淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工技術(shù)研究

張玉濤

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

我國(guó)交通事業(yè)發(fā)展可謂日新月異，隧道數(shù)量不斷增多，但在實(shí)際的隧道建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常可能遇到不良地質(zhì)，如偏壓淺埋和軟弱圍巖等。為保證處于不良地質(zhì)段中的隧道施工得以安全和順利進(jìn)行，有必要結(jié)合隧道實(shí)際情況，深入探討其施工技術(shù)。

1 工程概況

某隧道工程雙向全長(zhǎng)約4.752 km，左、右幅全長(zhǎng)分別為2.352 km和2.355 km，在整個(gè)線路中為長(zhǎng)度最大的隧道。但該隧道處在復(fù)雜程度較高的軟弱圍巖段，且開(kāi)挖斷面很大，施工難度高，對(duì)施工技術(shù)提出了極高的要求，需針對(duì)實(shí)際情況，制定合理可行的施工技術(shù)。

2 施工技術(shù)

2.1 圍巖量測(cè)

對(duì)隧道圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)作業(yè)的目的為：

(1)基于圍巖動(dòng)態(tài)狀況，為之后的綜合評(píng)價(jià)分析提供可靠依據(jù)；

(2)確定具體的支護(hù)形式與各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，包括支護(hù)施作的時(shí)間等；

(3)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系將其受力情況做深入調(diào)查，由此得出應(yīng)力分布狀態(tài)；

(4)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系是否安全與合理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

實(shí)際施工中，通過(guò)對(duì)圍巖周邊收斂及拱頂下沉等的分析，發(fā)現(xiàn)部分地段由于變形產(chǎn)生的裂縫等具體問(wèn)題，然后通過(guò)對(duì)支護(hù)技術(shù)參數(shù)的適當(dāng)修改，包括加固支護(hù)和施作臨時(shí)仰拱來(lái)防止安全事故或質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生[1]。

2.2 支護(hù)施工

(1)輔助施工措施

該隧道利用直徑為42 mm的導(dǎo)管進(jìn)行超前注漿加固，共布置兩層。導(dǎo)管的長(zhǎng)度在4.5～5.0 m范圍內(nèi)，按照0.4 m的環(huán)向間隔距離布置。

(2)初期支護(hù)

初期支護(hù)是偏壓隧道施工主要環(huán)節(jié)之一，支護(hù)必須與隧道開(kāi)挖緊密銜接，即每完成0.8 m的開(kāi)挖，即做相同長(zhǎng)度的支護(hù)，且支護(hù)要達(dá)到相關(guān)要求，以免侵占至二襯斷面。在對(duì)上導(dǎo)坑做開(kāi)挖處理的進(jìn)程中，宜先布置小導(dǎo)管，再予以超前注漿處理，然后通過(guò)鋼格柵的設(shè)置及噴錨形成完整的支護(hù)體系。鋼格柵主要以螺紋鋼管為原料加工制成，完成安裝后，用拉結(jié)筋連起來(lái)，使格柵成為完整支護(hù)體系。將螺紋鋼筋作為錨桿，單節(jié)長(zhǎng)度為3 m，按照0.8 m的縱向間隔距離和1.0 m的環(huán)向間隔距離布置。鋼筋網(wǎng)片的間隔距離為橫、縱向20 cm，設(shè)置完成后立即噴射一層厚度為20 cm的C20混凝土，將整個(gè)鋼格柵包住，但要注意鋼格柵之間的凹陷部位也要進(jìn)行掛網(wǎng)，然后予以分層噴射。支護(hù)施工中，應(yīng)適當(dāng)增加噴射厚度，促使鋼格柵與其它支護(hù)結(jié)構(gòu)形成完整體，促使聯(lián)合支護(hù)體系最大限度發(fā)揮自身作用[2]。

(3)其它控制措施

除以上支護(hù)措施外，該隧道施工中還需采用如下其它控制措施。

①對(duì)爆破施工中的用藥量予以嚴(yán)格控制，以免給隧道圍巖造成太大的擾動(dòng)。

②盡可能早的封閉所有暴露的圍巖，在洞身開(kāi)挖完成后將洞頂存在的危石及時(shí)清除，并通過(guò)混凝土噴射加強(qiáng)支護(hù)，噴射厚度需達(dá)到4 cm，然后進(jìn)行拱架的設(shè)置、錨桿打入和掛網(wǎng)再次噴射混凝土。

