淺談軟巖大變形隧道施工技術

何艷維

（中鐵五局集團第一工程有限公司 湖南長沙 410117）

淺談軟巖大變形隧道施工技術

何艷維

（中鐵五局集團第一工程有限公司 湖南長沙 410117）

隧道作為地下建筑物，其施工受地質條件影響很大，因此針對不同的地質條件采取合適的施工方法在隧道施工中顯得尤為重要。本文通過施工實例，介紹軟弱圍巖大變形隧道的開挖、監(jiān)控量測等施工技術。

軟巖；大變形；隧道；三臺階法；監(jiān)控量測

隧道施工中，針對不同的地質條件采用合適的施工方法是施工順利進行的關鍵。軟弱圍巖大變形隧道由于其特殊的地質條件，施工難度較大，施工風險高。筆者根據(jù)自身參與施工的十天高速公路安康段明埡子隧道的施工實踐，就其施工方法及監(jiān)控量測技術作簡要介紹。

1 工程概況

十（堰）～天（水）高速公路安康段明埡子隧道位于陜西省安康市石泉縣境內(nèi)，為左右線分離雙車道隧道，左線長4944m，右線長4980m，洞室間距約40m，最大埋深320m，隧道凈寬10.25m、凈高5m。隧址區(qū)位于秦巴低山區(qū)，斷裂構造和褶皺構造都極為發(fā)育，致使不同地層巖石受強烈變形改造，工程地質條件十分復雜，圍巖主要為泥化炭質板巖及變砂巖夾灰?guī)r。

2 施工方法

明埡子隧道前期采用兩臺階法施工，隧道掘進100m后，進入軟巖段，變形開始急劇發(fā)展，出現(xiàn)噴射混凝土開裂剝落，鋼架扭曲變形、斷裂等現(xiàn)象，單日最大水平收斂達131.93mm。初期支護受變形影響，全環(huán)侵入隧道凈空，最大侵限厚度達175cm。變形發(fā)生后，為抑制變形，我單位及時調(diào)整施工方法，采用三臺階法施工。最終達到了控制變形的目的，順利完成了隧道施工。

2.1 原施工方法

隧道前期采用兩臺階法施工，臺階長度約40m，上斷面采用簡易臺架鉆爆開挖，下斷面兩側錯開開挖，仰拱及填充距掌子面約60m，二襯距掌子面約100m。由于臺階長，支護封閉時間長，不利于控制變形。

2.2 調(diào)整后施工方法

為抑制變形、縮短支護落底時間、使支護盡早封閉成環(huán)，我單位對施工方法進行了調(diào)整，采用三臺階法施工，施工縱向示意如圖1。

圖1 明埡子隧道三臺階施工縱向示意圖

采用三臺階施工時，三臺階同步開挖，上臺階預留核心土，中、下臺階兩側錯開2m開挖，仰拱及填充采用仰拱棧橋分段施工，距掌子面約40m，二襯距掌子面約70m。

2.2.1 開挖支護方法

采用鉆爆法開挖，YT28型風動鑿巖機鉆眼，光面爆破，挖掘機扒碴，裝載機裝碴，自卸汽車運碴。機械設備配置見表1。

表1 明埡子隧道三臺階開挖機械設備配置表

2.2.2 循環(huán)時間及進尺

根據(jù)圍巖情況和支護參數(shù)，確定循環(huán)進尺和各工序作業(yè)時間如下：

（1）Ⅴ～Ⅵ級圍巖

圍巖軟弱破碎，穩(wěn)定性差，型鋼間距50cm，仰拱初支封閉成環(huán)，循環(huán)進尺1m，各工序作業(yè)時間安排見表2。

表2 Ⅴ～Ⅵ級圍巖工序循環(huán)時間安排表

表2中除加粗工序外，其余工序均與加粗工序平行作業(yè)，不占用循環(huán)時間，每循環(huán)總時間14.5h。

（2）Ⅳ～Ⅴ級圍巖

圍巖較破碎，穩(wěn)定性較差，型鋼間距75～100cm，仰拱不施作初期支護，循環(huán)進尺1.5～2m，各工序作業(yè)時間安排見表3。

表中除加粗工序外，其余工序均與加粗工序平行作業(yè)，不占用循環(huán)時間，每循環(huán)總時間11.5h。

2.2.3 支護作業(yè)

明埡子隧道主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，采用超前小導管，工字鋼支撐、掛網(wǎng)錨噴初期支護。

表3 Ⅳ～Ⅴ級圍巖工序循環(huán)時間安排表

（1）超前支護

超前支護小導管采用鑿巖機鉆眼送管，注漿機壓注水泥漿。

原設計小導管單根長度4.5m，搭接長度＞1m，外插角20°。由于隧道圍巖軟弱、破碎，小導管因外插角的關系，在下一環(huán)小導管施工時，前一環(huán)小導管與開挖輪廓線的距離達1.1m以上。此時小導管的預支護作用大大降低，甚至出現(xiàn)小導管與開挖輪廓線間的圍巖全部坍落掉塊。為更好地發(fā)揮小導管的預支護作用，通過優(yōu)化設計將小導管單根長度調(diào)整為3～3.5m，每循環(huán)均施工。實踐證明，調(diào)整后的小導管預支護作用明顯提高，有效避免了圍巖坍落掉塊。

