高原隧道開挖支護施工技術

朱洪永

（中鐵十四局集團第一工程發展有限公司，山東日照 276800）

1 工程背景

引水隧道處于西藏山南區桑日縣內，海拔為3 700 m。地質圍巖繁復易碎，圍巖等級Ⅱ～Ⅴ級，空氣稀少，含氧量1/2～2/3，最大計劃挖掘寬20.3 m，最大高程22.15 m，最大挖掘切面413.28 m2，屬于超大切面。

導向洞裸露地表，即喜馬拉雅期黑云母花崗閃長巖，部分混合著黑云母角閃石，及閃長巖的帶狀巖脈。巖體遮蓋巨大厚度212 m。

2 施工特點

水利項目大切面隧洞作業特別繁復，積極測量、緊密支撐是關鍵所在；需要保持分段大小、強支撐、封閉早、進尺短、頻繁測量，對堆積物、破碎帶、淺埋部位、入口、黃土隧道等進行治理。將水利項目大切面隧道建設方法的證實、影響隧道的牢固和安全以及包含圍巖的全面性和圍巖強度。

3 隧道支護分類及作用

3.1 錨桿

錨桿的種類主要包含一般灰漿錨桿、空心注漿錨桿、自推進錨桿、水泥筒錨桿、預應力砼錨桿，錨桿末端有鋼墊板。錨桿的效果：①破損的巖石被懸浮并部分加強，并采用錨固在穩定的巖表上；②綜合梁和綜合拱把層狀地層銜接在一起，構成綜合梁和拱應力系統。錨桿一定要和巖層牢固粘連，錨桿末端墊板需牢固安裝。

3.2 鋼架

因圍巖破碎時，穩定性差，為保證支撐作業中和作業后圍巖的穩定，早期支撐利用鋼架進行支撐，鋼架安裝時要保證鋼架和圍巖緊密聯結，鋼架和圍巖間的縫隙采取楔形預制砼構件進行穩固。

3.3 噴射混凝土

混凝土薄厚及強度，依據圍巖地質狀態和隧道挖掘切面決定，密封圍巖是重要作用，且降低挖掘后風化度，保持巖層自身穩定[1]。

3.4 超前支護

掌子面圍巖容易破碎，隧道挖掘后圍巖很難保證自穩，利用掌子面前面高級支撐的方式，如高級小導管、高級錨桿、高級管棚等。

4 導流洞挖掘支撐施工方法

此工程導向洞洞室由上中下層組成，頂拱穩固是保證洞室穩固的重要因素，不同的圍巖利用不同的挖掘支撐方式。

4.1 四臺階法施工

圍巖等級在Ⅳ和Ⅴ級時，整體性較差，共同開發地點，采取把上部進行兩次挖掘的四階梯法實行作業。上部首次挖掘高程是8.5 m，中層高程是8.6 m，下層高程2 m。上部入洞挖掘前，沿著挖掘剖面304.8 cm的范圍，在圓周上應建造一圈長度為6.0 m、圓周間距為50 cm的28個小高級螺栓。首次挖掘結束后實時進行體系的支撐，上部挖掘和洞內挖掘貫穿后，再采取中下部的作業；中部利用左右半幅挖掘，兩邊保留防御層；最底層采取左右半幅挖掘。

4.2 左右半洞開挖

圍巖等級為Ⅹ級時屬于較差地域，必須采取左右半洞作業，此種方式實行隧道掌子面高級支撐及上部左邊半洞挖掘及噴錨支撐，實行右側挖掘及支撐，最后實行中下部挖掘支撐；中部采取左右半幅挖掘，兩邊保留防御層；底部采取左右半幅挖掘。此方法能夠縮短早期挖掘的拱部跨度，在地質條件允許且洞室跨度較小的情況下，宜采用此方法進行洞室挖掘。

4.3 中導洞挖掘

側壁圍巖較差時，采取中導洞挖掘。隧道掌子面高級支撐（中導洞高級灌漿小導管作業）、中導洞挖掘、中導洞體系噴錨支撐、左右側擴挖掘、左右側體系支撐。有助于縮短早期挖掘拱部跨度，降低圍巖扭曲對圍巖晃動較小，適用于圍巖狀況對側墻無益的隧道挖掘。

4.4 全斷面挖掘

全斷面挖掘適合條件較好的圍巖，圍巖是二類及三類時，隧道掌子面沒有斷面層，聯合開發跨度小于18 m的隧道。必須在隧道掌子面做好高級支撐后實行一次挖掘和體系支撐，中部利用左右半幅挖掘，兩邊保留防御層，底部也采取此辦法。

4.5 單側壁導坑開挖

根據新奧法基礎原理，進行單側壁導洞法施工，挖掘導洞時，盡可能降低對圍巖的干擾，導洞截面類似橢圓形，周圍邊框圓潤，防止應力聚集。早期支撐采取網架、掛網、灑射砼柔軟支撐系統，實時施工，促使切面早早合攏，以足夠采用圍巖的承壓能力，限制圍巖扭曲。