③在沉降相對(duì)較大的部位通過(guò)設(shè)置臨時(shí)性的仰拱來(lái)控制沉降，也可采用設(shè)置套拱的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

④為預(yù)防下部開(kāi)挖進(jìn)程中出現(xiàn)拱部崩塌現(xiàn)象，要在上部支撐的拱腳向縱向設(shè)置托梁(采用槽鋼加工而成)，并借助鎖腳錨桿來(lái)鎖定[3]。

⑤下部開(kāi)挖結(jié)束后，按照10 m的間距對(duì)仰拱進(jìn)行混凝土澆筑。

2.3 地表水處理

根據(jù)隧道施工進(jìn)度情況，將上臺(tái)階開(kāi)挖到與淺埋段相距30 m的位置后，對(duì)淺埋段地表存在的積水進(jìn)行處理，具體的處理方法為。

(1)以設(shè)計(jì)圖為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體狀況，測(cè)量淺埋段地表的橫縱斷面，以此確定該段隧道具體埋深，為方案的編制提供參考依據(jù)。

(2)在隧道邊坡和仰坡的外圍進(jìn)行排水溝的修筑，使地表水進(jìn)入到槽后集中排出。排水溝主要利用漿砌片石進(jìn)行砌筑，其寬度和深度都應(yīng)達(dá)到60 cm。當(dāng)有自然沖溝存在時(shí)，還需設(shè)置深度與寬度均為30 cm的輔助排水溝。

2.4 深孔注漿

隧道開(kāi)挖作業(yè)以前，為預(yù)防地下水給開(kāi)挖帶來(lái)太大影響，還應(yīng)組織進(jìn)行地下水的處理。該隧道工程所用處理方法為深孔注漿，該方法可以細(xì)分成兩種，即深孔充填注漿與深孔劈裂注漿[4]。

(1)注漿前準(zhǔn)備工作

對(duì)隧道工程地質(zhì)、鉆孔排渣、鉆孔推進(jìn)時(shí)受到的壓力、鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的出水量等進(jìn)行分析，以此確定前方地質(zhì)構(gòu)造和巖性，并明確水源的具體位置與水量，然后結(jié)合分析成果，確定適宜的注漿材料[5]。

(2)注漿參數(shù)確定

漿液的擴(kuò)散半徑需達(dá)到1～2 m，單、雙液漿的凝膠時(shí)間分別應(yīng)達(dá)到2～8 h和0.5～3 min，注漿速度按照10～110 L/min控制，注漿完成時(shí)的壓力應(yīng)達(dá)到2～4 MPa，具體注漿量采用以下公式計(jì)算確定

Q=πR2hnα(1+β)

(1)

式中:Q為單個(gè)注漿孔單個(gè)段落的注漿量，單位：m3；R為漿液擴(kuò)散半徑，單位：m；h為注漿分段長(zhǎng)度，單位：m；n為地層空隙率或裂隙度，對(duì)于裂隙帶，一般取2%～5%，對(duì)于斷層破碎帶，一般取10%～20%，對(duì)于砂層與充填型溶洞及巖溶發(fā)育帶，一般取30%～40%；α為地層空隙(裂隙)的充填率，一般取70%～80%；β為漿液損失率，對(duì)于裂隙帶與斷層破碎帶，一般取5%-20%，對(duì)于砂巖與充填型溶洞及巖溶發(fā)育帶，一般取10%～20%。

(3)設(shè)置止?jié){墻

由于開(kāi)挖面的圍巖相對(duì)軟弱，如果注漿壓力很高，則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖面產(chǎn)生垮塌，影響注漿效果及施工安全，因此必須做好止?jié){墻的設(shè)置。

(4)鉆孔

鉆孔借助液壓鑿巖車(chē)、地質(zhì)鉆機(jī)及錨桿鉆機(jī)進(jìn)行，將孔口管作為鉆孔導(dǎo)向管，注漿設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)注漿段的長(zhǎng)度及具體的加固范圍進(jìn)行。

