軟弱圍巖小西庫隧道工程的開挖及支護(hù)施工工藝

韓 飚

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500）

0 引言

軟弱圍巖的特點為具有較強(qiáng)的易變性，膠結(jié)性較差，孔隙率非常大。在隧道施工時，要科學(xué)選擇工程技術(shù)方法來加固軟弱圍巖。在挖掘隧道時，加固軟弱圍巖后，隧道上部土石結(jié)構(gòu)的重力不會給四周巖體造成影響，使得隧道的安全性和穩(wěn)定性得到保證。在軟弱圍巖工程項目特點的影響下，應(yīng)結(jié)合隧道工程項目的具體情況開展支護(hù)和挖掘施工任務(wù)，出臺具有較強(qiáng)實用性的技術(shù)方案，以確保隧道工程項目施工取得良好的效果。

1 工程簡介

1.1 工程概述

本文以北京市密云區(qū)小西庫隧道工程為例，該隧道左幅起訖里程為ZK12+990.000～ZK13+472.000，全長482 m，右幅起訖里程為YK12+988.184～YK13+480.000，全長491.816 m。其中ZK12 +990.000 ～ZK13 +105.000，ZK13 +460.000 ～ZK13 +472.000，YK12 +988.184 ～YK13 +025.000，YK13+465.000～YK13+480.000 段為明挖地段，該段圍巖為Ⅴ級淺埋地段，隧道小里程明洞ZK12+990.000 ～ZK13 +105.000，YK12 +988.184 ～YK13 +025.00 段開挖土石方約為56 250 m3，出口明洞ZK13 +460.000 ～K13 +472.000，YK13 +465.000 ～YK13+480.000 段開挖土石方約6 870 m3，見表1。

表1 小西庫隧道工程K12+988.184～K13+480.000 概況

1.2 施工控制要點

1）隧道進(jìn)洞前要做好洞頂及洞口防排水系統(tǒng)。防止地表水及施工用水下滲，影響結(jié)構(gòu)安全。

2）初期支護(hù)應(yīng)及時封閉成環(huán)，全斷面初期支護(hù)閉合時間宜控制在15 d 左右，有條件時應(yīng)盡量縮短閉合時間。

3）仰拱應(yīng)超前施作，仰拱距上臺階開挖工作面控制在35 m（規(guī)范要求為40 m），鋪設(shè)防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應(yīng)及時進(jìn)行。

4）二次襯砌距仰拱宜保持2 倍以上襯砌循環(huán)作業(yè)長度，但不得大于35 m。

5）在滿足作業(yè)空間和臺階穩(wěn)定的前提下，盡量縮短臺階長度，核心土長度應(yīng)控制在5 m，寬度宜為隧道開挖寬度的1/3。

6）隧道周邊部位應(yīng)預(yù)留30 cm 機(jī)械開挖，其余部位宜采用爆破開挖，必須采用弱爆破，不得超挖。施工時應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥量，減少對圍巖的擾動。

7）中、下臺階左、右側(cè)開挖應(yīng)錯開，嚴(yán)禁對開，左右側(cè)錯開距離宜為3 m。

2 開挖及支護(hù)施工應(yīng)遵循的原則

1）應(yīng)做好規(guī)劃方案，選取適宜施工的挖掘軟弱圍巖工藝，防止由于操作不規(guī)范而破壞圍巖的穩(wěn)定或降低圍巖強(qiáng)度。

2）應(yīng)在軟弱圍巖變形量可承受的范圍內(nèi)進(jìn)行挖掘作業(yè)，禁止超過承載值，防止造成嚴(yán)重變形。

3）工程項目部需要安裝測量監(jiān)控設(shè)備，在挖掘過程中隨時查驗項目進(jìn)展情況，如發(fā)生錯誤操作應(yīng)及時進(jìn)行修改[1]。

4）以爆破開挖為主，必要時輔以人工、機(jī)械開挖。

5）弧形導(dǎo)坑應(yīng)沿開挖輪廓線環(huán)向開挖，預(yù)留核心土，開挖后及時支護(hù)。

6）其他分部平行開挖，平行施作初期支護(hù)，各分部初期支護(hù)銜接緊密，及時封閉成環(huán)。

7）仰拱緊跟下臺階，及時閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系。

8）施工過程通過監(jiān)控量測，掌握圍巖和支護(hù)的變形情況，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，保證施工安全。

