不良地質條件下隧道洞身開挖施工關鍵技術

韓叢

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司，廣州 510800）

1 引言

隧道建設期間可能遇到各類不良地質條件，隧道圍巖的穩(wěn)定性難以得到保障，輕則拖慢工期，重則誘發(fā)質量問題乃至安全事故。為順利推進隧道工程的建設進程，需從現場不良地質條件出發(fā)，采取適宜的施工技術，因此，圍繞關鍵施工技術進行探討具有必要性。

2 工程概況

玉磨鐵路南聯山隧道位于西雙版納—飛龍區(qū)間，設計時速160 km/h，隧道進口接路基，出口接飛龍車站，車站布置進入隧道693 m。除出口段693 m 為雙線隧道外，其余段為單線隧道。隧道進口里程DK368+800，出口里程DK378+650，全長9 850 m。隧道最大埋深250 m。隧址區(qū)地層巖性以圍巖、輝長巖、閃長巖為主，隧道穿越山體為低緩丘陵，進出口端均分布軟巖。隧道支護采用復合式襯砌結構，集錨噴支護和模筑混凝土于一體。

3 病害描述

工程資料顯示，隧道左洞上臺階開挖至DK369+280.2，仰拱開挖至DK369+267 時，斷面的初期支護變形量異常增加，斷面拱頂下沉速度由1～3 mm/d 迅速增加至5～10 mm/d，且DK369+267～DK369+280 初期支護結構存在多條寬度為1～10 mm 的環(huán)向裂縫，結構完整性受到影響，下臺階右側拱腰有一條寬5 mm 的縱向裂縫。支護結構表現出變形、開裂等問題，支護效果變差，存在質量隱患和安全隱患。

4 病害成因分析及臨時處治措施

4.1 病害成因分析

初期支護變形、開裂是多因素共同作用的結果，主要原因有以下3 點。

1）隧址區(qū)的巖質較軟，隧道開挖后，周邊圍巖應力增加并向內釋放，出現塑性變形。隧道開挖采取的是2 臺階弧形導坑預留核心土法，上臺階鋼支撐在下臺階開挖時呈懸空的狀態(tài)，初支和圍巖均有大幅度的變形。臺階較長，難以在短時間內完成仰拱的施工作業(yè)，受此影響，未快速將支護系統(tǒng)閉合成環(huán)，部分結構所承受的荷載超出其許可范圍，出現破壞性變形。

2）隧道進口段存在軟巖，且地形有較大的起伏。拱頂圍巖屬軟質巖，開挖后拱周有明顯的塑性變形，圍巖的狀態(tài)由穩(wěn)定轉變?yōu)樗蓜樱a生變形壓力并作用于初期支護，不利于初支的穩(wěn)定性。洞身深埋側主動土壓力作用較強，受此類力的作用，鋼支撐向淺埋側移動。初期支護在淺埋偏壓的特殊條件下需承受較強的應力，力的不良影響作用于深埋側拱腰噴射混凝土，導致此部分結構因應力作用而被壓裂[1]。

3）初期支護變形、開裂病害出現時正值雨季，地表水下滲現象持續(xù)發(fā)生且具有較大的下滲量，上覆松散層孔隙水增加，水的侵蝕作用迫使拱頂圍巖軟化，圍巖自承性能降低。

4.2 病害的臨時處治措施

在發(fā)現病害后，隨即增加監(jiān)控斷面，并加大量測頻率，以便及時掌握最新的病害信息，主動防控；聯合采取增設臨時仰拱、補噴混凝土等方法，用于加強初期支護、穩(wěn)固圍巖。

對掌子面噴混凝土封閉；對裂縫部位噴射混凝土，厚度約為3 cm；針對DK369+267～DK369+280.2 段病害較為嚴重的情況，在此段上、下臺階處設I20a 工字鋼鋼架，形成臨時仰拱，連接至上臺階拱腰和下臺階拱腳，具體如圖1 所示。