單邊壁導洞挖掘工藝如圖1所示。

圖1 單側壁導坑開挖工藝流程

（1）單側壁導洞施工。

測量并布置導向孔，測量并設置導向孔中心軸和輪廓；先導隧洞切孔、輔助孔、周邊孔布置；打孔、裝藥、爆炸；通風、風險消除、結渣；導流洞臨時支撐；以同樣方式實行下一個循環，直到先導隧道被穿透或主隧道以一定的間隔被提前挖掘。

（2）主洞擴挖。

撤除一個循環的導流洞暫且支撐、主洞周邊線勘測布置、主洞周圍孔、輔助孔布置、打孔、裝藥、爆炸、通風、消除風險、出碴、主洞支撐、以同樣方式進行下一循環，直到和主洞貫穿。

（3）單側壁導洞工藝存在問題。

必須支撐系統的施工；導向孔和前衛主洞相對距離；出碴效率受導向洞斷面大小的影響；主洞余下圍巖挖掘時，抵抗線不勻稱，爆炸邊緣線難掌控；作業時間受條件限制。

4.6 改進型上導洞開挖施工方法

（1）施工工序。

①開挖先導隧道。

在主隧道中部下部，采用YT28手搖風鉆鉆爆小先導隧道，占地面積約10 m2，開挖周期進尺1次，大概2～3 m（根據圍巖爆破情況進行調節）。開挖周期進尺1次，先導隧道面積小，不需要出碴和支撐。主孔挖掘增設一個臨時空面；小導洞布設以主洞中心線對稱，導向孔被鉆開并爆炸時，周圍孔孔距離，嚴謹掌控藥量，主孔提供了更均勻的電阻線，節省了導向洞支撐材料及時間。

②主孔伸展挖掘。

主孔伸展挖掘確定位置，關鍵是主孔邊緣線測量設置，周圍孔和輔佐孔布置。打孔平臺無須鉆孔小車，節省鉆孔臺車成本、就位消耗時間，提升施工功效。

③主隧道伸展挖掘爆破。

依次從孔的中心向外圍孔方向開始，毫秒導爆雷管段，依次為1#、3#、5#（或2#、4#、6#），需要重視嚴謹掌控周圍孔的間距和藥劑量。增設開放面、相應勻稱的抵抗線，使得主隧道的邊緣線更容易掌控，處理了難以掌控的多挖和少挖的施工毛病。

④出碴。

主孔切面可以發揮機器效率，防止小導洞切面小，機械效率不能完全發揮，產生施工滯后問題。

⑤主孔支撐。

平行輸送和縱向輸送采取機械化，減小人工勞動強度。

（2）施工效果。

本設計高效處理了大斷面主洞圍巖碎裂，過度挖和欠挖難以掌控，對比單側壁導洞法，節省了導坑支撐材料，也節省了40%的作業時間，提升了工程效率，縮短工期。

5 邊頂拱塌腔支護系統

將高原地段的含水巖層中挖掘超大斷面隧道時，隧道斷面大，隧道周圍圍巖較繁復，巖石裂縫被水侵蝕，挖掘結束后，側頂拱時會產生坍塌，造成塌腔。洞體實行前期支撐時，如果將塌腔采取以往錨桿、鋼筋網片及噴射砼早期支撐，支撐不穩固，易出現噴射砼整部坍塌的問題。既定施工現場采取高原地段超大斷面隧道，側頂拱塌腔支撐體系，高效處理塌腔支撐問題，獲得良好的施工成效。

邊頂拱塌腔支護系統結構如圖2所示。

圖2 邊頂拱塌腔支護系統結構

將前期支撐的主拱上，針對塌方的巖壁采取先噴砼進行密封的措施，支撐提前施加壓力的錨桿，完成副拱支撐，支撐后塌方頂端噴射砼，使塌腔與拱頂構成一個穩固的支護系統。控制塌腔前，必須先將側墻實行錨栓支撐，增強側墻巖體的支撐效果。

（1）挖掘超大切面隧道洞身，產生大切面挖掘洞身表面，大切面洞室的拱頂產生拱頂垮洞時，將初始支撐砼噴在拱頂垮洞圍巖表面，封閉圍巖表皮。

（2）在拱頂塌腔外邊的挖掘洞室表面的側墻處，建立錨索支護系統，在拱頂塌方的頂端，施作錨桿支護系統。

（3）在超大切面隧道洞室中，裝配主拱支護系統，在主拱支護系統的頂端裝配副拱支護架，讓副拱支護架的頂部緊貼拱頂塌腔的巖壁。

（4）噴射支護砼層，將主副拱進行密封，實現主副拱和巖壁緊密結合，產生一個支護團體。

6 結語

結合某引水隧洞工程，介紹不同圍巖類型的不同開挖支撐方法，提出改善型上隧道挖掘作業方式，高效完成大斷面導洞圍巖破碎高原地區超大斷面側頂拱塌方支撐體系。對側墻實行錨索支撐后，在早期支撐主拱上封閉塌方體的巖壁，采取錨桿實行支撐，構建副拱支護，支護后的塌方頂端噴射砼，使塌腔和拱頂產生一個穩定的支護系統，處理了高原地區，特大斷面隧道的挖掘支撐困難，擁有既定現場施工簡單、材料投放少、支撐穩固及節約工期的成效。