炭質頁巖軟巖隧道施工方法研究

范志新

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

梨柴林隧道炭質泥巖地質極差、巖質松散、遇水軟化、長期不收斂、引起初期支護大變形，經常性發生坍塌，初期支護變形大，長期不穩定，施工特別困難，常規隧道支護方式不能承受圍巖壓力。為此，本公司研究并成功實施了“梨柴林隧道炭質泥巖段施工工法”。此施工方法適用于隧道炭質泥巖地質加強支護施工，也可適用于隧道類似軟弱地質加強支護。

1 項目概述

梨柴林隧道位于貴州省畢節地區威寧縣關風海鎮境內，隧道結構形式為高速公路分離式長隧道，隧道長2 455 m，采用新奧法施工。出于對隧道施工質量與安全性的考量，在本工程中應用了“梨柴林隧道炭質泥巖段施工工法”，成功應用于六盤水至威寧高速公路第十六合同段梨柴林隧道的施工中。

2 炭質頁巖軟巖隧道施工的基本原理分析

在本工程中，隧道炭質泥巖松散、自穩性差，施工中要解決圍巖坍塌及大變形問題，主要采取的措施是“強支護、短進尺”，采用加強初期支護來和控制開挖減小對圍巖的擾動解決，采取以下幾個方面的加強措施，具體有。

第一，加強圍巖超前預支護(縱斷面圖如圖1)，加強前方圍巖的整體穩定，將前方圍巖凝結為穩定拱，防止圍巖開挖后坍塌；預支護采用直徑42 mm的小導管周邊打孔注漿，導管加長為6 m(常規為4.5 m)、環向間距為40 cm、縱向排距為2.5 m，外插角10°～15°；導管打入圍巖后，對其加壓注水泥漿，漿液通過導管周邊孔深入滲透于圍巖中。

圖1 加強超前預支護縱斷面圖

第二，開挖方式，短進尺開挖，鋼拱架間距加密為65 cm，每輪循環進尺控制在1.3 m(2榀鋼架)，采用分臺階開挖的方式，減小一次開挖斷面，減小臨空面，減少對周邊圍巖的擾動。

第三，加強錨噴襯砌(橫斷面圖如圖2)，加大鋼拱架(I20b工字鋼)，加密鋼架間距為65 cm，鋼架閉合成環，增加其剛度，減小變形；增設直徑為42 mm的環向系統注漿小導管(常規為直徑為25系統注漿錨桿)，導管縱向間距65 cm、環向間距1.2 m、單根長度6 m(常規注漿錨桿長為3 m)，通過導管向圍巖深層注漿將周邊圍巖凝結形成拱形穩定圈，保證圍巖的穩定性。

圖2 加強錨噴襯砌橫斷面圖

第四，增加環向臨時鋼架附拱(初期支護為雙拱架)，增加斜撐，加強鎖腳，將鋼架附拱閉合成環，加大初期支護剛度，遏制大變形。

第五，及時跟緊二次襯砌，最大限度縮短初期支護與二次襯砌的距離；初支護施工后，及時施作二次襯砌，二次襯砌及參與受力，避免初期支護變形過大造成坍塌。

3 炭質頁巖軟巖隧道施工的技術要點研究

3.1 超前圍巖導管注漿預支護

第一，掌子面噴混凝土封閉，厚度為10～15 cm。第二，制作導管，為無縫鋼管，長6 m，外徑42 mm，壁厚4 mm，管壁打直徑6 mm注漿孔，孔距15 cm梅花型布置，導管端頭加工成5厘米長的尖錐形，便于穿入孔內不堵管，尾端焊接直徑6 mm的加勁箍，尾部留1.05 m不鉆孔的止漿段。第三，鉆超前導管孔，采用液壓潛孔鉆機，型號YQ-100B、耗氣量為10～12 m3/min、使用氣壓為0.8～1 MPa；鉆孔直徑比鋼管直徑大2 cm，長度6 m，外插角控制為10°～15°，環向間距40 cm。第四，超前導管安裝，成孔后，將導管按設計要求通過最后一榀型鋼拱架中上部打孔插入孔中，或用潛孔鉆機將導管頂入，尾端外露20 cm固定于最后一榀鋼架上，與鋼架共同組成預支護體系。第五，導管注漿，注漿前已噴射混凝土封閉掌子面以防漏漿，注漿順序由下向上，漿液用拌合機攪拌均勻。水泥標號42.5，水泥漿水灰比為1∶1，注漿壓力0.5～1 MPa。

