軟弱圍巖淺埋隧道開挖支護(hù)施工關(guān)鍵技術(shù)

許兆勇

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州510290）

1 工程概況

228 國(guó)道蒼南龍沙至岱嶺段工程，沿線共建設(shè)3 個(gè)分離式雙向雙洞隧道，單洞總長(zhǎng)約4 100m。各隧道的地質(zhì)條件各異，圍巖等級(jí)不盡相同，分別為Ⅱ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)。考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)V 級(jí)圍巖的特殊性，擬通過(guò)預(yù)留核心土的方法組織開挖作業(yè)。同時(shí)，城門隧道和岱嶺隧道洞口處還應(yīng)設(shè)計(jì)超前大管棚支護(hù)，設(shè)計(jì)的具體位置為隧道進(jìn)出口明暗交界處。設(shè)計(jì)時(shí)需要用到的材料有φ108mm×6mm 熱扎無(wú)縫鋼管、絲扣長(zhǎng)度≥15cm的厚套筒等。其中，前者的規(guī)格為節(jié)長(zhǎng)2m、3m、6m，后者的規(guī)格為114mm×6mm，且縱向搭接長(zhǎng)度≥3m。

2 水文地質(zhì)概況

2.1 自然地理?xiàng)l件

隧道建設(shè)區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻鼐€地形存在較明顯的起伏，植被茂密。山體起伏較大，高程在64.96～81.76m，相對(duì)高差約168m。地表水較發(fā)育，集中在洞身K22+330 周邊，屬山潤(rùn)溪流，自西向東在K22+330 附近折向南從丘陵流向平原，枯水季節(jié)，流量較小；豐水季節(jié)，溪水流量較大。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造及地震

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造單元較為復(fù)雜，為華南褶皺系浙東南褶皺帶之溫州—臨海拗陷的溫州—泰順斷拗之上，區(qū)域大斷裂主要有2 條：溫州—鎮(zhèn)海大斷裂和松陽(yáng)—平陽(yáng)大斷裂。據(jù)地質(zhì)調(diào)查隧道區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

2.3 水文地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

從含水組地層巖性、水動(dòng)力性質(zhì)等角度展開分析，可將隧址區(qū)的地下水分為2 類：（1）松散巖類孔隙水，集中在丘陵山體表部以及局部坡麓地帶，該部分地下水的覆蓋巖性以含碎石粉質(zhì)黏土、含黏性土碎石居多，厚度不均，富水性差，通過(guò)大氣降水和基巖裂隙水2 種途徑實(shí)現(xiàn)雨水的補(bǔ)給，基于此特點(diǎn)，地下水存在較明顯的時(shí)段性，雨季迅速向低洼處排泄或補(bǔ)給。（2）基巖裂隙水，以風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水為主，集中于丘陵深部。風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水的富水性由巖性、地形地貌、風(fēng)化程度與風(fēng)化帶厚度及植被發(fā)育程度等因素決定，一般含水性、透水性較差。隧道區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，水量總體較為貧乏，隧道開挖有可能出現(xiàn)滴水或淋雨?duì)畛鏊默F(xiàn)象,瓦窯崗隧道單洞涌水量424.03m3/d。

2.4 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)為丘陵地貌，覆蓋層厚度較薄，以殘坡積的含碎石粉質(zhì)黏土為主。下伏基巖的巖質(zhì)堅(jiān)硬，絕大部分為白堊系下統(tǒng)朝川組含角礫凝灰?guī)r。

3 圍巖變形預(yù)測(cè)

3.1 無(wú)支護(hù)下圍巖變形預(yù)測(cè)

考慮無(wú)支護(hù)的施工工況，利用模型展開計(jì)算與分析，以確定具體位移變形量。結(jié)果表明，缺乏支護(hù)措施時(shí)，圍巖變形現(xiàn)象明顯，具有不收斂以及持續(xù)變形的特征，加之內(nèi)外部因素的共同作用，存在隧道坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 僅有初期支護(hù)下圍巖變形預(yù)測(cè)

初期支護(hù)用shell 單元模擬噴層支護(hù)、cable 單元模擬錨桿，型鋼鋼架經(jīng)折算后由等效混凝土模擬。初期支護(hù)為C25 噴射混凝土且厚28cm；φ22mm 砂漿錨桿，長(zhǎng)4.5m，間距l(xiāng)m×lm；H175 型鋼，間距60cm。未設(shè)置超前支護(hù)。

