雪山1號隧道洞口多年凍土冰積層施工技術(shù)

黃建秋

(中鐵五局集團第一有限責(zé)任公司 長沙 410000)

1 工程簡介

雪山1號隧道位于果洛州瑪沁縣下大武鄉(xiāng)，隧道穿越知亥代山，進口處位于知亥代埡口西北側(cè)山體斜坡坡腳處，出口位于知亥代埡口東南側(cè)斜坡坡腳。

隧址區(qū)地貌類型屬冰緣水流構(gòu)造侵蝕中高山地貌，山體呈西北—東南向展布，地形起伏較大。山體坡麓處主要為冰漬堆積物，自然坡面植被發(fā)育，向上植被逐漸減少，基巖出露，巖體較破碎，坡面多見寒凍碎屑流。隧道軸線通過路段地面標高4808.05～4401.83m，相對高差約為407m，最大埋深約346m。

高原空氣稀薄缺氧、氣壓低、日溫差變化大、降水量受海拔高程影響明顯、四季不分明，多年平均氣溫-4.0℃，極端最高氣溫25.7℃，極端最低氣溫-34.9℃，主要降水集中在6～9月份，占全年降水量80%以上。地下水不發(fā)育，巖裂隙水主要接受大氣降水及冰雪融水補給，在夏季及冰雪融化期間會產(chǎn)生大量滲流出水。冬季氣溫極低，鉆探揭示隧址區(qū)最大凍結(jié)深度為3.0m。

洞口段圍巖主要為冰磧積碎塊石，大小混雜，分選差，空隙填充角礫、砂及粉土，呈散體結(jié)構(gòu)，無粘結(jié)力，塊石間存在架空結(jié)構(gòu)。洞口段埋深較淺，穩(wěn)定性差，開挖后，初期支護不及時會產(chǎn)生洞頂?shù)魤K甚至塌方，側(cè)壁坍塌。

2 總體方案

隧道洞口進洞采用超前大管棚支護，具有超前支護距離較大，形成縱向鋼梁作用，可以有效的減小由于圍巖自重產(chǎn)生的壓力，穩(wěn)定隧道上方的圍巖，并通過預(yù)留注漿孔注漿加固，提高圍巖自身的穩(wěn)定性，形成一個拱形的加固圈，為下一步的隧道開挖掘進提供有效安全保障。

隧道洞身開挖和初期支護謹遵新奧法“少擾動，快加固，勤量測，早封閉”的原則，在三臺階七步開挖法的基礎(chǔ)上輔以預(yù)留核心土等措施，減小對圍巖的擾動，將隧道斷面分為上、中、下三個臺階減小臨空面，各工作面分別錯開呈流水線作業(yè)，及時封閉成環(huán)，有效控制圍巖變形，保證隧道結(jié)構(gòu)安全，當(dāng)發(fā)現(xiàn)圍巖變形不收斂或其他異常情況時及時采取加強措施。

開挖過程中還需結(jié)合圍巖情況采取超前長、短管棚注漿、超前小導(dǎo)管注漿、地表預(yù)注漿等輔助施工措施，注漿采用水泥漿或雙液漿，施工前應(yīng)進行注漿試驗。

3 超前大管棚

超前大管棚施工工藝流程見圖1：

超前大管棚的施工質(zhì)量直接影響隧道進洞施工的順利與安全，所以必須嚴格按照設(shè)計的施工工藝進行施工，以保證施工質(zhì)量，并考慮冰積層圍巖的情況，施工過程中特別注意以下幾點：

(1)對套拱的基礎(chǔ)進行了加大底面積和深度的處理，防止護拱出現(xiàn)沉降變形；

(2)套拱內(nèi)按設(shè)計要求安裝了三榀鋼拱架，嚴格控制安裝精度，用連接鋼筋連接牢固后將導(dǎo)向管焊接在鋼拱架上，導(dǎo)向管縱向與線路方向一致，外插角為0°～3°，兩端與端模抵緊并采取措施使其牢牢固定，堵住管口，防止混凝土入內(nèi)，導(dǎo)向管與鋼拱架之間如有縫隙用鋼板墊實；

(3)在套拱往洞內(nèi)方向的鋼拱架上預(yù)留連接鋼筋，隧道進洞后將套拱與初期支護連接成整體，能有效減小初期支護變形；

(4)冰雪堆積層圍巖軟弱破碎，管棚間距較小，為避免注漿時發(fā)生串孔造成相鄰孔堵塞，原則上成一孔就注漿，同時可以讓漿液在松散的巖層中進行擴散填充，將破碎的巖層固結(jié)，有利于相鄰孔在鉆孔時減少掉塊，避免發(fā)生卡鉆或掉鉆、掉釬現(xiàn)象，有利于加快施工進度；

