軟弱破碎圍巖隧道三臺階七步法開挖施工技術(shù)研究

文/肖黔

1 工程概況和建設(shè)意義

1.1 工程概況

納雍至晴隆高速公路T19 合同段起點樁號K137+140，終點樁號K143+858，主線全長6.72km。小馬廠隧道左線長2890m，圍巖級別為：V 級圍巖（共長：525m），Ⅳ級圍巖（共長：1445m），Ⅲ級圍巖（共長：635m），加寬帶及交叉口（共長：260m）；小馬廠隧道右線共長2910m，圍巖級別為：V 級圍巖（共長：530m），Ⅳ級圍巖（共長：1450m），Ⅲ級圍巖（共長：650m），加寬帶及交叉口（共長：260m）。開挖方法主要有上下臺階法、三臺階七步法、全斷面法，采用進(jìn)出口兩端平行施工，隧道開挖以人工鉆爆施工為主，用自制臺車配合手持鑿巖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，同時采用光面爆破施工工藝；裝渣運輸為無軌運輸方式，用挖掘機(jī)、裝載機(jī)裝渣，運輸車出渣運輸至棄土場。

1.2 工程建設(shè)意義

納雍至晴隆高速公路是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013—2030年）》《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（加密規(guī)劃）》的重要一部分，而小馬廠隧道不僅是納雍至興義國家高速公路的重點和施工難點隧道工程，也是貫徹落實新時代西部大開發(fā)和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略、擴(kuò)大國內(nèi)需求、拉動經(jīng)濟(jì)增長的重要措施，還是構(gòu)建安全舒適、交通便捷的交通運輸完整體系的重要組成部分，因此建設(shè)納雍至晴隆高速公路具有重要的拉動地方經(jīng)濟(jì)效益和社會公益價值。

2 小馬廠隧道洞身段開挖方法選擇

小馬廠隧道位于貴州省普安縣白沙鄉(xiāng)境內(nèi)，路線穿五里坪槽谷北東向山體而建設(shè)。隧道洞身主體由北東～南西向展布，進(jìn)口段主體走向方位角211°，出口段走向約179°，呈弧形展布。

隧道采用分離式隧道方案，左幅起訖里程樁號ZK140+175～ZK143+065，長2890m；右幅起訖里程樁號K140+150～K143+060，長2910m，最大埋深約226m，建筑限界(寬×高)10.75m×5m。隧址區(qū)坡積物主要為殘坡積含礫粉質(zhì)粘土，隧址下伏基巖主要包括玄武巖，灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖[1]。

V 級、Ⅳ級圍巖緊急停車帶段開挖采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，如遇土質(zhì)圍巖或圍巖特別破碎段，則采用三臺階七步法開挖。

短段Ⅲ圍巖、Ⅳ級圍巖段可以采取雙臺階開挖法施工。

長段Ⅲ圍巖可以采取全斷面開挖法施工，如不穩(wěn)定，則采用上下臺階法施工。

施工中根據(jù)圍巖的實際情況動態(tài)調(diào)整開挖方式。

貫通時按50m 控制，剩余50m 時采用單端掘進(jìn)開挖。

表1 小馬廠隧道工程設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計表

3 軟弱破碎圍巖隧道三臺階七步法開挖施工技術(shù)

3.1 三臺階法開挖

為了便于控制圍巖變形的同時保證施工進(jìn)度，根據(jù)設(shè)計文件，Ⅴ級圍巖、Ⅳ級圍巖緊急停車帶段土質(zhì)圍巖或圍巖特別破碎段可采用三臺階七步法開挖（機(jī)械開挖輔以弱爆破），將隧道分七個開挖面相互錯開，同時開挖、支護(hù)，形成支護(hù)整體，逐步向縱深推進(jìn)；石質(zhì)圍巖段采用三臺階法開挖（鉆爆開挖），將隧道分成三部分跳槽開挖，施工時先跳槽開挖上臺階，待開挖到一定長度后，再跳槽開挖中臺階及下臺階，做成上中下三個臺階，并且可以同時施工。

3.2 開挖原則

利用三臺階七步開挖法進(jìn)行隧道施工，一般需要減短下層開挖臺階的長度，利用初期支護(hù)盡快使圍巖溫度達(dá)到適宜范圍，同時隧道二次襯砌盡早完成，快速有效地形成穩(wěn)定支護(hù)閉環(huán)。

3.3 開挖前超前支護(hù)施工

3.3.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)

設(shè)置在隧道洞內(nèi)無長管棚支護(hù)的V、IV 級圍巖地段，并采用φ42mm×4mm 熱軋無縫鋼管，長 度 分 別 為：S-Va、S-Vb、S-Vc400cm，SIVa350cm。鋼管環(huán)向間距40cm，外插角控制在10°～15°左右，尾端支撐于鋼架外側(cè)，每排小導(dǎo)管縱向至少需搭接1.4m。管身加工成花管（φ 6 孔，間距15cm），以便注漿。導(dǎo)向與定位支架采用型鋼拱架；注漿采用水泥砂漿（水灰比W/C=1，注漿壓力0.5～1MPa）[2]。

3.3.2 制作小導(dǎo)管

本合同段鋼花管加工場采用小導(dǎo)管割孔成型自動化生產(chǎn)線加工，從而確保施工質(zhì)量和精度。超前小導(dǎo)管采用φ42mm 鋼管，小導(dǎo)管前端做成尖錐形，尾部焊接φ6mm 鋼筋加勁箍，管壁上每隔10～20cm 梅花型鉆眼，眼孔直徑為6mm，尾部長度不小于110cm 作為不鉆孔的止?jié){段。