經(jīng)計(jì)算可知，拱頂超前變形量為68mm，期間所產(chǎn)生的總量為226mm，占比約37.1%。結(jié)合現(xiàn)階段的行業(yè)規(guī)范，對(duì)于大跨度、特大跨度隧道而言，施工過(guò)程中Ⅴ級(jí)圍巖的拱頂下沉量應(yīng)穩(wěn)定在200～300mm，同時(shí)，須保證超前變形量在該值的20%～30%。經(jīng)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，圍巖超前變形量超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，為解決此問(wèn)題，須輔以超前支護(hù)措施。

3.3 超前支護(hù)下圍巖變形預(yù)測(cè)

在前述所提初期支護(hù)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采取超前支護(hù)措施，以最大限度地控制超前變形量。材料方面主要有φ108mm×6mm 熱扎無(wú)縫鋼管、絲扣長(zhǎng)度≥15cm 的厚套筒。再次展開計(jì)算與分析，得知拱頂超前變形量為42mm，相比于全變形量（198mm）占比為21.2%，滿足要求。

3.4 變形控制對(duì)策

以開挖和支護(hù)2 個(gè)環(huán)節(jié)為立足點(diǎn)，分別對(duì)圍巖的變形采取控制措施。開挖環(huán)節(jié)采取三臺(tái)階七步開挖法，盡可能地阻止圍巖荷載的釋放；支護(hù)環(huán)節(jié)以大管棚超前支護(hù)為主要手段，以免出現(xiàn)大范圍的超前變形現(xiàn)象。在隧道開挖期間按如下流程完成各項(xiàng)工作：

第1 步，上部弧形導(dǎo)坑開挖：以拱部超前支護(hù)工作落實(shí)到位且無(wú)質(zhì)量問(wèn)題為前提，環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，開挖施工期間預(yù)留核心土，長(zhǎng)3～5m，寬度宜為隧道開挖寬度的1/3～1/2。以初期支護(hù)鋼架間距為參考，合理控制開挖循環(huán)進(jìn)尺，不宜超過(guò)1.5m，經(jīng)開挖作業(yè)后組織混凝土初噴施工，厚度控制在3～5cm。對(duì)于上臺(tái)階的開挖，要求其矢跨比＞0.3，且在開挖后組織噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)作業(yè)，利用加工成型的構(gòu)件架設(shè)鋼架，于拱腳以上30cm 的位置設(shè)鎖腳錨桿（下傾角30°），經(jīng)焊接后與鋼架穩(wěn)定連接，再?gòu)?fù)噴混凝土，直至其滿足設(shè)計(jì)厚度要求為止。

第2 步、第3 步，左右側(cè)中臺(tái)階開挖：以初期支護(hù)鋼架間距為參考合理控制開挖進(jìn)尺，不宜超過(guò)1.5m，高度3～3.5m。在左右側(cè)臺(tái)階開挖時(shí)要求其錯(cuò)開量達(dá)到2～3m，初噴混凝土厚度3～5cm，在完成噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)作業(yè)后對(duì)既有鋼架采取接長(zhǎng)處理措施，于拱腳以上30cm 的位置設(shè)鎖腳錨桿（下傾角30°），經(jīng)焊接后與鋼架穩(wěn)定連接，再?gòu)?fù)噴混凝土，直至其滿足設(shè)計(jì)厚度要求為止。

第4 步、第5 步，左右側(cè)下臺(tái)階開挖：開挖內(nèi)容與第2 步、第3 步一致，不再贅述。

第6 步，上中下臺(tái)階預(yù)留核心土：經(jīng)臺(tái)階開挖后，若無(wú)質(zhì)量問(wèn)題則及時(shí)設(shè)置仰拱初期支護(hù)，分段長(zhǎng)度4～6m。

第7 步，隧底開挖：加強(qiáng)對(duì)各循環(huán)開挖進(jìn)尺的控制，以2～3m 為宜，經(jīng)開挖后若無(wú)誤則設(shè)置仰拱，分段長(zhǎng)度宜為4～6m。

4 大管棚施工

大管棚結(jié)構(gòu)體系中，基礎(chǔ)材料包含φ108mm×6mm 熱扎無(wú)縫鋼管，套筒（要求其絲扣長(zhǎng)度≥15cm）等。其中前者規(guī)格為節(jié)長(zhǎng)2、3、6m，后者的規(guī)格為114mm×6mm，且縱向搭接長(zhǎng)度≥3m。管棚的前后兩端分別設(shè)置15cm 的錐頭和10mm 的加強(qiáng)箍。根據(jù)施工要求，管棚結(jié)構(gòu)組成包含無(wú)孔鋼管和有孔花管2 類。

