甘肅地區遇水軟弱大沉降圍巖隧道施工方法探討

王旭 易繼雙

摘 要：文章以臥龍溝1號隧道施工為例，針對遇水軟弱、大沉降圍巖隧道的地質特點，對開挖、超前支護、初期支護等工序作詳細介紹，并總結了該類圍巖特征隧道部分工序的施工要點，從而為隧道當前及后期施提供工作指導，保證工程的整體質量。

關鍵詞：隧道施工 支護變形 軟弱圍巖

1.工程概況

1.1隧道概況

臨夏雙城至達里加（甘侵界）公路工程的臥龍溝1號隧道位于麻泥寺溝鄉與臥龍溝村交界附近，按山嶺區高速公路分離式斷面設計，設計凈寬10.25m，凈高5m，裸孔設計的最大開挖寬度為12.86m，最大開挖高度為10.25m。隧道左線長1126m，最大埋深190.9m，右線長1055m，最大埋深16 2 .7 m，隧道區高程2728.28～2925.04m。

1.2出現的不良地質現象

初期支護變形：隧道地貌單元屬于基巖中高山區，構造單元屬于祁呂賀蘭山型構造系統的西部褶皺帶。地質構造沉降運動較強，目前施工段落圍巖多為強、中風化閃長巖，易風化泥巖、砂質板巖和紅斑巖，圍巖整體性很差，主要是鑲嵌碎裂狀和碎裂狀結構。由于初支系統的侵限，已施工段落有近55m的換拱施工。

局部圍巖失穩、坍塌：雖然隧道區域沒有明顯的地表水，但地下水（主要是松散巖型潛孔和基巖裂隙水）儲量豐富，滲透性強。而圍巖普遍節理、裂隙發育，局部錯段和滑層明顯，整體自穩能力差，掌子面有頻繁淋水及滲水，局部還有較大涌水，加之不可避免的施工擾動，已施工段落有多處不同程度的圍巖失穩、滑塌現象。

2.大沉降圍巖不同階段的變形情況

隧道在穿越軟弱大沉降圍巖地層時，開挖面前方土體由于瞬間的塑性變形，會產生一定的拱頂沉降及收斂，并會向掌子面后方未能封閉成環的初支系統傳導，并延伸一段距離，使初支系統產生“被動位移”（見圖1）。為了解和掌握此類位移變化規律，以數據指導施工，臥龍溝1號隧道針對此類圍巖在左右線分別選取了50m，對開挖前后不同部位、不同時間段的初支系統進行沉降及收斂觀測。經過收集整理數據分析可知：掌子面開挖后，后方25m左右范圍內未封閉成環的初支系統均有不同程度的沉降及收斂，其中15m以內開挖對其影響較大，且一般情況下同時期的水平位移大于拱頂下沉，最大位移出現在拱鉸上方，垂直方向的移動在拱頂和拱底較明顯。其中，上臺階初支完成，中、下臺階開挖時，初期系統的瞬間變形位移最大約占總位移的1/4～1/3。當中下臺階開挖支護完成后，拱部應力已基本釋放，上半斷面圍巖的水平方向的位移明顯減緩減弱趨勢，此時主要變形來自圍巖及初期支護的整體沉降。考慮到出滲水的影響、局部爆破影響、圍巖變化、圍巖暴露時間長短、偏壓及埋深影響、施工擾動等不確定因素，總體而言，此類變形規律及機理較為復雜，需長周期地結合實際施工情況去進一步考證。

3.隧道遇水軟弱大沉降圍巖段施工方法及控制要點

3.1洞身開挖

施工方法：臥龍溝1號隧道掘進以機械開挖為主，局部淺孔弱爆破為輔，并根據掌子面實時的圍巖變化情況及時調整開挖工藝。經過施工過程中長期的摸索和實驗，在確保施工安全及進度的同時，又使隧道初支的變形情況得到較好的控制，目前隧道暗洞圍巖為中、強風化閃長巖，紅斑巖，砂質板巖等，圍巖完整性差，節理裂隙發育，自穩能力差，碎裂結構和鑲嵌碎裂結構，有輕微滴水及淋水現象的圍巖段落采用環形開挖預留核心土法施工；圍巖為中、強風化閃長巖夾雜粉質粘土，砂礫巖，砂質泥巖，圍巖完整性差，節理裂隙發育，自穩能力差，碎裂結構和鑲嵌碎裂結構，局部有較大出滲水段落采用三臺階七步法施工。具體開挖工藝工法可根據掌子面圍巖情況適時合理調整。開挖作業時，需著重考慮減小當前圍巖的臨空高度、縮短圍巖暴露時間、避免不必要的施工擾動、引排水、放大預留變形量等方面。