9）完善洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳基礎(chǔ)。

3 軟弱圍巖隧道開挖方法

3.1 全斷面開挖法

全斷面開挖法應(yīng)以設(shè)計輪廓為依據(jù)，使用一次性完成爆破成形施工任務(wù)的修建襯砌施工法。具體的適用范圍為：①Ⅰ級～Ⅳ級圍巖，Ⅳ級圍巖使用全斷面開挖法時，圍巖在全斷面開挖指導(dǎo)初期支護(hù)前的時間段里，圍巖的穩(wěn)定性需達(dá)標(biāo)；②擁有自制作業(yè)臺架、鉆孔臺車或高效機(jī)械設(shè)備的圍巖施工項目；③隧道長度和施工區(qū)段長度需滿足施工的標(biāo)準(zhǔn)，能夠使用大型機(jī)械設(shè)備開展施工任務(wù)[2]。

3.2 臺階法

在使用臺階法時，上半斷面應(yīng)最先挖掘施工，挖掘施工達(dá)到一定長度以后，對下半斷面繼續(xù)挖掘施工，上、下半斷面一起施工。依據(jù)臺階長度，劃分為超短臺階、短臺階和長臺階等形式。在實際施工的過程中，應(yīng)結(jié)合工程項目的具體情況選擇施工方法。使用臺階施工法的項目應(yīng)滿足以下條件：①對初期支護(hù)形成閉合斷面的時間進(jìn)行管理，圍巖性能越差，閉合時間就會越短；②上斷面施工使用的機(jī)械設(shè)備對施工場地的要求比較嚴(yán)苛。如果圍巖的條件較好，還應(yīng)充分考慮機(jī)械設(shè)備的使用性能，以顯著提升工程項目施工的經(jīng)濟(jì)性和實用性。

3.3 環(huán)形開挖留核心土法

1）環(huán)形開挖進(jìn)尺應(yīng)保持在1 m 以內(nèi)，核心土的面積應(yīng)為整個斷面面積的1/2。

2）開挖施工開始后，及時完成噴錨支護(hù)施工和鋼架支撐安裝施工，使用鋼筋將相鄰的鋼架連接起來，根據(jù)施工要求完成錨桿鎖腳施工。

3）如果圍巖的地質(zhì)條件較差，自穩(wěn)時間較短，在開挖施工前，需要完成超前支護(hù)施工。

4）下臺階和核心土開挖施工時，需要在上臺階施工完成后，且噴射的混凝土設(shè)計強(qiáng)度達(dá)到70%以上時，方可施工。

3.4 中隔壁法

中隔壁法簡稱CD 法，其在軟弱圍巖大跨度隧道施工中發(fā)揮著十分重要的作用。需先挖掘隧道一側(cè)，在中隔壁設(shè)置好后，再挖掘另一側(cè)隧道。中隔壁法的主要適用范圍為老黃土隧道（Ⅳ級圍巖）地段、雙線隧道Ⅳ級圍巖深埋硬質(zhì)巖地段。

3.5 交叉中隔壁法

在軟弱圍巖大跨隧道施工時，交叉中隔壁法（簡稱CRD 法）施工能夠取得最佳的效果，隧道一側(cè)挖掘施工結(jié)束后，接著完成中隔壁和橫隔壁施工任務(wù)，再對另一側(cè)隧道施工，完成橫隔板施工任務(wù)。如果使用短臺階法施工，掌子面的穩(wěn)定性很難得到保證，最好選擇使用分部尺寸小的交叉中隔壁法，從而使施工效果達(dá)到最佳[3]。

4 開挖法施工

4.1 超前地質(zhì)探測

地質(zhì)條件復(fù)雜地段：①地質(zhì)素描：每個循環(huán)進(jìn)尺2 m；②超前水平鉆5 孔，距離30 m～60 m，30 m一循環(huán)，搭接長度5 m；③超長炮眼17 孔，距離5 m，2 m 一循環(huán)；④地質(zhì)雷達(dá)（25 m 一循環(huán)，搭接5 m）；⑤TSP203，長度100 m，搭接長度10 m；⑥綜合分析超前地質(zhì)預(yù)報的巖溶、地層巖性等地質(zhì)條件信息，對地質(zhì)復(fù)雜程度分級和預(yù)報方案進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合建設(shè)單位的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成相應(yīng)手續(xù)的辦理工作。

