成昆鐵路興隆山隧道施工方案淺析★

楊盼盼

(中鐵二十一局集團第二工程有限公司，甘肅 蘭州 730030)

新奧法的特點是通過錨桿和混凝土結合的方式加固圍巖，將圍巖視作支護體系的一部分，充分發揮圍巖的自身承載能力[1]。興隆山隧道的施工方案就以新奧法為基礎進行組織設計。同為新奧法施工，但從現行隧道開挖案例中調查發現，很多隧道施工現場對于施工信息收集反饋方面的工作有所欠缺，興隆山隧道在組織施工設計時特別注重信息收集反饋方面工作，其工作主要包括兩大方面，通過測量手段及時監測圍巖的變形和松弛對后續的工程施作給予反饋[2]；通過綜合應用超前地質預報與監控量測手段預測圍巖和掌子面的地質信息情況，有效的降低地質災害發生概率和規模[3]。本文基于新奧法原理和信息反饋兩方面對興隆山隧道施工方案進行分析。

1 工程概況

興隆山隧道是成昆鐵路的擴能工程，位于四川涼山冕寧縣境內。隧道全長1 923 m，里程起DK387+657～DK385+734。隧道最大埋深312 m。隧道為單洞雙線，線路設計為單面縱坡，坡度為12‰。隧道圍巖級別隨線路變化，DK385+734～DK386+414段Ⅲ級圍巖總計680 m，DK386+414～DK386+644為Ⅳ級圍巖總計230 m，DK386+644～DK387+657為Ⅴ級圍巖總計1 023 m。隧道依傍安寧河，地下水豐富多儲。隧道線路段所處地貌大致分為構造剝蝕中高山和河谷階地兩地貌。隧道覆蓋層為第四系全新統坡殘積層粉質粘土，下伏基巖為第三疊系花崗巖。前期地質勘探發現隧道里程DK385+806～DK385+856段水文地質條件較差，容易出現地質問題。

2 施工設計方案

隧道洞口、洞門的施工方案依照現場情況和規范進行組織設計，明洞和洞身的開挖方案設計依照新奧法施工組織原理，采用光面爆破、錨噴支護、按照少擾動、勤支護、早測量進行。將監控量測及超前地質預報手段作為隧道信息收集反饋的施工工序。

2.1 洞口與洞門施工

洞口施工首先要作好洞頂和邊坡的截排水工作，邊坡施工同時要做好防護和監測工作，注意邊坡過量形變發生坍塌的隱患，對存有位移發生可能的石頭要及時清理，高邊坡的石方開挖應采用弱爆破的方法減少擾動，坡度削減時由上至下逐次土石方挖除，擾動后的坡面要盡早的進行錨噴支護。

洞門施工，斜切類整體式洞門施作方法采用整體澆筑法；端墻類洞門采取分布施工，先施作洞門端墻再施作洞門翼墻；對于洞門的附屬工程，需要等洞門主體結構的混凝土凝結硬化、養護到規范強度后再進行施作。

2.2 明洞施工及洞身開挖

明洞墻頂起坡防護采用鋼筋網噴射混凝土防護。明洞襯砌施工方式，縱向由洞內向洞外進行施工，豎向由下部向上部模筑施工，先完成仰拱回填及仰拱、墻腳的模筑，之后完成邊墻、拱部模筑。模筑方式：下部構件(仰拱、墻腳)采用人工立模和組合鋼模澆筑的方式；上部構件(邊墻、拱部)采用模板臺車澆筑，澆筑時注意兩側平行施工。施工時要保證明洞襯砌、端墻、洞門之間的整體性，三者間的連接位置要預留鋼筋。

合理的鉆爆參數選定是洞身開挖首要確定的，并需要在施工的過程中不斷的優化。通過調整選取合理的爆破參數，最大限度的減少爆破對圍巖的擾動，又同時能滿足隧道開挖斷面的需要。除了調整爆破參數優化開挖方式，本隧道根據不同的圍巖級別，采取不同的開挖方法，如表1所示。

表1 不同圍巖開挖方法

2.3 復合襯砌施工及防水措施

復合式襯砌主要構成包括三方面：初期支護、防水隔離層和二次襯砌。本隧道復合式襯砌施工工序如下：

超前支護→掌子面開挖→初噴混凝土→系統支護→復噴混凝土→施作防水層→襯砌臺車定位→安裝止水帶及端頭擋板→泵送混凝土→混凝土養護→臺車移位→模板清洗→下循環復合襯砌施工。

初期支護按照前后順序可分為超前支護和系統支護。對于超前支護方案：1)Ⅲ級圍巖地段采取超前錨桿；2)對于Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段綜合利用長管棚或超前小導管進行超前支護。系統支護在掌子面開挖完成以后進行，圍巖穩定性較差地段掌子面開挖完成以后要盡早的完成圍巖封閉，采用的方法為掛設鋼筋網并噴射混凝土。完成掌子面封閉以后進行系統支護，圍巖穩定的地段系統支護主要采取鋼筋網、噴射混凝土、砂漿錨桿或組合中空錨桿組合施作，圍巖性質較差地段可再加Ⅰ20b型鋼鋼架進行加固。完成初期支護以后，安裝防水層進行二襯結構施工，其結構主要包括兩方面曲墻和仰拱，其模筑施工方式采用二襯臺車進行。施工時首先完成襯砌臺車的定位，之后安裝止水帶及端頭擋板，完成以后調運混凝土使用地泵運送澆筑入模，待襯砌混凝土養護達到規定強度二襯施工方可進入下個循環。

