公路隧道項目掘進強風化破碎帶的施工技術分析

陳 鵬

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

隧道開挖后圍巖成拱作用降低，穿越破碎帶施工易引發隧道圍巖塌陷和結構變形，導致隧道失穩，故穿越隧道破碎帶施工成為項目施工的關鍵難點。強風化破碎帶、斷層破碎帶常見于隧道開挖施工中，該文基于某公路隧道項目施工實例，對隧道穿越強風化破碎帶的施工技術應用進行了分析。

1 工程概況

某公路隧道項目全程4.3 km，最大埋深262 m。項目位于山嶺重丘區域，沿線穿越泥質灰巖、灰巖、白云灰巖，巖體伴不同程度裂隙。該項目隧道圍巖為強風化泥質灰巖向泥質灰巖過渡階段，巖體含泥量豐富，發育有不同程度的裂隙，易破碎程度高。隧道開挖至ZK8+348段現場監測結果顯示，斷面拱頂沉降值為89 mm，接近100 mm 的預留空間，結合現場施工情況和地質特點，經施工、設計、監理、承建等不同單位現場勘測后，確定該區域泥質灰巖達到了強風化水平，且該區域裂隙發育，認定其為泥質灰巖強風化破碎帶。基于現場勘測結果，原項目初期施工方案與支護參數不達標，不符合現場施工開挖需求，需對施工方案與支護參數加以調整以滿足施工穿越強風化泥質灰巖破碎帶的需求。

2 施工及支護方案確定

2.1 施工方案

目標施工段巖層裂隙明顯發育。施工段位于強風化泥質灰巖破碎帶，隧道開挖后基巖結構穩定性受損，區域內地下水發育。調整后的施工方案與支護參數在滿足隧道項目施工安全的基礎上，還應精簡工序，提高施工便捷程度，從而合理控制項目成本支出。現場勘測結果顯示隧道開挖跨度為12.86 m，開挖高度達10.3 m，目標區域裂隙發育顯著，強風化泥質灰巖結構伴豐富地下水層，基于項目實地情況分析不同施工方案可行性，最終確定三臺階法施工。結合三臺階法施工方案，臺階長度確定為4~6 m，針對初期支護結構完成封閉并及時設置系統錨桿支撐與鋼架支護，滿足系統支撐強度需求，同時以C25 混凝土噴射使其厚度符合設計標準[1]。

2.2 支護方案

（1）超前支護。強風化泥質灰巖破碎帶圍巖結構不穩定，隧道開挖過程中圍巖壓力迅速增加，為提高施工安全性可于施工開挖前于開挖圍巖前方，以超前小導管注漿加固。小導管型號為長4 m 壁厚4 mm 的直徑42 mm 無縫鋼管，間距為25 cm，控制外散角10~13°，并將其均勻布設于供頂部[2]。

（2）初期支護。以厚度為26 cm 的C25 型噴層混凝土完成封閉型初期支護，控制網格尺寸為20 cm×20 cm，型鋼拱架選I20b 型，控制間距60 cm，采用梅花形布設中空系統錨桿，其長度為4 m。為加強支護，將預留變形量增加至12 cm，相比于原設計方案，初期支護沿開挖輪廓完成封閉，改善初期支護強度同時提高整體承載力，確保支護結構變形能力符合施工需求[3]。

（3）二次襯砌。以C30 型鋼筋混凝土完成防水襯砌，襯砌厚度為50 cm。

3 隧道施工效果數值模擬

采用FLAC 分析軟件完成三維數值建模，評估改善支護參數之后應用三臺階法施工的安全性，對方案調整前后施工情況進行對比分析。

3.1 數值計算模型

巖體材料有顆粒性，假定圍巖初期支護材料性質相同且顆粒性質一致以便于后續研究與計算，假定超前支護加固和圍巖支護中應用的巖體材料均為理想彈塑性材料，即目標材料滿足摩爾捧侖屈服準則。計算中，將鋼拱架提供的間接支護作用考慮在內并忽略可能存在的鋼筋網為彈性材料提供的支撐力[4]。

將超前注漿小導管對掌子面圍巖的加固作用認定為均勻加固區，并借助相關力學指標來分析其作用。隧道支護系統錨桿借助Cable 單元模擬，并借助FLAc 實體單元模型進行圍巖和初期支護環節的模擬，借助模型來進行模擬不同操作單元。

3.2 模擬施工過程

為提高數值運算的準確性，數值模擬需與施工實際情況相吻合，以三臺階法進行初期支護并于開挖完畢后實施本部支護施工。根據模擬計算，臺階長度為4.2 m，保持施工環節開挖面與仰拱閉合間距小于24 m，初期支護仰拱的施工長度約3.6 m。初期支護中需對計算步進行開挖以模擬隧道開挖過程中地應力的釋放過程。以新奧法為基礎，隧道開挖過程中的主要承載結構為初期支護，施工環節二次襯砌需于隧道穩定后施工，模型計算中并未將該部分內容考慮在內[5-6]。

3.3 計算參數

基于施工場地地質勘測結果，準確評估物理力學指標以確定施工參數，結合以往施工經驗調整拱部圍巖注漿標準，參數情況如表1 所示。

表1 模型計算參數

3.4 計算結果分析

將施工中模型中斷面作為研究對象，分析隧道施工過程中的圍巖變形特點及支護受力結構情況，結合數據結果對三臺階法施工情況進行評估，判斷項目施工可行性與安全性。

（1）隧道變形。以隧道施工數值計算模型的結果對隧道變形性進行評估，結合數據分析可知，影響隧道拱頂沉降的因素眾多，項目最終沉降值為30.8 m，上中下臺階的最大收斂值隨其收斂水平增大而增加，確定其最大值為40.1 m。