（2）初期支護

開挖后立即進行鋼支撐、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等初期支護施工。

3 監(jiān)控量測方法

在隧道前期施工過程中，一直采用的收斂儀、水準儀等進行周邊位移和拱頂下沉量測。但總結分析圍巖變形后發(fā)現(xiàn)，由于上述方法工作難度大，與施工相互干擾，且量測數(shù)據(jù)為兩點間的相對變形，難以反映某點的變形情況，不能為分析隧道的不均勻變形提供依據(jù)。針對明埡子隧道大變形的特點，為快速準確獲得圍巖變形數(shù)據(jù)，用以指導施工和調(diào)整支護參數(shù)，后期施工中，采取了全站儀無尺監(jiān)測的量測方法。

3.1 全站儀無尺監(jiān)測原理

全站儀無尺監(jiān)控量測技術，其基本原理是利用全站儀測量各觀測點位不同時段的三維坐標，再經(jīng)過對比計算，得出各點的位移量或測點相對收斂值，準確、快速地為施工提供參考數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3.2 監(jiān)測方法

全站儀無尺監(jiān)測可根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用自由設站和固定設站兩種觀測方法。

3.2.1 自由設站觀測

自由設站觀測是置鏡任意點，通過全站儀機載的自由測站程序，后視2～5個（后視點點數(shù)上限隨儀器不同規(guī)定有所差異）已知后視點，儀器程序會根據(jù)后視點觀測值自動推求出置鏡點的三維坐標及定向值，并將其設置至儀器中，然后再前視安設在隧道周邊監(jiān)控點上的反射片，測得各測點的三維坐標。再經(jīng)過坐標轉換或相對于隧道中線的坐標反算，可得出各測點的位移情況。這種方法的優(yōu)點是可任意放置儀器，不影響隧道施工，儀器操作比較方便，但測站點的定位精度不易保證，從而影響最終觀測點的精度，且多個后視基準點在隧道這種狹長的空間比較難以確定。

圖2 全站儀無尺監(jiān)測示意圖

3.2.2 固定設站觀測

固定設站觀測方法是置鏡已知固定點，后視另一已知點，人工輸入置鏡點的三維坐標、儀器高、棱鏡高、后視方位角等參數(shù)至儀器中，然后再前視安設在隧道周邊監(jiān)控量測點上的反射片，從而測得各測點的三維坐標。觀測數(shù)據(jù)處理計算與自由設站方法相同。這種方法的優(yōu)點是后視基準點只需一點，定向比較方便準確。但每次測量要求進行對中并測量儀器高，其精度直接影響觀測精度。明埡子隧道施工中采用的該種觀測方法。

3.2.3 測量數(shù)據(jù)處理

每次測量后，及時整理量測數(shù)據(jù)，通過相互兩點的坐標，反算出兩點間的距離，兩次測量距離的差值即為兩點間的相對位移。同時可通過坐標轉換，得出各點在隧道縱、橫向及鉛垂方向的三維位移，從而進一步了解隧道周邊的不均勻位移情況。

計算出各位移值后，繪制位移—時間關系曲線，并進行數(shù)據(jù)處理和回歸分析。

以位移-時間曲線為基礎，根據(jù)位移值、位移速率等分析、評定圍巖和支護的穩(wěn)定性。判別初期支護的工作狀態(tài)，支護特點并對初期支護進行安全評估。

通過綜合分析、評價及時修正設計、調(diào)整支護參數(shù)，對施工及時提供建議和措施。

所有的數(shù)據(jù)處理可編成計算機程序，或使用與全站儀配套的相關處理軟件進行處理，以提高處理效率和計算準確性。

3.3 儀器設備配置

全站儀無尺監(jiān)控量測儀器設備主要有：全站儀1臺、棱鏡及支架1套、反射片若干。

全站儀可根據(jù)圍巖變形大小和測量精度要求選用，圍巖變形較大，精度要求不是很高時，可選用測角精度2″，測距精度為2mm+2ppm級別的全站儀，當圍巖變形較小，精度要求高時，可選用測角精度1″，測距精度為1mm+1ppm級別的全站儀。

棱鏡和支架采用隨機配送的棱鏡或其它能滿足全站儀精度要求的棱鏡即可。

反射片是一種具有回復反射性能的反射膜片，反射膜片由丙烯酸脂制成，大小可根據(jù)測距長度和觀測條件等因素選擇。現(xiàn)場使用時，在各測點處將鋼筋錨入圍巖內(nèi)固定牢固，在鋼筋外露部分焊接6cm×6cm的鐵片，然后在鐵片上貼反射片。

4 結束語

軟巖大變形隧道施工進度及安全風險高，選用合適的施工方法可有效降低風險，確保施工順利進行。明埡子隧道施工中，采用三臺階法施工，有效縮短了支護封閉成環(huán)的時間，起到了“早封閉”的作用，很好地控制了圍巖的變形發(fā)展。同時通過無尺監(jiān)測技術快速準確地獲取圍巖變形數(shù)據(jù)，并據(jù)此指導施工，及時調(diào)整支護參數(shù)，達到了采取與圍巖情況相匹配的支護結構控制變形的目的，確保了施工安全。施工過程中Ⅴ、Ⅵ級圍巖平均月進尺＞75m，Ⅴ級圍巖最高月進尺達125m，以上技術的應用取得了良好的施工效果。

[1]何磊，楊斌，王更峰，陳仕猛.高地應力軟巖隧道施工動態(tài)控制與優(yōu)化研究.現(xiàn)代隧道技術，2011，2.

[2]黃偉釗.大斷面軟弱圍巖隧道三臺階法施工.筑路機械與施工機械化，2008，5.

[3]高軍，趙運臣.隧道變形監(jiān)測新技術的應用研究.西部探礦工程，2001，3.

U455.49

A

1673-0038（2015）52-0280-03

收稿日期：2015-11-17

何艷維（1980-），男，工程師，本科，主要從事公路工程施工工作。