防排水問題按照“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則解決。隧道防水以復合式襯砌自防水為主體，要達到防水可靠，經濟合理[1]。對于二襯使用的混凝土，普通地段抗滲等級要大于P10；地下水豐富或有侵性的地段抗滲等級要大于P12。圍巖過量富水地段，因襯砌背后水壓過必須采取排的方式，設置環向和縱向的盲管進行引流泄壓，縱向和環向盲管按10 m一環計列數量。隧道向外排水方式，洞內兩側設置側溝，便于收集圍巖滲流水、盲管排水、襯砌養護及其他施工留下的多余用水；除設置側溝外，洞內中心要設置中心水溝，以便側溝收集的水通過管道排至中心水溝，再排至隧道外。側溝和中心水溝之間每隔30 m布設φ100 mm PVC管進行連接。對于用無砟道床板與側溝壁之間的水采用φ100 mm PVC管引至中心水溝，縱向每隔100 m設置一道。隧道結構的三縫防水使用堵的方式，一般用橡膠止水帶和排水板組合方式，必要時還可添加使用聚乙烯泡沫塑料板及雙組分聚硫密封膏嵌縫。隧道洞口及邊坡的防排水使用截的方式，在洞口、邊坡5 m～10 m之外設置截水溝對自然降水和地上水進行截流收集引排至安全區域，從而保證洞口和邊坡的穩定不受水環境影響。

2.4 監控量測及超前地質預報

隧道的圍巖變化和水文地質情況對后續的施工都有極大的影響，施工中應將隧道的超前地質預報、圍巖監控信息納入動態管理，將其視為隧道施工的必要工序。關于興隆山隧道監控測量方案設計如下，監控量測可分為拱頂沉降和水平收斂測量兩項[4]。隧道開挖完成以后,應盡快完成監控點標識布設，一般小于12 h。測點布設以后按時進行數據觀測。測量斷面依據標準規范布置，如圖1所示。拱頂的沉降測點、水平收斂點布置在一個斷面上，誤差小于30 mm[5]。

根據現場的施工情況，觀測標必須按照規范進行埋置，觀測標的埋置示意圖如圖2所示。為了避免爆破產生的飛石對觀測標產生影響，選擇直徑22 mm的鋼筋，觀測標探出初支混凝土距離小于10 cm。觀測標深入基巖的深度應大于20 cm。觀測標的組成5 cm×5 cm鋼板、4 cm×4 cm反光片、直徑22 mm的鋼筋。安裝后的觀測標應避免施工干擾，如懸掛電線、水管等。噴射混凝土的時候應對觀測標進行包裹，避免水泥對其覆蓋，在噴射完成以后將反光貼片粘貼在鋼板上。并提醒施作人員和機械手對觀測標進行保護。

隧道的監控測量方法以拱頂監控測量為例細述：拱頂的下沉監控T1時間對測點測量3次取其平均值H1，T2時間測點在測3次取其平均值H2，然后將兩次高程相減除以兩次測量之間的時間間隔，公式如下：

(1)

(2)

ΔH=H1-H2

(3)

v(t)=ΔH/Δt(Δt=T2-T1)

(4)

(5)

對于地質信息預測收集工序，如表2所示。除此以外，對于穿越不良地質帶的線路段隧道，由于圍巖性質惡化嚴重，突水突泥風險概率增大，根據現場情況加密超前地質預報。另外現場的技術人員要保證掌子面每次開挖后都要及時的進行地質素描。

表2 超前地質預報計劃表

3 施工存在的問題及方案調整

3.1 超前小導管注漿問題及施工方案調整

根據現場小導管注漿施工情況反饋出現了如下問題：1)頂管問題，小導管注漿超前支護時施工首要步驟是用風鉆在圍巖上形成導孔，再借助風鎬或風鉆將注漿的鋼管頂入，而對于DK385+806～DK385+856段興隆山隧道地質情況，受圍巖風化的影響，風鉆成孔困難，施工鉆孔時孔深大于4 m時塌孔現象普遍。2)孔口止漿問題，注漿孔采用風鉆成孔帶來的問題是孔口止漿效果較差，注漿的壓力不能達到設計的要求，注漿量小漿液的擴散不理想。3)小導管角度控制問題，由于風鉆作業面狹窄及人工控制偏差的原因導致小導管插入圍巖的角度的控制效果不好。小導管的數量多作業時間占比隧道開挖循環時間比較大，出現問題對施工進度負面影響較大。根據現場超前小導管注漿加固問題信息反饋，調整后的參數如表3所示。