地質(zhì)條件較復(fù)雜地段：①地質(zhì)素描：每個循環(huán)進(jìn)尺2 m；②超前水平鉆3 孔，距離30 m～60 m，30 m 一循環(huán)，搭接長度5 m；③超長炮眼12 孔，距離5 m，2 m 一循環(huán)；④地質(zhì)雷達(dá)（25 m 一循環(huán)，搭接5 m）；⑤TSP203，長度100 m，搭接長度10 m。

地質(zhì)條件中等復(fù)雜地段：①地質(zhì)素描：地質(zhì)條件一致的地段每隔30 m 開展一次地質(zhì)素描工作，地質(zhì)條件發(fā)生改變的地段，開展地質(zhì)素描的周期為一個循環(huán)；②超前水平鉆1 孔，距離30 m～60 m，30 m一循環(huán)，搭接長度5 m；③超長炮眼8 孔，距離5 m，2 m 一循環(huán)。

地質(zhì)條件簡單地段：①地質(zhì)素描：地質(zhì)條件一致的地段每隔50 m 開展一次地質(zhì)素描工作，地質(zhì)條件發(fā)生改變的地段，開展地質(zhì)素描的周期為一個循環(huán)；②超長炮眼3 孔～5 孔，距離5 m，2 m 一循環(huán)。

4.2 監(jiān)控量測

1）監(jiān)控量測分必測項目和選測項目兩類。使用新奧法修建的隧道屬于必測項目；結(jié)合圍巖性質(zhì)、隧道挖掘方式和隧道埋置深度確定的項目屬于選測項目。必測項目：洞內(nèi)外觀察、凈空收斂、拱頂下沉。淺埋地段地表沉降選測項目：圍巖壓力、錨桿軸力、孔隙水壓力、水量、縱向位移、明挖段邊坡位移、噴射混凝土內(nèi)力、鋼架內(nèi)力。

2）在確定凈空變形量測斷面間距時應(yīng)綜合分析圍巖級別和隧道埋置深度等信息，Ⅱ級圍巖50 m、Ⅲ級圍巖30 m、Ⅳ級圍巖10 m、Ⅴ級圍巖5 m。

3）凈空變形量測應(yīng)在每次開挖后盡快進(jìn)行，初讀數(shù)應(yīng)在開挖后12 h 內(nèi)讀取，不得超過24 h，而且在下一循環(huán)開挖前，必須完成初讀數(shù)。

4）隧道拱頂下沉和水平收斂速度保持在5 mm/d 不變時，掘進(jìn)施工停止，找到問題的具體原因，采取切實可行的措施解決問題。

4.3 上部弧形導(dǎo)坑開挖

拱部超前支護(hù)后施工，對上部弧形導(dǎo)坑使用環(huán)向挖掘的方式處理，將核心土預(yù)留好，核心土的長度要保持在5 m 左右。上臺階開挖：每循環(huán)進(jìn)尺Ⅴ級圍巖不應(yīng)大于1 榀鋼架間距，開挖后立即初噴3 cm～5 cm 混凝土。及時架設(shè)鋼架、錨網(wǎng)系統(tǒng)，在鋼架拱腳以上30 cm 高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°架設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。上、中、下臺階預(yù)留核心土開挖：各個臺階的開挖進(jìn)尺與循環(huán)進(jìn)尺相同。挖掘隧底：每個循環(huán)的開挖長度要保持在3 m 左右，開挖施工結(jié)束后，及時開展仰拱初期支護(hù)施工任務(wù)，一個開挖循環(huán)施工結(jié)束以后，及時完成仰拱施工任務(wù)，仰拱每次施工長度不得超過3 m，以滿足公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范的要求。

5 噴射混凝土支護(hù)

5.1 支護(hù)準(zhǔn)備工作

第一，清除作業(yè)面。為了確保支護(hù)作業(yè)安全平穩(wěn)地開展，需要對巖石面上出現(xiàn)松弛和破碎的地方使用清潔工具進(jìn)行清除。對軟弱圍巖隧道的施工，需創(chuàng)建一個適宜的作業(yè)環(huán)境，因在對軟弱圍巖進(jìn)行清除工作時，利用水壓沖刷出現(xiàn)破損的巖石時會產(chǎn)生圍巖吸水的情況，所以為了保證工程的質(zhì)量，必須對現(xiàn)有沖刷方式進(jìn)行調(diào)整，需要借助高壓吹風(fēng)機(jī)實現(xiàn)圍巖面的清潔。

