某隧道軟弱圍巖變形控制及特殊斷面形式無軌運輸組織

鐘友江

(中鐵二局集團有限公司，四川成都610031)

1 工程概況及其主要技術難點

1.1 工程地理位置及地質情況

拉舍梅爾隧道位于摩洛哥里夫山脈西段，隧道起迄里程為PK26+842～PK29+445，全長2 603 m，埋深10～130 m。隧道洞身穿越的地層巖性主要有泥巖、泥巖夾砂巖及砂巖，泥質巖占整個隧道總長的80%左右。隧道地下水總體不發育，但在泥質巖與砂巖交界處及過地表沖溝處較為發育。

1.2 隧道設計概況

隧道斷面設計呈倒立的“雞蛋”形，開挖面積約52 m2，開挖高度8.5 m，拱腳開挖寬度7.6 m，下部墻腳開挖寬度僅4.5 m，如圖1所示。

根據隧道不同巖性及埋深，初期支護參數設計為：間距0.75～1.5 m的HBE180型鋼拱架、φ6@200 mm鋼筋網片，噴C20混凝土20 cm。

隧道二次襯砌：仰拱、邊墻襯砌為C25鋼筋混凝土，拱部為60 cm厚的素混凝土。

1.3 主要施工難點

該隧道施工主要存在以下兩個方面的技術難點：一是該隧道泥巖或泥巖夾砂巖等軟弱圍巖所占比例高達80%，該種巖層整體破碎，節理發育，遇水軟化，容易造成初期支護及圍巖發生較大的變形，如何控制好圍巖變形是一施工難點。二是該隧道斷面特殊，呈倒立的“雞蛋”形，下部開挖斷面小，僅為4.5 m，對洞內開挖支護、二次襯砌各工序平行開展非常不利，如何組織好洞內運輸是另一施工難點。

圖1 隧道設計斷面

2 軟弱圍巖變形控制技術措施

2.1 PK28+566～PK28+520.25段變形情況及原因分析

2007年2月，該隧道已施工的PK28+566～PK28+520.25段，監控量測發現，該段上部斷面開挖支護后，圍巖和初期支護發生了較大的變形，部分鋼拱架扭曲，噴射混凝土出現開裂甚至掉塊現象。PK28+560.75斷面周邊收斂監控量測結果如圖2所示，拱頂下沉監控量測結果如圖3所示。

圖2 PK28+560.75斷面凈空收斂各測線變形

注：單位mm；D1、D2為上半斷面左、右拱腳與拱頂測線；D3為上半斷面拱腳間測線；D4、D5為下半斷面左、右拱腳與拱頂測線；D6為下半斷面墻腰間測線。

圖3 PK28+560.75斷面拱頂下沉變形

從監控量測反饋的信息來看，該段變形主要有以下兩個特點：一是在開挖支護后的2～4 d內，周邊收斂和拱頂下沉最為劇烈，而整個初期支護封閉成環后，其變形基本穩定，一般在20～30 mm；二是上部拱腳之間的收斂最為明顯，收斂值最大，其次是拱頂下沉，而墻腰處的收斂相對較小。

結合該段實際地質及施工情況，分析認為導致該段開挖后周邊收斂和拱頂下沉較大的原因有以下幾點：一是該段地層巖性為泥巖，地表有一沖溝，地表水通過節理、裂隙滲入長期作用，使得該段巖層軟化，巖石強度及質量相對較低；二是該段采用爆破開挖，由于爆破震動對圍巖的擾動和破壞，降低了圍巖的自穩能力；三是由于初期支護設計未考慮系統錨桿，僅為鋼架和網噴混凝土，使得初期支護未與圍巖形成整體；四是上下臺階長度相對較長，從而導致初期支護全環封閉時間較長。