圖1 病害臨時處治示意圖

針對下臺階DK369+267～DK369+274.2 段內、外側拱腰做加強處理，采用的是打設小導管并注漿的方法，取長度為3.5 m的φ45 mm×4 mm 注漿小導管，按照0.6 m 的間距在內外側拱腰打設2 排小導管，拌制水泥-水玻璃雙液漿，以0.2～0.5 MPa的壓力進行不少于10 min 的注漿處理，加固初期支護結構[2]。

5 洞內施工關鍵技術

5.1 開挖工法的選擇

經過病害的臨時處治后，病害發(fā)生段圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài)，在此基礎上優(yōu)化開挖方法，保證后續(xù)施工的有效進行。開挖工法的選擇屬于首要任務，現階段淺埋隧道的開挖方法包含三臺階七步法、中隔壁法、雙側壁導坑法等，具體根據現場施工條件和工程要求而定。在本工程中，隧道施工現場的地質條件較差，開挖范圍內分布大量的軟巖，在兼顧施工安全性、質量可靠性、工期、造價、最新開挖工法與原開挖工法的銜接等因素后，以上、下臺階法進行剩余部分的開挖，如圖2 所示。

圖2 上、下臺階法施工步序圖

隧道開挖須在必要的超前支護完成后進行。上、下臺階法主要施工步驟為：（1）開挖上臺階1；（2）拱部初期支護Ⅰ；（3）左右交錯開挖下臺階（2、3）；（4）下臺階邊墻初期支護Ⅱ。

上臺階長度10～15 m，高度不大于5 cm，并根據圍巖情況靈活調整，開挖循環(huán)進尺控制在1～2 榀鋼拱架的距離。初期支護緊跟開挖面，嚴格控制裝藥量。

臺階法施工要點如下。

1）臺階不宜多分層，上下臺階之間的距離盡可能滿足機具正常作業(yè)，并減少翻渣工作量；當頂部圍巖破碎，需支護緊跟時，可適當延長臺階長度。

2）施工時應先護后挖，宜采用超前錨桿或超前小鋼管輔助施工措施。開挖應盡量采用微震光面爆破技術。

3）初期支護應緊跟開挖面；上臺階施工時，鋼架底腳宜設鎖腳錨桿和縱向槽鋼托梁以利下臺階開挖安全。下臺階在上臺階噴射混凝土強度達到設計強度的70%后開挖。

4）隧道兩側的溝槽及鋪底部分應和下臺階一次開挖成型。

5）臺階分界線不得超過起拱線，上臺階長度不得大于30 m，下臺階落底長度不大于2 榀鋼拱架的長度，應一次落底，并盡快封閉成環(huán)。

6）臺階長度不宜過長，應盡快安排仰拱封閉成環(huán)，改善初期支護受力條件。

7）嚴格控制每循環(huán)進尺在2.0 m 以內，盡量減少對圍巖的擾動；開挖成形后應及時進行初期支護，確保工序銜接，當地層變差時，應隨時噴射早強混凝土封閉工作面；施工過程中對圍巖及支護結構進行位移及應力量測，以便監(jiān)控穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 開挖進尺及順序

1）開挖進尺過小，開挖效率低，臨時支護工程量增加，材料、人力等方面的成本攀升；開挖進尺過大，難以保證拱頂覆土的穩(wěn)定性，嚴重時發(fā)生塌方事故。因此，根據適中的原則控制開挖進尺，具體以埋深、圍巖等級、工期等為參考予以確定，兼顧安全、開挖效率多項要求。開挖前，采取超前支護措施，為開挖創(chuàng)設良好的條件；開挖后，初噴3～5 cm 混凝土，設錨桿、鋼筋網片，搭建鋼拱架，復噴混凝土。