施工要點：（1）開挖方式宜采用機械開挖，每循環進尺控制在0.5～1.0m，留核心土時，核心土面積應≥開挖斷面橫截面積的50%，核心土寬度為掌面當前開挖寬度的1/3，高度應方便于作業，宜為2.5～3.0m，開挖矢跨比應>0.3，開挖完成后，及時封閉掌子面圍巖，減少圍巖暴露時間。（2）富水段落開挖時，應在圍巖內提前打設超前探水空，疏導和部分釋放掌子面前方巖體內水流。（3）開挖預留變形量應合理放大并適時調整。目前臥龍溝1號隧道施工采用環形開挖留核心土法施工時，上臺階開挖預留沉降量為25～30cm，中臺階為10～12cm時；采用上臺階七步法施工時，上臺階開挖預留沉降量為30～35cm；當中間臺階為12～15cm時，在初支變形穩定后施工二次襯砌時，凈空仍有5～8cm的變形緩沖量。

3.2超前支護

施工方法：臥龍溝1號隧道Ⅴ級圍巖段落超前支護采用φ42mm×4mm小導管，小導管注漿采用水泥凈漿。在超前支護施工時，需著重考慮加強自身的支撐剛度、封堵掌子面前方水體、提高前方巖體自穩定能力、減少對巖體的二次擾動等方面。

施工要點：（1）小導管施工質量及注漿質量須符合設計要求，必要時自行加強。（2）富水段落可采用小部分超前管棚和大部分小導管交錯配合使用，注漿采用多次分段、分區間斷注漿，起到支護和注漿止水的雙重作用。（3）局部不適宜注漿的區域可在導管內用水泥藥卷和螺紋鋼填充飽滿替代注漿效果。（4）圍巖極其不穩定段落可采用先鋼拱架和噴射砼，再超前支護的施工工序。（5）注漿時根據施工實際情況適當摻入水玻璃加快凝結時間，一般情況摻入量為漿液體積的5～10%，實際摻量根據當前掌子面圍巖情況適時調整。

3.3鋼拱架

施工方法：臥龍溝1號隧道Ⅴ級圍巖型鋼拱架采用I20a工字鋼，每榀結構單元為9個，工字鋼端頭焊接在14 mm厚的鋼板上，焊縫高度 h=5mm（腹板）， h=9mm（翼緣），連接采用 M20高強螺栓連接，鋼架之間采用Φ22mm縱向鋼筋連接，環向間距100cm，與鋼架焊接成整體。鋼拱架系統安裝時，需著重考慮加強整體受力能力、強化節點受力性能、受力均勻、減少薄弱受力部位數量、優化受力半徑等方面。

施工要點：（1）鋼拱架安裝前應根據設計斷面尺寸及預留沉降量，對開挖凈空尺寸進行檢查，并在掌子面開挖初噴完成后立即進行。（2）鋼架水平位置及垂直度應一致，縱向連接鋼筋應焊接飽滿、密實，間距嚴格按照設計要求施做，以便整體受力均勻，同時應根據實際圍巖情況合理加密，在高地應力及富水地帶拱架單元節點附近兩處連接筋應加強為小型號型鋼。（3）根據適時的圍巖變形情況，及時優化每榀拱架的受力半徑（寧大勿小），并根據冷彎機性能合理優化結構單元數量，減少拱架受力薄弱部位。

3.4鎖腳錨管

鋼拱架采用φ42mm×4mm注漿鎖腳錨管固定，分別設置在鋼拱腹部和拱腳兩處。每處兩根與 U型鋼筋采用角焊縫形式堆焊連接，用φ22mm的鋼筋包裹且緊貼型鋼拱架翼緣焊接固定為一體。鎖腳系統施工時，著重須考慮的是提高鎖腳自身的剛度、優化受力角度、合理選擇不同類型圍巖的鎖腳長度和類型等方面。

施工要點：（1）結合實際施工需求，拱架腹部處鎖腳錨管受力角度宜為30～40°，拱腳處宜為10～15°。（2）采用不同的開挖工法時，應根據實際施工情況科學合理的增加鎖腳的數量及類型。（3）當局部不適宜注漿的區域（富水）可在導管內用水泥藥卷和螺紋鋼填充飽滿替代注漿效果，且鎖腳系統長度宜適當增長。（4）圍巖極其不穩定段落拱架腹部處可采用大鎖腳系統（直徑70mm，長度>設計長度1.5倍）。

4.結束語

綜上所述，在隧道施工中，出滲水、軟弱大沉降圍巖等現象十分常見，需結合工程實際情況，基于圍巖特性進行分析，編制科學可行的施工方案，合理選擇不同的施工工藝工法，并把握分析好每一個關鍵的環節，做好工序過程控制等，這是確保軟隧道弱大沉降圍巖段施工安全、質量、進度不可或缺的因素。

參考文獻：

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