3.2 上臺階環向系統注漿導管施工

第一，制作導管，環向導管制作同超前小導管的制作方法。第二，鉆環向導管孔，采用的機械設備與超前導管一樣；鉆孔直徑比鋼管直徑大2 cm，長度6 m，鉆孔方向為隧道斷面徑向、與環向開挖面垂直，縱向間距50 cm、環向間距120 cm。第三，環向導管安裝，成孔后，將導管按設計要求插入孔中，或用潛孔鉆機將導管頂入，尾端外露10 cm作注漿堵塞用。第四，環向導管注漿與超前導管注漿方法相同。

3.3 安裝上臺階鋼拱架

鋼架按設計要求安裝，安裝尺寸允許偏差不得大于5 cm；鋼架安裝前清除拱腳虛碴，拱腳高程不足時，采用I20工字鋼接長墊至設計高程，保證拱腳不懸空；開挖面超挖采用噴射混凝土回填密實；欠挖采用補炮或風槍鑿除超挖部分,開挖至設計斷面。各節鋼架用螺栓連接，連接板密貼，保證各節鋼架在全環封閉之前置于穩固的地基上，鋼架基腳處安裝混凝土墊石以增加基底承載力。安裝鋼拱架連接鋼筋為Φ20螺紋鋼筋，環向間距100 cm兩榀鋼拱架交錯布設。

3.4 安裝鋼架附拱

第一，鋼架制作，鋼架采用I18工字鋼，制作方法與上臺階鋼架相同。第二，鋼架安裝，鋼架按設計要求安裝，安裝尺寸允許偏差不得大于5 cm；鋼架安裝前清除拱腳虛碴，保證拱腳不懸空。各節鋼架用螺栓連接，連接板密貼，保證各節鋼架在全環封閉之前置于穩固的地基上，鋼架基腳處安裝混凝土墊石以增加基底承載力。第三，附拱鎖腳導管施工，附拱閉合成環，安裝附拱斜撐。

3.5 混凝土施工

第一，待附拱噴射混凝土達到設計強度的85%，短進尺開挖下導坑，下導坑每循環施工長度1.3 m(兩榀鋼架長度)，不得超過兩榀鋼架。第二，仰拱施工，仰拱鋼架安裝、鋼筋安裝，噴射仰拱混凝土。第三，完成填充層混凝土施工后，實施短進尺拆除附拱，采用人工輔助挖掘機拆除，每循環拆除長度為4 m，不得大于4 m，拆除后清理拱弧面的松散塊、易掉物等。第四，二次襯砌施工，采用二襯臺車澆注，二襯每模長度根據附拱破除的長度分段施工，每模澆注4 m。

3.6 注意事項

第一，超前支護注漿導管施工前掌子面就進行初噴混凝土，確保不漏漿，同時也避免施工過程中掌子面松散體坍，確保安全。第二，超前支護注漿導管尾端應穿于最后一榀打孔的鋼架上，并與鋼架固定形成受力體系。第三，上臺階、下臺階及仰拱開挖進尺最大長度控制為1.3 m(兩榀鋼架長度)，不得大于兩榀鋼架，減少開挖臨空面，減小對圍巖擾動，避免坍塌。第四，鋼拱架安裝后及時加強小導管鎖腳，及時漿鋼架閉合成環，加強穩定。第五，附拱拆除長度不得大于4 m，破除后及時施工二次襯砌，二次襯砌按附拱拆除的長度分段施工，每模施工不得大于4 m。

3.7 驗收標準

表1 隧道鋼拱架安裝驗收標準

表2 隧道超前導管驗收標準

4 總 結

綜上所述，炭質泥巖地質極差，經常性發生坍塌，因此在隧道工程中需要著重優化炭質頁巖軟巖段施工技術。通過超前圍巖導管注漿預支護、上臺階環向系統注漿導管施工、安裝上臺階鋼拱架、安裝鋼架附拱等施工工序的落實，實現了隧道炭質泥巖段施工工法的構建，提升了施工區域地質的硬度，促進了隧道炭質頁巖軟巖段施工質量與安全性的提高。