2.2 控制變形采取的技術措施

2.2.1 采用機械開挖，降低開挖對圍巖的擾動

由于爆破開挖方式對圍巖自穩能力的影響較大，這是軟弱圍巖開挖后發生較大變形的根本內在原因，為此，后續施工中，及時調整了開挖方式，由原先的爆破開挖調整為采用銑挖機實施機械開挖，將開挖對圍巖自穩能力的損害降到最低。

2.2.2 采用微臺階預留核心土法開挖，使初期支護盡早封閉成環

監控量測數據反饋的信息表明，初期支護成環時間的長短直接影響最終的收斂值，成環時間越長，變形越大。在后續實際施工中，將上下臺階之間的臺階長度由原來的8 m縮短為5 m，初期支護成環時間由過去的4 d縮短為2～3 d，在一定程度上減小了周邊收斂及拱頂下沉量。

2.2.3 增設擴大拱腳及鎖腳錨桿

針對該段圍巖軟弱、承載力較低，將該段施工鋼架結構形式進行了變更，增設了擴大拱腳，在鋼拱架拱腳處增焊耳片，并將擴大后拱腳連通，用噴射混凝土填充，形成連續基礎。通過擴挖拱腳分散拱腳處應力，有效控制鋼拱架下沉，同時，在鋼拱架拱腳兩側各施工4根φ25砂漿錨桿，錨桿長4 m，以便約束鋼拱架拱腳位移，如圖4所示。

圖4 擴大拱腳及鎖腳錨桿示意

通過采取上述幾種技術措施，后續施工中，有效地解決了圍巖開挖后變形較大的問題，周邊收斂和拱頂下沉變形值基本控制在50 mm以內。

3 特殊斷面形式下的無軌運輸組織

3.1 隧道裝運碴組織

3.1.1 裝碴方案比選

該隧道斷面特殊，開挖支護后，墻腳間凈距僅有4.5 m，此種斷面寬度下，無法采用側卸裝載機及自卸汽車直接在開挖面進行裝運出碴作業。在施工策劃時，主要考慮了兩種方案：一種是直接采用挖掘機裝碴方案，另一種是利用洞碴回填一定高度，使其滿足所需寬度后，再采用側斜裝載機裝碴方案。

3.1.1.1 挖掘機裝碴方案

該方案組織方式為：上下導坑爆破后，先由裝載機進入工作面，將爆破隧碴清理收攏至開挖面后，裝載機退至錯車處。然后挖掘機倒行至碴頂，一臺自卸汽車退行至作業面進行裝碴作業，其余自卸汽車在洞外等候，待洞內自卸汽車裝滿開出隧道后，另一臺自卸汽車才能進入繼續裝碴作業。

這種方案存在突出缺點，一是裝碴不能連續作業，且自卸汽車全部要倒行至作業面，若隧道掘進較長時，出碴工序循環時間將會相當長，影響施工進度。二是不能組織開挖、二襯、仰拱等多工序同時作業，嚴重制約隧道總體施工進度。

3.1.1.2 側卸裝載機裝碴方案

該方案實施的先決條件是必須采用爆破隧碴將隧底回填至一定高度，確保在此高度下，洞內行車寬度有6.0～6.5 m，這樣既能滿足側卸裝載機與自卸汽車裝碴作業，自卸汽車又可在洞內未作仰拱混凝土加高地段進行會讓，其運輸組織與一般隧道無軌運輸相同。

通過比較，實際施工中，最終選取了側卸裝載機裝碴方案。

3.1.2 裝運碴設備配置

在確定采用裝載機裝碴方案后，結合隧道斷面大小、襯砌臺車凈空以及開挖方法等情況，該隧道裝運碴設備配置情況如下，見表1。

表1 隧道裝運碴設備配置表

3.1.3 裝運碴組織方式

為避免自卸汽車長距離倒車行駛，實施過程中，在洞內每500 m設置一處擴大段，供運輸車輛在洞內掉頭。根據該隧道所選用施工機械外形尺寸，擴大段長度為12 m，在原來斷面寬度基礎上加寬度2.48 m，擴大段均設置在隧道的同一側，以便隧道各種管線的布置管線，如圖5所示。