(5)注漿

注漿按照從上到下和從外到內(nèi)的順序間隔跳孔進(jìn)行，先在孔口管處設(shè)置注漿混合器實(shí)施洗孔試壓，然后將孔眼中的鉆渣清除干凈，使注漿通道保持順暢，之后連續(xù)注水2～3 min的時(shí)間，使圍巖的孔隙達(dá)到順暢。對(duì)于處在軟弱和斷層帶中的隧道圍巖，優(yōu)先考慮使用純水泥漿進(jìn)行注漿，在注入一定數(shù)量或壓力達(dá)到一定狀態(tài)后，開(kāi)始注入雙液漿。如果在注入純水泥漿的過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重泄漏，則要更改注漿順序，即先注入雙液漿，然后再進(jìn)行純水泥漿的注入。注漿施工中，可通過(guò)對(duì)注漿材料及注漿參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整來(lái)保證最終的注漿質(zhì)量。

2.5 開(kāi)挖施工

待超前支護(hù)注入的水泥漿實(shí)際強(qiáng)度不低于85%之后，方可開(kāi)始開(kāi)挖施工。因該工程存在一定特殊性，所以設(shè)計(jì)決定在環(huán)形開(kāi)挖的同時(shí)進(jìn)行預(yù)留核心土，先按上臺(tái)階輪廓線進(jìn)行開(kāi)挖，在循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到0.5 m后進(jìn)行錨噴支護(hù)，在噴射的混凝土實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到要求后，再對(duì)核心土進(jìn)行開(kāi)挖。對(duì)外輪廓進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，由人工使用風(fēng)鎬進(jìn)行，若在部分段落遇到堅(jiān)硬的巖石，可通過(guò)弱爆破使其預(yù)裂，再采用人工開(kāi)挖。核心土的開(kāi)挖可借助挖掘機(jī)進(jìn)行，若在部分段落遇到堅(jiān)硬的巖石，也可通過(guò)弱爆破使其預(yù)裂，然后再用挖掘機(jī)繼續(xù)開(kāi)挖。

2.6 洞口段施工

為確保安全進(jìn)洞，需采用套拱。當(dāng)進(jìn)出口處的地質(zhì)條件相對(duì)較好時(shí)，需在做好邊仰坡的清理的同時(shí)，通過(guò)掛網(wǎng)和混凝土噴射予以封閉，并在拱部設(shè)置超前錨桿。對(duì)于處在地下水和地表水相對(duì)發(fā)育地段的洞口，需通過(guò)超前小導(dǎo)管的設(shè)置來(lái)加固圍巖，以此從根本上保證施工安全。

2.7 正洞施工

在IV和V類(lèi)圍巖段進(jìn)行施工時(shí)，需嚴(yán)格遵循短進(jìn)尺、少爆破、快支護(hù)、勤量測(cè)、緊襯砌和早成環(huán)的原則，盡可能縮短臺(tái)階的長(zhǎng)度，并在人工開(kāi)挖基礎(chǔ)上輔以機(jī)具配合。結(jié)合圍巖實(shí)際情況，通過(guò)超前錨桿支護(hù)保證圍巖穩(wěn)定性。如果開(kāi)挖時(shí)遇到覆蓋層厚度較小且處于松散狀態(tài)容易發(fā)生破碎的圍巖，則還要借助導(dǎo)管進(jìn)行超前注漿來(lái)加固。在III類(lèi)圍巖段進(jìn)行施工時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)臺(tái)階長(zhǎng)度予以適當(dāng)加長(zhǎng)。

3 隧道施工安全保證技術(shù)

3.1 一般安全技術(shù)

(1)所有工作人員都要在進(jìn)洞之前按照要求戴好安全帽與其它各類(lèi)防護(hù)用品，并遵章守紀(jì)，嚴(yán)格聽(tīng)從現(xiàn)場(chǎng)指揮人員的指揮；此外還要加強(qiáng)安全保衛(wèi)工作，嚴(yán)禁任何閑雜人等進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)。

(2)進(jìn)洞之前做好登記，并積極接受現(xiàn)場(chǎng)值班人員的檢查，由班組長(zhǎng)進(jìn)行點(diǎn)名，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行掛牌制度。

(3)在施工過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)存在險(xiǎn)情，應(yīng)立即由專(zhuān)職安全員和工班長(zhǎng)在有險(xiǎn)情的地方設(shè)置標(biāo)志，并指派專(zhuān)人看守，同時(shí)向領(lǐng)導(dǎo)人員報(bào)告，及時(shí)采取有效處理措施。如果險(xiǎn)情較為嚴(yán)重，還應(yīng)組織人員撤離到安全地點(diǎn)。

