的超前小導管備用。

（4）徑向小導管

徑向小導管的制備同超前小導管，長度按設計，同時要根據實際情況分別制作一批長度為2m、4m、6m的徑向小導管備用。

（5）噴射砼

采用濕噴工藝，噴射砼集中在洞外用強制式拌合機拌制，配合比應通過試驗確定。每次拌制不超過3m3，用砼運輸罐車或小型運輸車輛運輸，砼料必須隨拌隨用。

2.4支護體系檢查

監控量測在任何隧道施工中都是一個重要環節，在高地應力擠壓性圍巖隧道施工技術中，它是關系到強支護體系的質量安全的必檢項目，是高地應力擠壓性圍巖隧道施工技術中重要的組成部分，它為調整設計參數和調整施工方法都提供重要的基礎資料。通常采用的監測項目有洞內觀察裂紋、滲漏水情況，拱頂下沉，凈空變化，隧底隆起，圍巖內部位移，圍巖壓力，噴射砼或鋼架受力。

通常所測設的斷面相距5～10m，凈空變化測設2條基線，拱頂下沉測設3點。監測頻率根據規范要求實行，必要時進行加強監測。

2.5支護體系變形拆換

由于設計和施工等種種原因，即使采用了強支護體系，且預留了一定的變形空間，由于高地應力擠壓性圍巖的特性，初期支護仍可能受到嚴重的破壞，造成變形侵限，為了保證二次襯砌有足夠的厚度，有時必須對已變形侵限的初期支護進行拆換。

2.5.1拆換原則

拆換前首先對待拆換區域及其影響區域進行加固（加固待拆換區域侵限范圍之外一定距離的圍巖），待加固完成并量測變形趨于基本穩定后，才能對侵限范圍內的初支結構物進行拆換。其原則就是：先加固，后拆換。

一般采用徑向注漿和徑向錨桿等方式對擬加固區域內的圍巖進行加固。

2.5.2安全防護

初期支護拆換施工期間，為減少擾動，掌子面及隧道內其他作業面不得進行爆破作業。拆換原初期支護主要支撐結構時，拆換工作面到掌子面之間不得進行任何施工作業。拆換施工必須設專職安全防護人員、有經驗的現場施工管理人員以及技術負責人常駐現場，即時解決安全防護問題。

2.5.3拆除初期支護

（1）測量

用斷面儀、水準儀間隔0.5m對變形侵限地段進行掃描，必要時還可加密間距。

（2）劃定范圍

將掃描數據與設計尺寸進行對比，確定變形侵限段的位置以及其高度、寬度，用紅漆在初期支護表面進行標識，標識時要考慮必須拆換的鋼筋網、型鋼拱，所以紅漆的標識一般要比對比所得的范圍還要大。

（3）破除砼

采用風鎬破除噴射砼，盡量不用爆破。

（4）割斷鋼筋網

為加快處理，可采用熱割方式割斷鋼筋網。盡量預留足夠長度（不小于150m）的鋼筋接頭。

（5）割斷或拆除鋼架

在割斷型鋼拱架之前，應對施工安全進行全面評估，必要時要對待割斷的型鋼拱架中不拆除部份設置臨時鋼支撐或徑向錨桿加強。型鋼拱架按劃定的區域采用氧割拆除。

2.5.4侵限圍巖的開挖

初期支護拆除后，若圍巖仍侵入限界需處理，盡量采用風鎬鑿除，當必須采用爆破方法方能處理時，應于實施前作爆破試驗，以試驗參數指導施工。

2.5.5恢復初期支護

采用不含細石的配合比的噴射砼覆蓋巖面；鋼筋網與預留鋼筋接頭采用搭接焊或綁扎。鋼筋網盡量緊貼巖（初噴砼）面。連接或架立鋼架，認真測量已經拆除的鋼架長度及形狀，取相應長度及形狀的型鋼拱架，將其焊接到已割除部位（與原鋼架焊接時，要用鋼板兩側綁焊），恢復其支承受力狀態。

3勞動機具組織

本項施工是對因圍巖變形而引起初期支護變形侵入限界的處理，確保拆換施工安全是重點，與正常情況下的施工工序循環在勞動力、機械設備配置等有差異。勞動力配置以加強安全監控、侵限鑿除為主，待將擬拆換區域侵限之外的圍巖和受影響范圍的區域預加固后方可組織本工序施工。

3.1勞動力組織

各工序作業人員配置應能滿足現場施工需要，監控量測要及時跟進，及時為現場提供施工參數，確保拆換一次到位?，F場管理人員要清楚掌握現場情況，并及時解決、協調各工序作業。本工序勞動力配置見表3.1-1

3.2機具設備配置

根據現場實際情況配備齊全相關鑿巖、動力、通風、供電、運輸的機械設備。

4安全質量控制

4.1加強施工安全質量監控

（1）加強監控量測，提高觀測頻率，以便根據變形趨勢調整相應的施工參數和安全防護方案；

（2）嚴格對開挖處理變形、超前支護、環向注漿加固、拱架安裝質量、鋼筋網鋪設質量、噴射混凝土質量進行檢查，合格后方可進入下一施工工序。

（3）設置專職安全人員于施工過程中對拆換施工段及受影響段區域進行巡查，發現支護變形或損壞，即時整修。如果險情危急，應果斷撤離施工人員。

4.2施工控制

（1）嚴格按既定施工方案所確定的區域施工；

（2）盡量采用風鎬鑿除侵限砼和巖面，必須采用爆破作業時，要有爆破設計并作相應爆破試驗，以確定相應爆破參數，實施時，必須嚴格按方案執行；

（3）開挖后要即時初噴砼封閉圍巖和實施替換構件；

（4）構件支撐不得支于活動的石塊和虛碴上，必須在型鋼拱腳下設鋼墊或其他方法塞實、契緊；

（5）暫停施工時，強支護體系必須直抵開挖面；

4.3對變形圍巖換拱的主要控制點

（1）對擬拆換區域及影響區域的預加固質量控制以及擬拆換區域位置選擇；

（2）拆換區域內開挖凈空控制；

（3）構件安裝質量控制；

（4）與既有構件的連接質量控制。

5施工效果檢查

該圍巖段自2012年4月初發現初期支護變形到2013年2月底處理完成后，經不間斷變形量測，其變形基本趨于穩定。

經驗：對于小斷面高地應力擠壓性圍巖隧道施工，加強監控量測，廣泛收集水文、地質資料，基本能夠判定圍巖變形趨勢；于初支增加徑向長錨桿及加強徑向注漿，對控制初期支護變形，效果較顯著。