(5)鉆孔采取分區(qū)間隔施工，先鉆孔施工奇數(shù)孔位管棚，待注漿完成后再施工偶數(shù)孔位管棚，以便檢查奇數(shù)孔位注漿效果，若出現(xiàn)卡鉆、塌孔時應(yīng)進行注漿加固后再鉆。

圖1 洞口大管棚施工工藝流程圖

4 洞身開挖及支護

雪山1號隧道洞口冰雪堆積層圍巖(如圖2和3所示)給隧道洞身開挖及初支帶來很大難度，大小混雜，呈松散結(jié)構(gòu)，無粘結(jié)力，常常有大塊石阻隔在隧道開挖輪廓線上，如發(fā)生較大擾動，塊石間的角礫、砂、粉性土就發(fā)生失穩(wěn)滑落，最終造成坍塌。

圖2 雪山1號隧道右線洞口大管棚 圖3 雪山1號隧道右線洞口冰雪堆積層圍巖情況

4.1 施工方法

隧道開挖施工采用三臺階七步開挖法，本著先護后挖、短進尺、弱爆破的原則，減少對圍巖的擾動，確保開挖和初期支護工作安全、順利的進行。

三臺階七步開挖法施工應(yīng)符合以下要求：

(1)以機械開挖為主，必要時輔以弱爆破；

(2)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；

(3)其他分步平行開挖，平行施做初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環(huán)；

(4)仰拱緊跟下臺階，及時閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護體系；

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

(6)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)。

施工工藝流程如圖4。

圖4 三臺階七步開挖法施工工藝流程

4.2 施工控制要點

(1)做好超前支護

隧道開挖支護施工過程中主要的困難就是圍巖松散無粘結(jié)力、穩(wěn)定性差，開挖過程中不斷滑落、掉塊等，形成超挖、空洞，甚至發(fā)生塌方，要解決這一問題就要做好超前小導(dǎo)管，在工作面初噴完成且鋼拱架架立完成后，以鋼拱架為支點打設(shè)超前小導(dǎo)管，尾端與鋼拱架焊接以增加穩(wěn)定性，然后注漿加固圍巖，注漿采用水泥漿液，水灰比1∶1，注漿壓力為0.5～1.0MPa，開挖后拱部基本無滲漏水、無坍塌。

(2)控制好上臺階核心土大小

預(yù)留核心土可使隧道斷面圍巖處于3向應(yīng)力狀態(tài)，使隧道結(jié)構(gòu)受力更加均勻合理，能有效降低工作面圍巖的松弛范圍，顯著提高隧道工作面的穩(wěn)定和安全性能，但不宜太大，留出適當(dāng)空間方便工人開挖和初期支護施工。

(3)控制好上、中、下臺階長度

三臺階七步開挖法有各個工作面互不影響，呈流水化作業(yè)的優(yōu)點，如圖6所示，將中臺階和下臺階的左右側(cè)分別錯開，所有工作面同時掘進，但必須控制好各臺階長度，上臺階太長不利于挖機扒碴，太短不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且影響上臺階施工人員操作空間，中、下臺階太長不利于出碴和初期支護及早封閉成環(huán)，太短影響隧道穩(wěn)定，以上臺階長5m，中、下臺階各6m長為宜，中、下臺階左右側(cè)錯開2～3m。

(4)控制開挖進尺

根據(jù)圍巖地質(zhì)情況合理確定循環(huán)進尺，上臺階每次開挖長度不得超過2榀鋼拱架間距。

(5)早封閉

施工過程中做好工序銜接，各工序安排應(yīng)當(dāng)緊湊，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn)，初期支護應(yīng)及時封閉成環(huán)，全斷面初期支護閉合時間宜控制在6d左右，有條件時應(yīng)盡量縮短閉合時間。仰拱緊跟，距上臺階開挖工作面控制在35m左右，鋪設(shè)防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應(yīng)及時進行。

(6)勤量測

加強監(jiān)控量測工作，根據(jù)量測結(jié)果，及時調(diào)整支護參數(shù)和預(yù)留變形量，確定二次襯砌施做時間，進行信息化施工管理。