圖5 擴大段設計示意

隧道裝運碴作業運輸組織方式為：上下臺階同時爆破，人工找頂清除危巖并初噴混凝土后，利用挖掘機將上臺巖碴翻至下臺階，并將有關鋼架、錨桿、鋼筋網片等材料和機具運送至上臺階，為上臺階及早進行初期支護作業創造工作面和條件。完成上述工作后撤出挖掘機，裝載機及自卸汽車裝運設備進至作業面開始裝運碴作業。

將自卸汽車分為兩組，第一組為3輛，其余為第二組，第二組自卸車數量根據掘進長度適當增加至3輛。開始時，第一組3輛自卸汽車依次行駛到擴大段掉頭后退至裝碴作業面進行裝碴，第二組自卸汽車在洞外或擴大段等待，待第一組自卸汽車裝滿出洞后，第二組再依次進入裝碴作業面，進行裝碴。第一組自卸汽車返回后，根據情況在洞外或洞內擴大段等待。

3.2 二次襯砌作業運輸組織

3.2.1 二次襯砌臺車的加固設計

與正常情況的襯砌臺車不同，受作業空間限制，在臺車就位后，若對襯砌臺車大梁采用常規方法進行加固鎖定，將侵占二襯臺車凈空，導致運輸車輛無法穿行襯砌臺車。為此專門增設了一組臺車鋼腳撐，與臺車兩側模板下緣鉸接，鋼腳撐設計成軌枕形狀，每1.5 m一道，腳撐上布置臺車走形鋼軌，并與腳撐栓接成整體，在腳撐之間填平碎石，便于設備通行，成功地解決了灌注二襯混凝土時，由于混凝土測壓力作用，導致臺車下部向內收斂變形的問題，如圖6所示。

圖6 隧道襯砌臺車及腳撐

3.2.2 二次襯砌作業運輸組織

因隧道斷面限制，若在已二次襯砌位置布置輸送泵、混凝土罐車進行拱墻襯砌作業，整個隧道運輸通道將完全被阻斷，因此，施工中,將隧道二次襯砌作業的輸送泵、混凝土罐車布置在隧道回填加寬段，出碴作業區段的后面，如圖7所示。

襯砌時，混凝土罐車直接行駛至輸送泵前面，調整好位置，泵送完成后，混凝土罐車退至擴大段掉頭后開出洞外，另一輛混凝土罐車再開進洞內，循環往復，直至本次襯砌灌注完畢。在灌注過程中，輸送泵、罐車集中布置于隧道的一側，基本不影響自卸汽車的裝碴作業，因此可以同時組織隧道出碴工序作業，從而避免了工序間的相互干擾。

圖7 二次襯砌與出碴同時作業運輸組織示意

4 結束語

拉舍梅爾隧道進口于2006年3月1日進洞，出口于2006年3月26日進洞，2007年7月5日隧道貫通，2007年8月27日全部完工，單口月平均掘進81 m，比照業主合同工期，提前2個月完工。通過對該隧道的施工，有如下體會：

(1)對于軟弱圍巖的變形控制，首要的是盡可能減少開挖過程中對圍巖自穩能力的破壞，因此在選擇方式時，要優先選擇機械開挖方式；其次要盡可能縮短初期支護全斷面封閉成環的時間，目前在所有開挖方法中，全斷面或近似全面的微臺階開挖最為合適；此外，軟弱圍巖的初期支護強度必須設計足夠，施工時要嚴格控制開挖循環進尺，否則容易造成隧道坍塌。

(2)特殊斷面形式隧道，采用何種運輸方式，對于施工成本、施工組織以及施工進度都有很大的影響，需要在施工籌劃階段，結合工程特點、工期要求等因素認真去分析和研究。

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