劉家隧道軟弱圍巖段開挖施工處治技術

歐 健

(中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫 214000)

隨著交通建設的快速發展，隧道的修建越來越多。隧道開挖施工因受復雜地質條件的影響,一直是交通建設中的重點和難點問題，而隧道軟弱圍巖段開挖又是隧道施工的關鍵。因此，對隧道軟弱圍巖段開挖施工問題開展研究，為解決軟弱圍巖隧道開挖施工提供經驗和技術借鑒，具有重要的工程價值和社會價值。劉家隧道軟弱圍巖段存在局部軟弱夾層、斜向層疊、圍巖極度軟弱、巖體均質性極差、產狀紊亂等問題，嚴重影響其隧道開挖施工，因此，對其軟弱圍巖段開挖施工處治進行研究是十分必要的。

1 工程概況

劉家隧道全長2505m，起訖里程為K140+300～K142+805，埋深大。隧道地表沖溝發育，但地下水發育不明顯，干旱季節隧道內滲水很少。隧道穿越地層主要是夾千枚巖灰巖、夾灰巖千枚巖。隧道圍巖設計分布情況為：K140+300～+380 段是V類圍巖；K140+380～+ K141+640段是產狀接近直立的夾灰巖千枚巖，存在明顯片理與發育的節理；K141+640～+920段是V類圍巖斷層帶，斷層是扭曲嚴重的擠壓千枚巖，存在斷層角礫及碎裂灰質；K141+920～K142+805段是Ⅱ類圍巖，巖體是夾千枚巖灰巖，產狀接近直立，灰巖風化嚴重，存在明顯層理，中間厚，逐漸遞減成薄層狀。隧道開挖后發現，從K141+376開始，圍巖出現突變，為IV～V圍巖，長850 m，為斷層角礫及千枚巖夾泥鈣質薄層，存在嚴重扭曲褶皺，節理發育，云母含量高，巖層擠壓面明顯，破碎嚴重，結合差，難以自穩。隧道設計為復合式二次襯砌，由于斷層帶內結構紊亂，圍巖自穩能力極差，局部地段二次襯砌加厚。初期支護為：IV類圍巖采用錨網噴，噴10 cm厚混凝土；V類圍巖采用超前小導管預注漿加固，設錨桿鋼筋網與1榀/m I16工字鋼，噴15 cm厚混凝土。

2 軟弱圍巖對隧道開挖施工的不利因素

2.1 隧道存在局部軟弱夾層

隧道開挖施工中發現，在隧道開挖方向存在連續貫通的軟弱破碎帶，開挖施工時局部單側出現嚴重滑坍塌，使得隧道初期支護受力不均，拱腳出現坍方，局部出現壓裂，大大增加了施工處治難度。

2.2 隧道軟弱圍巖段存在斜向層疊圍巖

隧道開挖施工中發現，隧道軟弱圍巖段存在斜向層疊圍巖，采用臺階法處理時，上臺階的拱部開挖時，會發生順層滑塌，塌方超出拱頂2～3 m，造成開挖面拱部出現斜面，給拱部開挖與鋼支架架立帶來很大的困難；下臺階的邊墻開挖時，由于巖體節理被切割會順節理面發生滑坍，造成開挖面出現斜面，給邊墻開挖與鋼支架架立帶來很大的困難。

2.3 隧道存在極度軟弱圍巖

隧道開挖施工中發現，隧道軟弱圍巖段存在遇水易軟化、手捏可成粉狀、有滑膩感、節理面光滑、薄層狀、灰黑色的泥鈣質千枚巖，造成初期支護受到軟弱圍巖松散體產生的巨大壓力、不均勻巖質造成的不均勻受力，使得間距較大的初期支護鋼支撐出現彎折、內移，造成初期支護侵限。此外，因邊墻為10 m高的曲墻，高度大，在拱腳、邊墻部位均會有不同程度的變形產生。