第二，混凝土摻合料的選取與制作。由于所調(diào)制混凝土質(zhì)量關(guān)系到支護(hù)作業(yè)最終的質(zhì)量，所以在進(jìn)行配置混凝土的過程中，需遵循實驗室給出的水灰比來加入原料，確保水灰比為1.5∶1，如果水泥選擇P·O42.5 作為主要原料，則需要在調(diào)制期間加入適量的30 μm 超細(xì)水泥，還需添入一定量的添加劑，例如增強(qiáng)劑等，確保混凝土和巖石要嚴(yán)實吻合，將支護(hù)作用發(fā)揮到最大。除此之外，如果圍巖出現(xiàn)大面積的滲水，則需要及時布設(shè)排水管，確保將滲水全部引流至其他地方，避免由于滲漏問題而造成更大的損失[4]。

5.2 支護(hù)技術(shù)要點

在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時，選取螺旋移動的技術(shù)工藝，按長度劃分噴射作業(yè)面，其區(qū)域應(yīng)＜6.0 m，嚴(yán)格遵循“自下而上、逐次向上”的噴射方式，噴射設(shè)備與巖面距離為1.0 m 時效果最好。第一次的噴射厚度要通過噴射位置進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)根據(jù)工程實施方案開展作業(yè)，確保初噴和復(fù)噴的厚度都沒有超過可允許范圍的最大值，初噴厚度要限制在4 cm～6 cm，復(fù)噴厚度為6 cm 時，需等初噴終凝后再進(jìn)行復(fù)噴，防止因沒有終凝而減弱噴射效果。復(fù)噴的過程中，可利用噴壺將基面潤濕，復(fù)噴作業(yè)完畢后需要對此區(qū)域進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，養(yǎng)護(hù)作業(yè)要符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，保證養(yǎng)護(hù)時間＞10 d。

5.3 錨桿支護(hù)

利用錨桿支護(hù)法開展作業(yè)，需先進(jìn)行鉆孔。將適合本工程的鉆孔機(jī)架設(shè)到預(yù)定鉆孔位置，正確修改鉆機(jī)功率與鉆頭角度，保持鉆頭和隧道斷面呈90°，然后開始鉆孔。鉆孔完畢后，需檢查鉆孔的質(zhì)量，主要查看孔壁的完整度，鉆孔傾斜率、深度等是否達(dá)標(biāo)。如果存在質(zhì)量問題，則需要重新確定新孔，并進(jìn)行二次鉆孔；如果質(zhì)量合格，需將鉆孔周圍環(huán)境清理干凈。

按照本工程的實際情況，錨桿支護(hù)作業(yè)使用三種錨桿：水泥砂漿錨桿、中空注漿錨桿、藥包錨桿。其中水泥砂漿錨桿和中空注漿錨桿在支護(hù)作業(yè)時直接進(jìn)行安裝，難度較小。藥包錨桿支護(hù)應(yīng)根據(jù)操作程序進(jìn)行，進(jìn)行支護(hù)作業(yè)前，通過泡水的方式檢查藥包是否合格，禁止使用存在結(jié)塊問題的藥包。

6 結(jié)語

基于軟弱圍巖結(jié)構(gòu)的自身特點，在隧道工程中碰到該類地質(zhì)，需要專業(yè)人員仔細(xì)對地質(zhì)軟弱圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘測，在充分了解該巖土結(jié)構(gòu)、水文狀況的條件下，撰寫科學(xué)合理的開挖和支護(hù)計劃。除了對整個隧道的支護(hù)進(jìn)行規(guī)劃外，還應(yīng)該特別關(guān)注重點部位的開挖作業(yè)和支護(hù)施工。在這些部位加強(qiáng)施工質(zhì)量安全管理，可以盡可能地降低圍巖變形和坍塌事故發(fā)生的概率，從而確保隧道的穩(wěn)定性和安全性。在施工過程中，還需要統(tǒng)籌兼顧，以確保隧道的整體質(zhì)量得到提升。這就要求施工人員在施工過程中，應(yīng)始終關(guān)注圍巖的狀況，對施工過程中出現(xiàn)的問題及時進(jìn)行解決，以確保隧道的施工質(zhì)量得到有效控制，從而延長使用壽命。