4.3 初期支護變形較大時的應(yīng)對措施

新奧法旨在利用圍巖自身的穩(wěn)定性，應(yīng)用“先柔后剛，以柔克剛”的理念，即開挖后首先進行柔性支護，釋放地應(yīng)力，允許圍巖有一定量的變形，待穩(wěn)定后再施工剛性的二次襯砌。在軟弱破碎圍巖隧道初期支護施工中，往往出現(xiàn)初期支護變形過大，侵入隧道凈空的情況，結(jié)合雪山1號隧道冰雪堆積層施工總結(jié)出以下幾點：

(1)提高圍巖自身“承載能力”

采用環(huán)向注漿、超前預(yù)注漿等措施加固圍巖，填充圍巖中的張裂隙、孔隙等軟弱部位，封閉隧道周邊滲流水孔道，使圍巖形成良好的圓形護圈，減小局部應(yīng)力集中。

(2)采用合適的支護參數(shù)

初期支護采用錨噴和型鋼雙層支護結(jié)構(gòu)，如遇變形較大時應(yīng)及時對支護參數(shù)進行加強。

(3)鋼拱架安裝規(guī)范

嚴格控制鋼拱架安裝精度，并用縱向連接鋼筋連接，形成整體受力結(jié)構(gòu)，各工作面鋼拱架安裝完成后，在拱腳位置斜下30°呈外八字打設(shè)兩根鎖腳導(dǎo)管，將鋼拱架牢牢固定在圍巖上；鋼拱架應(yīng)架設(shè)在堅實基面上，嚴禁拱腳懸空或采用虛渣回填，在圍巖軟弱并初期支護發(fā)生較大變形時，可在鋼拱架下面墊設(shè)槽鋼。

圖5 三臺階七步開挖法施工步驟圖 圖6 隧道鋼拱架大變形原因分析圖

(4)選擇合理預(yù)留變形量

根據(jù)隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，選擇合適的初期支護預(yù)留變形量，一方面可以預(yù)防圍巖及初期支護變形后侵入二襯凈空，另一方面適當(dāng)?shù)念A(yù)留變形量可釋放圍巖應(yīng)力，有效減小二次襯砌結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力。

(5)確保初期支護有良好的受力結(jié)構(gòu)

隧道初期支護設(shè)計上基本都是采用圓形受力結(jié)構(gòu)，使初期支護各部位能夠均勻受力，隧道初期支護發(fā)生較大變形往往是其受力結(jié)構(gòu)受到破壞，以三臺階七步開挖法上中臺階施工為例，上臺階鋼拱架安裝好到中臺階施工至該部位這段時間內(nèi)，鋼拱架受圍巖應(yīng)力影響拱腳發(fā)生收斂變形(如圖7所示)，中臺階鋼拱架再與變形后的上臺階鋼拱架連接好后，就會在上下臺階鋼拱架連接板位置產(chǎn)生非常大的集中應(yīng)力，鋼拱架不能形成圓形均勻受力，最后致使惡性循環(huán)，發(fā)生大變形侵入隧道凈空。

為杜絕這一現(xiàn)象，在鋼拱架加工及安裝前就應(yīng)充分考慮到其在施工過程中受圍巖應(yīng)力影響的收斂變形，利用監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，得出前后工序間隔時間段內(nèi)鋼拱架發(fā)生的變形，在鋼拱架加工及安裝時就預(yù)先放大，這樣就能確保鋼拱架始終有良好的受力結(jié)構(gòu)，減小初期支護變形。

5 結(jié)論

(1)在軟弱破碎圍巖中進行隧道施工，必須謹遵“先護后挖、短進尺、弱爆破”的原則，利用超前管棚注漿、超前小導(dǎo)管注漿等措施先加固圍巖，然后用機械輔以人工開挖，必要時配合弱爆破，控制開挖進尺，緊抓工序銜接，及時封閉成環(huán)。

(2)隧道施工必須時刻做好監(jiān)控量測工作，用以指導(dǎo)隧道施工中的預(yù)留變形量、及時調(diào)整支護參數(shù)及類型、發(fā)現(xiàn)隧道施工中出現(xiàn)的問題等。

(3)軟弱破碎圍巖中如有較大變形應(yīng)力，鋼拱架作為初期支護的主要構(gòu)成部分，采用打設(shè)長鎖腳、基底鋪設(shè)槽鋼等方法減小變形，并使其始終保持良好的受力結(jié)構(gòu)，才能減小隧道初期支護變形，確保隧道施工安全和工程質(zhì)量。