2.4 隧道軟弱圍巖段巖體均質性極差，產狀紊亂

開挖隧道時，開挖輪廓切割圍巖褶曲節理及軟弱部分，順交滑節理面，局部巖體出現滑坍；隧道沿開挖方向，局部破碎灰巖堆積，千枚巖夾灰巖斜向層疊，千枚巖分層富集，較好巖體分布極不規則，犬牙狀交錯，造成隧道開挖時軟弱圍巖局部滑坍，形成大坑，嚴重影響隧道初期支護施工。

3 隧道軟弱圍巖段開挖施工處治方法

(1)開挖。根據隧道軟弱圍巖情況，開挖施工采用拱部、邊墻分開開挖的正臺階法。臺階長度控制在3～5 m，上、下臺階每茬炮掘進深度1.5～2 m。拱部開挖采用斜眼掏槽，弱爆破施工，四周炮孔盡量少裝藥，采取間隔裝藥的方式。邊墻開挖采取梯形起爆、單層打眼的方法。炸藥采用Φ22 mm藥卷。開挖鑿眼采用 YT28 風鉆，采取光面爆破，盡量避免對圍巖擾動，盡快開挖，盡快封閉[1]。

(2)支護。軟弱地層采用小導管預注漿法超前加固，導管為Φ25 mm鋼管，管壁梅花型開孔，開孔孔徑為8 mm，間距為15 cm。注漿孔深為4～5 m，擴散半徑為2 m，間隔距離為0.4 m。漿液為早強型高標號水泥砂漿，配合比為水∶砂∶水泥=3∶1∶1。水為檢測合格的河水，水泥采用425號普通硅酸鹽水泥，并加入3%～5%的CaCl2高效速凝劑。注漿壓力控制在0.6～0.9 MPa范圍內，注漿應嚴格按注漿規范要求操作，并通過采取注漿巖芯進行抗壓強度試驗的結果對最終注漿質量進行控制，保證注漿效果達到規定要求。待穩固地層12 h后，再進行開挖作業。開挖完工后，先濕噴5 cm厚混凝土，再出碴。出完碴后，架立型鋼鋼架、施工鋼筋網、錨桿，濕噴混凝土至初期支護規定厚度。

(3)出碴。隧道拱部上臺階開挖出碴采用人工進行，用手推車配合。隧道邊墻下臺階開挖出碴采用拔碴機。隧道碴土采用5 t自卸汽車運輸至棄碴場。為提高運輸效率，隧道內每隔300 m處加寬開挖作會車用。

(4)襯砌。采用小塊拼裝式“2015”鋼模板先墻后拱法施工，緊跟施作仰拱，以盡早封閉成環，形成受力結構。襯砌混凝土采用后傾式拖拉機和2.5 t農用汽車運輸。

(5)通風。距離掌子面30 m設50 kW通風機1臺，洞口設“88-1”55 kW通風機1臺，采用混合式通風，洞口為壓入式通風，掌子面為吸出式通風。

(6)加強隧道施工監測。為控制隧道軟弱圍巖段施工安全，對隧道軟弱圍巖段加強施工監測。隧道開挖并完成錨桿打設后，進行監控點布設和測量[2]。隧道每個監測斷面布設5個監控點，分別為拱頂、起拱線上1.2 m兩側、起拱線下1.25 m位置兩側。施工中監測發現，該隧道軟弱圍巖段拱頂監測收斂值一般為60～80 mm，起拱線上收斂值一般為100～130 mm，起拱線上收斂值一般為100～140 mm，局部弱圍巖段長時間不能達到穩定，對初期支護采取進一步加強處理后才趨于穩定。隧道軟弱圍巖段開挖施工中通過加強圍巖監測，保證了軟弱圍巖段隧道支護的穩定，避免了坍方的發生。