表3 優化后的小導管注漿參數

經現場試驗小導管長度3.6 m較為合理，塌孔問題不再普遍發生。在注漿壓力方面，首要解決孔口止漿問題，注漿前用C25噴射混凝土對開挖面封閉，噴射厚度大于10 cm，同時在注漿孔安裝橡膠止漿密閉閥，注漿材料選用P.O42.5純水泥漿，水灰比和水玻璃摻量見表3。注漿壓力的范圍在1.2 MPa左右，終壓持續時間大于3 min。對于小導管安裝角度問題多為工人施作原因，需要現場技術人員勤測量勤指導對現場導管施工作業進行監督。

3.2 突泥地段施工方案調整

在進入DK385+806里程之后時有突水突泥現象的發生，此里程以后加密使用地質超前預測，地質信息預測DK385+816～DK385+836里程段突泥現象可能加重，里程DK385+836～DK385+856之間突水突泥現象會逐漸減緩。根據地質超前采集的信息和DK385+806掌子面現場狀況對超前支護方案進行修改，采用管棚預支護及小導管注漿的方法對突泥的問題進行解決。

1)初期支護加強，在DK385+806～DK385+856段的圍巖采用格柵嵌補Ⅰ20b型鋼鋼架對支護進行加強。掌子面掛上鋼筋網之后噴射10 cm左右的混凝土進行封閉，也為后期的注漿做準備。

2)護拱安裝，根據地質預測信息管棚的起始里程為DK385+816，先在DK385+816～819段架設護拱，護拱鋼架由6榀Ⅰ20b型鋼組成，Ⅰ20b型鋼之間的距離為0.5 m。為防止施作管棚時影響后期二襯施工，噴射混凝土之前應預留足夠空間，空間不足時應鑿出部分初支混凝土，也為后續施工作業提供充分的工作面。在護拱架安裝就位后安裝棚管導向管，護拱與導向管布置圖如圖3所示。導向管直徑108 mm，管棚設計長度30 m，保證其穿出突泥體進入穩定圍巖有一定的安全長度，管棚材料選用無縫鋼管，直徑89 mm，厚6 mm，設計仰角5°，導向管之間的間距0.5 m。關于護拱與導管的布置示意圖見圖3。

3)鉆孔時，引孔方法采取鉆桿上套沖擊鉆的方法，引孔完成以后采用無水鉆進方法，在鋼管上安裝硬質合金鉆頭進行鉆進。鉆孔中要保護好巖芯及時取樣調查，可以為后續隧道開挖提供超前地質信息。

4)注漿加固時，將注漿鋼管插入管棚鋼管壁的預留孔。注漿前可以在鋼管內設置鋼筋籠以保證鋼管的剛度和強度，注漿時特別注意的是要保證注漿管和巖層之間要緊固連在一起。

根據突泥體工況，對超前小導管注漿方案又進一步優化。

1)注漿在圍巖中的擴散半徑根據原設計參數和現地質條件重新調整，保證相鄰導管間的注漿范圍有疊壓區間，小導管布置參數調整如下，施工間距按照環向25 cm、縱向1.5 m進行控制。

2)調查現場突泥體的狀況，天然含水量達到了45%，滲透系數小于10-8m/s，通過現場證明采用高壓劈裂注漿的加固方法高效可行，注漿后經凝結硬化水泥和粘泥之間形成相對穩定的膠石結合體。高壓劈裂注漿過程中特別要注意漿液損失和漿液凝固時間。同時要保證注漿過程壓力從初壓、工作壓和終壓滿足設計要求，經現場的實踐和查閱資料注漿壓力參數修改為初壓0.7 MPa左右，工作壓力在1.6 MPa左右，終壓在3.5 MPa左右。

3)注漿材料選用P.O42.5水泥，因為隧道伴有少量涌水現象，適當提高水玻璃比例，具體比例根據現場注漿情況進行調控，注漿的過程按照先稀后稠的原則，漿液水灰比采用0.5∶1，當有嚴重失漿的情況出現可以適當的添加速凝劑在漿液中。

4 結語

隧道的新奧法施工雖已在我國隧道施工中處于普及的狀態，但在復雜地質環境下如何極大的發揮新奧法的施工特點，保證圍巖的穩定性，新奧法還需要優化。隧道最大施工特點是前方地質狀況處于盲區，工程問題出現大部分地點也集中在開挖面，因此隧道的穩定性除了要控制初支和襯砌的施工質量，還要對開挖施工動態、圍巖變化信息高效收集，并快速反饋于后續施工作業。本隧道的施工注重施工信息收集和反饋，通過監控測量、超前地質手段高效收集圍巖變化信息，發現了現場小導管超前注漿的問題以及預判DK385+816～DK385+836突泥、突水概率變高問題。通過信息反饋收集發現和預判問題，通過方案整改優化小導管注漿參數、重新制定突泥地段施工方案，使用管棚預支護及小導管注漿的方法避免了突泥、突水問題發生的風險。通過興隆山隧道施工方案調整案例，反映了隧道施工信息收集反饋處理在新奧法隧道施工中的重要性，能有效的發現解決隧道開挖時出現的問題和潛在的問題，保證施工安全和進度。