2）合理的開挖順序是保障開挖安全、提高效率的重要前提。在本隧道工程中，首先開挖的是淺埋側導坑，原因在于先對此部位進行開挖時可維持結構受力的穩(wěn)定性以及減小圍巖變形。因此，先開挖左洞隧道淺埋側導坑，同時此部分與右洞錯開距離需達到隧道跨徑的2 倍或適當增加，經計算以30 m左右較為合適，經過淺埋側導坑的開挖后，再進行其他部位的開挖[3]。

5.3 支護結構設計

為使隧道淺埋軟巖段圍巖維持穩(wěn)定以及確保隧道建成結構的安全可靠性，綜合考慮量測分析結果和類似地質條件下的隧道施工經驗，經技術可行性分析后擬采用加固初期支護和加強超前支護等措施。對原施工方案進行參數優(yōu)化，預留變形量由12 cm 增加至18 cm，超前支護注漿小導管、中空注漿錨桿的長度分別由4.0 m 增至4.5 m、4.0 m 增至4.5 m，每隔1榀布置1 環(huán)超前小導管，相較于原設計方案而言具有加密的變化；鎖腳錨桿不再采用每榀8 根φ22 mm 藥卷錨桿的布置方法，取而代之的是每榀設12 根長度均為4.5 m 的φ45 mm的鎖腳錨管；鋼筋網片為雙層，以加強應用效果；其他作業(yè)方式及具體參數保持原設計不變。

5.4 其他措施

為全面保障不良地質條件下隧道的開挖安全以及提高開挖質量，還采取如下措施。

1）加強對施工工序的協調，現場開挖后隨即以噴射混凝土的方法封閉掌子面，縮短掌子面暴露至環(huán)境中的時間?；炷凉探Y后，限制圍巖變形、提升掌子面的穩(wěn)定性，保障施工安全，以便工程后續(xù)施工活動的順利進行。

2）對圍巖預加固，以提高圍巖的自承性能，方法為布設超前注漿小導管并進行注漿，隨著漿液的固結，圍巖得到加固處理；與此同時，注漿過程中漿液發(fā)生流動，具有封堵地表水下滲路徑的效果，以免圍巖由于水的侵蝕而發(fā)生軟化，在此方式下，較好地規(guī)避塌方、冒頂等事故。

3）為及時掌握現場施工情況，適當增加監(jiān)控斷面的數量，提高監(jiān)控量測的頻率，斷面布設間距取5～10 m，具體可視實際情況適當加密。對于可能出現大變形的部位，要求每斷面設11個測點，布設測點后加強觀測，開挖后的1 個月內以每日2 次的頻率進行觀測，根據觀測數據縱向分析圍巖的變化趨勢，判斷穩(wěn)定的穩(wěn)定狀態(tài)，一方面針對當前圍巖采取加強防護措施，另一方面優(yōu)化后續(xù)的施工方法，保證施工的有效性。

4）病害發(fā)生部位普遍分布地表水或地下水，同時圍巖裂隙發(fā)育，為水的流動提供了通道，水到達襯砌結構時對其產生侵蝕作用，隨著時間的延長，隧道有不同程度的滲水現象，結構的穩(wěn)定性下降。為保障隧道的安全和穩(wěn)定，需采取防排水措施。例如，初期支護面有嚴重的滲水現象時，在此部位埋設φ2 cm 的透水軟管，用于將支護面的滲水引流至襯砌背后墻角外側排水管，避免支護面遭到水的侵蝕。

6 結語

綜上所述，隧道施工條件復雜，可能遇到淺埋、軟巖等不良地質，同時受到地下水、降雨等水文條件的影響，若施工方法不合理，易發(fā)生結構嚴重變形、塌方冒頂等問題，嚴重威脅施工人員的人身安全。本文結合具體工程實例，針對隧洞開挖過程中支護結構表現出變形、開裂等問題，采取增加監(jiān)控斷面，并加大量測頻率，以便及時掌握最新的病害信息，主動防控；聯合采取增設臨時仰拱、補噴混凝土等方法，以加強初期支護、穩(wěn)固圍巖，最終在安全的環(huán)境中順利完成隧道開挖作業(yè)，提高隧道工程的施工質量。