4.1 搭設(shè)鉆孔平臺(tái)鉆機(jī)

考慮到鉆機(jī)施工的安全性和便捷性要求，組織明洞拱部土質(zhì)的開挖時(shí)，采取環(huán)形開挖的方式，預(yù)留的核心土高度為暗洞開挖外輪廓線以下1.0m。將核心土作為鉆機(jī)基本平臺(tái)，通過(guò)腳手架的搭設(shè)完成鉆機(jī)高度的調(diào)整。鉆孔從拱頂開始向兩側(cè)同時(shí)作業(yè)，逐漸從高位孔轉(zhuǎn)向低位孔，從而使核心土平臺(tái)高度也相應(yīng)降低。

平臺(tái)所在的地基應(yīng)具有穩(wěn)定性與平整性，加強(qiáng)腳手架的連接，以免在鉆機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)不均勻下沉、偏位等質(zhì)量問(wèn)題。

4.2 鉆機(jī)

直徑為φ127mm 的鉆頭能夠大大提高鋼管的安裝效率。當(dāng)巖質(zhì)較好時(shí)，施工人員可以一次成孔。若鉆機(jī)運(yùn)行期間存在塌孔、卡鉆等異常狀況，需隨即補(bǔ)漿，再恢復(fù)至正常鉆進(jìn)狀態(tài)。

鉆機(jī)運(yùn)行初期階段維持低速低壓，待成孔達(dá)到10cm 后，綜合考慮鉆機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件合理調(diào)整。鉆進(jìn)施工期間利用斜測(cè)儀檢測(cè)，及時(shí)掌握鉆機(jī)的位置，以便調(diào)整偏差。同時(shí)，施工人員可根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的狀態(tài)評(píng)估孔的質(zhì)量。若鉆進(jìn)施工期間鉆機(jī)發(fā)生故障，需由技術(shù)人員展開分析，探明成因后再采取針對(duì)性的處理措施。鉆孔施工遵循先高后低的原則，按照先奇數(shù)孔、后偶數(shù)孔的順序依次鉆進(jìn)。鉆進(jìn)期間產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均要得到完整的記錄，作為質(zhì)量分析的依據(jù)，給洞身開挖提供引導(dǎo)[1]。

4.3 清孔驗(yàn)孔

孔口的清理可通過(guò)地質(zhì)巖芯鉆桿及鉆頭反復(fù)進(jìn)行，在確保孔徑、孔深符合要求的情況下確保孔內(nèi)暢通，不會(huì)出現(xiàn)堵孔情況。孔內(nèi)的鉆渣則可以通過(guò)高壓風(fēng)從孔底向孔口清理。鉆孔的檢查通過(guò)全站儀、測(cè)斜儀等工具進(jìn)行，檢查的內(nèi)同包括孔深、外插角以及傾角等[2]。

4.4 安裝管棚鋼管和注漿

施工人員對(duì)絲扣進(jìn)行加工，并鉆設(shè)和布置注漿孔，接著進(jìn)行棚管頂進(jìn)施工。

1）壓漿前做好準(zhǔn)備工作，例如，清理孔道、濕潤(rùn)孔壁。沖洗完成后利用不含油的壓縮空氣對(duì)孔內(nèi)積水進(jìn)行處理。

2）壓漿使用BW-250/50 型注漿泵。壓漿的實(shí)際壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求后持續(xù)穩(wěn)壓注漿20min 以上。

3）注漿施工選擇的是水灰比為1∶1 的水泥漿，初壓0.5～1MPa，后續(xù)逐步增加，終壓2.0MPa。

4）注漿結(jié)束后，施工人員及時(shí)關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)施，并對(duì)管內(nèi)的漿液進(jìn)行清理，向鋼管內(nèi)注入M30 水泥砂漿，在其固結(jié)后可提高管棚的剛度和強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，淺埋軟弱圍巖隧道的施工環(huán)境復(fù)雜，施工期間易產(chǎn)生諸多安全隱患，輕則影響施工質(zhì)量，重則誘發(fā)安全事故，造成不可估量的損失。因此，理解并正確應(yīng)用相關(guān)施工技術(shù)很有必要。本文以軟弱圍巖淺埋隧道的施工條件為立足點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)其開挖支護(hù)施工關(guān)鍵技術(shù)展開探討，希望能為同類型施工提供經(jīng)驗(yàn)上的借鑒和理論上的支持。