3.3.3 超前小導(dǎo)管安裝

超前小導(dǎo)管施工采用YT-28 型風(fēng)動鑿巖機(jī)按設(shè)計鉆孔，小導(dǎo)管鉆孔前，先進(jìn)行孔位測量放樣，孔位測量應(yīng)做到位置準(zhǔn)確，鉆孔嚴(yán)格按放樣進(jìn)行，避免造成串孔，影響注漿效果。另外，孔位外插角度要符合10°的設(shè)計要求。沖擊振動將小導(dǎo)管頂入巖層，小導(dǎo)管從鋼拱架中間穿過（鋼拱架割孔），用高壓風(fēng)清除管內(nèi)雜物，并采用錨固劑封堵孔口；同時，配制漿液，調(diào)試注漿機(jī)，進(jìn)行壓水試驗，檢查機(jī)械設(shè)備工作是否正常、管路連接是否正確。安裝小導(dǎo)管后，管口用麻絲和錨固劑封堵鋼管與孔壁間空隙，管口安裝封頭和閥門。

3.3.4 超前小導(dǎo)管注漿

小導(dǎo)管安設(shè)后，用錨固劑堵孔口，并噴射砼封閉工作面；采用注漿泵注漿，注漿管連接好后，將配制好的水泥漿液倒入注漿泵儲漿筒內(nèi)，注漿壓力一般為0.45～1.05Mpa；水泥漿水灰比1∶1；水泥標(biāo)號：42.5R，開動注漿泵，通過小導(dǎo)管向周邊圍巖壓注水泥漿。注漿按照以由低到高隔孔預(yù)注或群孔注漿的方法進(jìn)行；單孔注漿時，首先以初壓注漿，然后在終壓下進(jìn)行注漿，并保持1～2min 終壓再卸荷，保證注漿量及擴(kuò)散半徑達(dá)到設(shè)計要求，進(jìn)而達(dá)到超前加固的目的。注漿過程中，應(yīng)對漿液不停攪動，避免沉淀分層，影響漿液濃度。注漿過程采用雙指標(biāo)控制，即注漿量和注漿壓力。

3.4 開挖施工步驟

3.4.1 上部弧形導(dǎo)坑開挖：環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，寬度為隧道開挖的一半。開挖后，應(yīng)及時進(jìn)行噴射混凝土、錨桿支護(hù)、鋼筋網(wǎng)片和拱架支護(hù)，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

3.4.2 中臺階開挖：開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，一般小于2m，開挖高度約3m，右側(cè)臺階錯開約4m，立刻噴射混凝土加固。開挖后，應(yīng)及時進(jìn)行噴射混凝土、錨桿支護(hù)、鋼筋網(wǎng)片和拱架支護(hù)，打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接后噴射支護(hù)。

3.4.3 下臺階開挖：開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，一般小于2m，開挖高度約3m，左、右側(cè)臺階錯開約4m，立刻噴射混凝土加固。開挖后，應(yīng)及時進(jìn)行噴射混凝土、錨桿支護(hù)、鋼筋網(wǎng)片和拱架支護(hù)，打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接后噴射支護(hù)。

3.4.4 上中下三個臺階分別開挖，并且預(yù)留核心土。

3.4.5 隧底開挖：每循環(huán)開挖長度宜為3m作業(yè)，開挖后及時施作仰拱初期支護(hù)；另外，完成兩個隧底開挖、支護(hù)循環(huán)后，及時施作仰拱及下一步工序。

圖1 三臺階七步開挖法施工立體效果圖

3.5 開挖施工技術(shù)重點

3.5.1 上臺階循環(huán)進(jìn)尺Ⅲ、Ⅳ圍巖不得大于2 榀拱架間距，V 級圍巖不應(yīng)大于1 榀拱架間距。

3.5.2 上臺階的長度不宜大于隧道開挖寬度的1.5 倍。為盡早使初期支護(hù)封閉成環(huán)，可控制臺階距離為3～5m。

3.5.3 下臺階開挖時，宜采用先挖側(cè)槽、左右錯開向前推進(jìn)的方法，側(cè)槽一次開挖長度一般比較短；靠近邊墻范圍應(yīng)采用風(fēng)鉆、風(fēng)鎬手工開挖，人工清壁扒渣，避免擾動上臺階初期支護(hù)。

3.5.4 下臺階在上臺階噴射混凝土達(dá)到設(shè)計強度的70%以上時開挖；當(dāng)巖體不穩(wěn)定時，應(yīng)合理縮短進(jìn)尺，先施工邊墻初期支護(hù)，后開挖中間土體[3]。

4 結(jié)語

本項目為納雍至晴隆高速公路T19 合同段小馬廠隧道，研究探討了軟弱破碎圍巖隧道三臺階七步法開挖施工技術(shù)，全體參與的管控及施工人員精心組織、合理安排，對關(guān)鍵工序和重點工藝科學(xué)布排，在保質(zhì)、保量、保安全的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了軟弱破碎圍巖隧道安全開挖支護(hù)及如期貫通的節(jié)點目標(biāo)，確保了該小馬廠隧道的安全貫通，該隧道三臺階七步開挖法施工技術(shù)經(jīng)驗分享，可為今后類似軟弱圍巖隧道項目開挖及支護(hù)施工技術(shù)提供經(jīng)驗，并在長大隧道施工中值得推廣和應(yīng)用。