淺談卵礫石層隧道施工技術

文∕金星輝

1 前言

目前卵礫石土層隧道的工程實例在國內外都不是太多，相關的設計施工經驗與技術也尚不成熟，施工中經常會遇到復雜的問題。由于卵礫石土層地質條件惡劣，開挖時發生大變形的情況非常多，特別是開挖過程中遇到大范圍突涌水以及穿越斷層破碎帶的情況，嚴重時會發生大規模塌方，帶來巨大的經濟損失和工期延誤[1]。因此，要選擇合適的施工技術開挖隧道，這關系到隧道施工的安全、質量、經濟效益等諸多問題。我國西部地區山高且河流密集，有數量眾多的公路隧道修建在卵礫石土層中，但目前國內外針對卵礫石層隧道施工技術的研究還不多見，因此在工程實踐中遇到了很多難題，這不僅使施工過程中面臨著經濟損失的風險，還會導致嚴重的安全事故。

2 人為施工對卵礫石層隧道圍巖穩定性的影響

隧道圍巖穩定性的影響因素比較復雜，經過長期理論研究和對施工實踐的認知，從性質上大概分為兩大類。第一種為自然因素，包括巖體的力學性質、地質環境、地下水、地應力等因素，這是在長期的地質運動中所形成的；第二種為人為施工因素，如隧道的大小和形狀、支護技術、施工工法等，這是人們在隧道修建之前就可以設計以及在隧道修建時就可以控制的影響因素[2]。

在隧道所穿越地層條件無法改變的情況下，所設計隧道的形狀、大小以及在施工中采用的技術是決定隧道開挖后能否穩定的主要因素。一般情況下施工單位必須提前做好地質勘探，根據實際情況設計隧道。隧道的尺寸越大，其開挖斷面面積和跨度就會增大，對圍巖的擾動也隨之增大，并且將擴大圍巖的塑性區，從而影響到圍巖的整體穩定性[3]。采用不同的施工工法在開挖時圍巖的變形也是不同的，對于地質條件穩定圍巖強度很高的Ⅲ級以上圍巖我們可以采取一次開挖全斷面的方法；而此施工工法對于軟弱圍巖則不適用，地質條件穩定性差的圍巖采取一次開挖全斷面的方法，在支護措施未能完成時圍巖已經成型自穩，這必然會產生大變形。超前支護措施是保證隧道開挖時圍巖穩定的必要措施，對于大斷面卵礫石層隧道圍巖來說，圍巖缺乏足夠的自承能力，一旦進行開挖，常常會導致圍巖發生變形。掌子面開挖之前提前通過預注漿的方法提高圍巖的強度，形成圍巖加固圈，能夠防止隧道開挖時坍塌。

3 卵礫石層隧道施工技術及其應用

3.1 工程概況

小山坪隧道是一座典型的四車道高速公路雙洞中隧道，左右線間距為16.1m，隧道最大開挖跨度12.7m，最大開挖高度 10.3m，開挖斷面面積108.37m2，屬于大斷面隧道。小山坪隧道上覆地形屬于低山丘陵地貌，沿隧道開挖方向，地勢起伏很大，最淺處埋深為15m，最厚處埋深達到80m。隧道中部有巖頭溝泥石流遺跡穿切而過，且隧道進出口山坡坡度較陡，坡度范圍分布在60°～80°之間。

3.2 超前預支護施工技術

超前錨桿注漿、超前小導管注漿、超前深孔帷幕注漿、旋噴預支護等是卵礫石層隧道超前預支護過程中常用的技術[4]。結合小山坪隧道實際地質情況，在該卵礫石隧道中主要采用超前小導管、中空注漿錨桿等方法，并利用超前小導管和中空注漿錨桿向掌子面拱部的圍巖進行注漿操作，增強其強度和穩定性。超前預支護是隧道工程施工安全的重要條件，通過超前預支護技術可以使隧道巖層在外力作用下保持穩定，為實施后續的施工工序奠定基礎。

超前支護施作完成后，超前支護結構和圍巖之間達到平衡狀態。隨著隧道的開挖，應力發生重分布，但其應力釋放是一個較為緩慢的過程，此時為一次支護施作時間。一次支護施作后，將超前小導管和中空注漿錨桿的前端打入在掌子面前方的圍巖中，后端固定在一次支護結構的鋼拱架上，通過超前小導管和中空注漿錨桿能夠把注漿加固區受到的來自圍巖上部的應力向鋼拱架和尚未開挖的圍巖傳遞，并利用超前小導管、中空注漿錨桿以及鋼拱架形成拱效應，從而進一步減少加固區域所承受的圍巖壓力。