（2）初支結構主應力。支護初期，噴混凝土強度值與剛度值均小于鋼拱架提供的水平，早期圍巖結構壓力多集中在鋼拱架，故支護結構的最大應力值為2.76 MPa，遠遠大于C25 噴混凝土的抗拉強度值2.0 MPa，但由于鋼拱架承擔了大多數壓力，故噴混凝土層實際有較高的安全性。最大初期支護壓應力水平為11.4 MPa，小于最大抗壓極限值，故該項目初期支護方案的安全性突出。

（3）錨桿應力。以數值計算模型為基礎，結合應力云圖模擬斷面臺階錨桿應力水平，可知兩側錨桿中部應力值最大，可能與其水平收斂位移較大有關，該處最大拉應力水平為235.6 MPa，未達到錨桿的抗拉屈服最大強度值。

4 施工關鍵技術

4.1 超前支護施工

采用密排超前注漿小導管加固的方案控制掌子面地層位移，從而改善圍巖結構的穩定性。于超前注漿小導管設計位置用潛孔鉆機在鋼架腹板割孔，孔徑約80 mm，鉆孔完畢后迅速將小導管插入并注漿。導管設計位置前端多于10 cm 處設計為圓錐狀以便于小導管順利置入鉆孔內，同時在鋼管尾部焊接直徑6 mm 的鋼筋箍。用快硬水泥封堵小導管孔口，封堵長度需大于15 cm 并借助跳孔方案完成紙漿，注意避免注漿環節相鄰孔口出現躥漿。注漿中需以地層吃漿量為基準對漿液水灰比進行適度調節，選擇合理的焊接方式將鋼管尾部焊接在鋼拱架。

4.2 隧道開挖及支護施工

以小導管注漿，凝固后完成三臺階法施工，借助小爆破、機械開挖完成開挖施工，并控制開挖進尺為0.6 m。完成各階開挖后將8 mm 直徑的鋼筋網掛設完畢并初噴混凝土5 cm 后安裝系統錨桿，保持間距1 m 利用直徑22 mm 的螺紋鋼將相鄰榀鋼架內外翼緣牢固焊接，保證鋼架空間結構穩定的同時，通過后續噴混凝土使其厚度達標。鋼架兩側底部配備注漿鎖腳錨管并于開挖支護施工完畢后進行封閉。

5 監控量測

5.1 測點布置

于ZK8+332 斷面分別設置鋼筋應力計和壓力盒，同時設置拱頂沉降觀測點對隧道支護結構的拱頂沉降狀態與支護結構受力狀況進行分析，詳見圖1 所示。

圖1 測點布置

5.2 圍巖壓力監測結果

圍巖壓力與時間變化曲線如圖2 所示。對圖2 分析可知，不同監測點的圍巖壓力水平初期增速較大，隨著工序進展，封閉支護后各個監測點的圍巖壓力值變化幅度降低，壓力水平逐漸趨于穩定。供頂部圍巖壓力水平較高，隨著圍巖壓應力場變化，后續安裝的監測點獲得數據顯示圍巖壓力水平較小，最終測量結果略小于公式計算值。

圖2 圍巖壓力隨時間變化曲線

5.3 鋼架外翼緣應力監測結果

鋼拱架外翼緣應力與時間的關系如圖3 所示。安裝初期，鋼拱架應力水平不斷增加且后期施工階段應力被釋放，支護封閉完成后，各監測點應力值不斷趨于穩定。分析不同監測點的應力水平可知，鋼拱架拱部應力水平最大，其最大水平為81 MPa。

圖3 鋼拱架翼緣應力隨時間變化曲線

5.4 拱頂沉降

斷面ZK8+332 拱頂沉降曲線如圖4 所示，上臺架開挖之后拱部沉降水平不斷加大，后續持續開挖進程中，拱頂沉降隨著施工進展不斷增大。支護封閉完畢后，鋼拱架拱頂處沉降水平不斷減小并穩定，檢測結果顯示其最終沉降值為35.4 mm，略高于模擬值水平。

圖4 隧道拱頂沉降曲線

分析隧道支護結構受力、變形情況，該研究所選施工方案及施工參數可行性高，隧道穿越強風化泥質灰巖破碎帶施工安全。

6 結論

綜上所述，該隧道項目穿越強風化泥質灰巖破碎帶施工實踐，存在部分圍巖坍塌和支護噴混凝土開裂現象，通過現場勘查對隧道施工方案進行了調整，最終確定了三臺階法施工。施工過程中通過加強超前加固及初期支護方案，具體措施為：

（1）強風化泥質灰巖破碎帶結構穩定性差，隧道開挖過程中圍巖壓力迅速增加，采用開挖面前方圍巖超前小導管注漿加固方案處置。

（2）應用26 cm 厚C25 噴混凝土層聯合封閉型初期支護方案，將預留變形量增加至12 cm。

（3）二次襯砌。以C30 型50 cm 厚鋼筋混凝土進行二次襯砌，相比于原支護方案，初期支護結構整體剛度水平與穩定性明顯提升，支護結構抵抗圍巖變形能力增強。