(7)隧道初期支護破壞處治。對于隧道軟弱圍巖段的初期支護出現的鋼支撐變形、局部開裂、拱腳內移侵限等問題，采取的處治方法為：①用強度、變形性能更好的型鋼支架代替格柵鋼架，并在拱腳位置用鋼筋補強；②根據開挖圍巖實際情況對型鋼支架進行加密，間距由1 m調整為0.5 m或0.75 m；③嚴格控制好型鋼支架、鋼支撐及其排間的連接和焊接質量；④在拱腳橫向增加對口支撐和鎖腳錨桿。

(8)開挖面光面效果差。該隧道軟弱圍巖較差的巖體，順光滑節理面局部滑坍，產生大坑；較好巖體因均勻性差，產狀紊亂，造成隧道開挖后，出現極不規則的犬牙交錯，使得開挖面光面效果差。施工中采取的處治方法為：①隧道開挖完成后馬上進行噴射砼施工，封閉圍巖，保證軟弱巖體穩定，不出現掉塊、落碴，再在出碴時，繼續進行初期支護的噴射砼施工；②施工完成鋼支撐、錨桿后，對較少超挖的地段按設計厚度噴混凝土，超挖較大地段回填漿砌片石后按設計厚度噴混凝土[3]。

(9)軟弱圍巖段順層滑坍處治。該隧道軟弱圍巖段存在斜向層疊圍巖，拱部上臺階開挖后會發生順層滑塌，塌方超出拱頂2～3 m，造成開挖面拱部出現斜面。下臺階的邊墻開挖時，由于巖體節理被切割，順節理面發生滑坍，造成開挖面出現斜面，在隧道出碴時，會造成拱部初期支護出現變形，拱腳支護懸空。針對這一問題采取的處理措施為：①采用超前加強小導管預注漿對地層進行加固；②對拱頂出現的坍方，采用短工字鋼架設棚架，防止塌方進一步擴大；③初期支護的噴射砼厚度加厚，保證支護結構穩定；④拱腳位置根據實際情況設置1～2榀橫撐梁，同時橫向用鋼橫撐梁支撐，縱向用工字鋼托梁支撐[4-5]；⑤在隧道出碴前，對拱腳巖體、邊墻坍塌處進行噴射砼處理，以保證其穩定，并在出碴過程中繼續噴；⑥對出現坍塌的鋼架，重新設置隧道拱部的錨桿、鋼筋網和鋼支架。對超挖嚴重的部位回填漿砌片石后，再次噴射混凝土，以保證其初期支護的整體性。

(10)支護侵限處理。因斷層帶圍巖自穩性差，隧道局部出現支護侵限高達0.3 m。施工采取先對圍巖進行壓漿加固，再對侵限支護鑿除后，重新施作支護與襯砌。

(11)二次襯砌開裂處理。K141+620～+626邊墻出現受壓型開裂，多發生在直墻襯砌地段。K141+340～+346邊墻下沉，主要原因是基底未處理好。處理措施為：①對在襯砌開裂裂縫兩邊布設間距0.7～1.4 m梅花形錨桿，錨桿可以采用普通錨桿或邁式錨桿，對裂縫進行開槽處理后加設墊板；②對裂縫位置采用壓漿進行加固，壓漿液配合比為水泥∶砂=1∶2(體積比)，水灰比1∶2；③在裂縫位置鑿槽后嵌補環氧砂漿；④對個別侵限部位作表面鑿除。

4 結語

(1)對于隧道軟弱圍巖段，超前施工仰拱或鋪底，可以有效加強初期支護，減少開裂，改善洞內運輸條件，使襯砌盡早封閉成環。

(2)隧道軟弱圍巖段開挖施工時，應充分考慮軟弱圍巖對開挖施工造成影響的不利因素，針對這些不利因素，提出有針對性的處理措施；并在開挖施工中，采取有效的施工監測措施，以保證軟弱圍巖段開挖施工安全與質量。

(3)該隧道軟弱圍巖和病害整治工程經過達半年之久的觀測，混凝土表面無重新開裂現象；軟弱圍巖和病害整治施工期間，除上導坑局部發生小坍方外，未發生安全事故，表明采用的施工方法是可行的，可在類似工程中推廣應用。