3.3 卵礫石層隧道常用施工工法

綜合分析國內外在卵礫石層中修建的隧道，總結出目前穿越卵礫石層隧道所常用的施工工法有三臺階法、分步開挖法等。

3.3.1 三臺階法

三臺階法指的是將開挖的斷面從上到下分為三個臺階，三個臺階同時施工并行推進的施工方法。這種施工工法主要應用于地下水較少、下半部圍巖強度較大的隧道工程中，也可以應用于水量較低的圍巖破碎帶[5]。

3.3.2 分步開挖法

3.3.2.1 三臺階七步開挖法。這種施工工法主要應用于易發生坍塌的強度較低的圍巖或者地質條件一般的隧道工程中。三臺階七步法將作業面自上而下分為三個區域。通過三臺階七步開挖法進行作業，使核心土能夠有效提高開挖面的穩定性，但由于圍巖在作業過程中所受到的干擾比較多，而且斷面分為多塊，對支護結構進行封閉作業所需的時間也就更多，因此在工程實踐中需要利用一些輔助措施對施工部位及其前方的巖層進行預支護。

3.3.2.2 單側壁導坑法（CD 法）。單側壁導坑和上下臺階將斷面劃分為3 個部分，施工時先開挖側壁導坑，隨后再開挖上下臺階。開挖斷面面積大的軟弱松散圍巖隧道適用于單側壁導坑法。

3.3.2.3 雙側壁導坑法（DCD 法）。通過雙側壁導坑和上下臺階將作業面分成4 個區域，作業時先對側壁導坑進行開挖，然后進行支護操作，最后對上下臺階進行開挖，在操作此方法時應及時完成側壁導坑的閉合。這種施工工法的優缺點非常明顯，其優點是施工不會造成圍巖的較大變形，缺點是成本較高且施工速度很慢。

3.3.2.4 十字中隔墻法（CRD 法）。十字中隔墻法將隧道斷面劃分為4 個部分，上半斷面2 個，下半斷面2 個，施工時先開挖左部上單元，支護結構封閉后再開挖左部下半部分，同理完成右半斷面的開挖。大跨度斷面和地表沉降要求很小且受力不均的隧道適用于十字中隔墻法。

3.4 小山坪隧道施工工法開挖步驟

小山坪隧道卵礫石層的復雜地質條件，最終確定隧道采用二次模筑工法設計的V 級卵礫石底層施工開挖，通過三臺階七步開挖法，開挖循環進尺保持1m。首先將作業面分為自上而下分成三個臺階和七個開挖面，三個臺階保留核心土，七個開挖面之間保持相應的間距分別作業，開挖后分別支護，并形成整體的支護結構，在各開挖面平行推進的前提下縮短作業循環時間。

第一步，在掌子面的拱部完成超前預支護后對弧形導坑進行開挖，開挖過程中注意上臺階核心土的保留，小山坪隧道預留的核心土長度和寬度分別為3m和3.6m。開挖循環進尺保持1m，在初噴凝土后達到5cm 后利用噴、錨、網進行支護作業，然后對鋼拱架進行架設，并將其和事前打入圍巖的鎖腳錨桿通過焊接的方式進行連接，最后噴射混凝土直到其滿足設計要求。

第二、三步，完成上部弧形導坑開挖作業后對左、右側導坑和中間臺階進行開挖，開挖循環進尺保持1m，高度保持在3.3m，開挖時左右臺階須錯開3m 并以最大程度減小對圍巖的擾動。然后按照第一步后面的方式進行初噴和鋼拱架的架設，直至滿足設計要求。

第四、五步，對左、右側導坑和下部臺階進行開挖作業，開挖循環進尺保持1m，高度保持在3m，開挖過程中左右臺階間隔應大于3m，以防止破壞圍巖自承力。然后按照第一步后面的方式進行初噴和鋼拱架的架設，直至滿足設計要求。

第六步，對上、中、下臺階處保留的核心土進行開挖作業，循環進尺保持1m。

第七步，對隧道底部進行開挖作業，開挖循環進尺保持2m，初噴凝土達到5cm，兩個開挖循環后進行仰拱施作。

4 結語

小山坪隧道多為卵礫石層，圍巖自承能力不足且易坍塌，雖然在干燥環境下具備相應的穩定性，但易受到地下水及人為施工因素的影響，在地下水及施工擾動作用下自穩時間迅速減小，從而給圍巖的穩定性控制和施工帶來很大困難。留核心土的三臺階七步開挖法對圍巖的擾動更小，不僅發揮了圍巖的自承作用，而且還能使圍巖變形在允許的范圍內，因此該方法是適合小山坪卵礫石層隧道的施工工法。本文以小山坪隧道復雜工程地質環境為背景，開展了卵礫石層隧道施工技術研究，希望為西北地區同類隧道的建設提供一定參考。