(4)在洞口或其它適當(dāng)?shù)膱?chǎng)所布設(shè)應(yīng)急救援材料倉(cāng)庫(kù)，將救援工作所需各類(lèi)物料準(zhǔn)確齊全，包括防火物資、防水物資、支撐材料與各類(lèi)工具等，所準(zhǔn)備的物資質(zhì)量應(yīng)合格，不可擅自挪動(dòng)，并在使用完成后立即補(bǔ)充。

(5)在隧道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，尤其是淺埋段必須指派專(zhuān)人實(shí)時(shí)觀測(cè)地面產(chǎn)生的變化，以保證施工安全。

3.2 土石方施工安全保證措施

(1)在洞口段進(jìn)行土石方開(kāi)挖施工時(shí)，應(yīng)密切留意坡面是否穩(wěn)定，在每次開(kāi)工前和完工后，都要檢查坡面、坡頂及其周?chē)?，?dāng)發(fā)現(xiàn)裂隙或塌方等情況時(shí)，應(yīng)立即停工并加以處理。

(2)開(kāi)挖施工務(wù)必嚴(yán)格按照從上到下的順序進(jìn)行，避免由于開(kāi)挖不當(dāng)導(dǎo)致坍塌。

(3)在洞口段進(jìn)行土石方施工的過(guò)程中，應(yīng)做好截排水，隨時(shí)進(jìn)行檢查，確保開(kāi)挖區(qū)的排水系統(tǒng)能夠保持通暢，同時(shí)和既有的水系良好連通。

(4)在巖石較為破碎且土質(zhì)松軟的部分進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，注意開(kāi)挖面不可過(guò)大，也不可能長(zhǎng)時(shí)間暴露，及時(shí)做好防護(hù)處理，以免發(fā)生坍塌傷人事故。

(5)施工中加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)組織與指揮，確保道路保持通暢，避免發(fā)生機(jī)械設(shè)備碰撞事故。

3.3 開(kāi)挖施工安全保證措施

考慮到該隧道所處地段的地質(zhì)條件復(fù)雜且特殊，存在很多不安全因素，故施工中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，編制完善的工程預(yù)案，并提前采取有效措施，保證施工安全。

(1)當(dāng)在濕陷性黃土段進(jìn)行錨桿鉆孔施工時(shí)建議采用干鉆的方法，同時(shí)加強(qiáng)施工過(guò)程中的用水管理。對(duì)施工用水予以嚴(yán)格控制，不可亂排亂放。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，采取其它技術(shù)措施保證工程質(zhì)量。

(2)按照超前物探、預(yù)先支護(hù)、縮短開(kāi)挖、快速噴錨、勤加量測(cè)和盡早襯砌的基本原則進(jìn)行施工，編制合理可行的開(kāi)挖方案。

(3)在超前鉆孔基礎(chǔ)上輔以地質(zhì)雷達(dá)或地質(zhì)素描等方法開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，以準(zhǔn)確探明前方地質(zhì)情況，然后結(jié)合探測(cè)結(jié)果制定有效的技術(shù)措施。

(4)在淺埋段進(jìn)行開(kāi)挖施工前應(yīng)采用超前小導(dǎo)管注漿等方法進(jìn)行可靠支護(hù)，其施工工藝流程如圖1所示，并在施工中切實(shí)遵循弱爆破、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉和勤量測(cè)的基本原則，保證施工質(zhì)量與安全都能達(dá)到要求。

圖1 超前小導(dǎo)管施工工藝流程

(5)施工中加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測(cè)，在要求的監(jiān)控量測(cè)頻率基礎(chǔ)上適當(dāng)加密，以掌握圍巖的動(dòng)態(tài)。噴錨支護(hù)施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，嚴(yán)格控制圍巖自身變形量，避免坍塌。施工中指派專(zhuān)人負(fù)責(zé)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全警戒，防止突發(fā)事件產(chǎn)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，淺埋偏壓軟弱圍巖隧道數(shù)量不斷增多，且規(guī)模也在不斷增大，使此類(lèi)隧道施工有了更高的要求。目前，該淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工已經(jīng)順利完成，不僅過(guò)程順序，而且安全穩(wěn)定，質(zhì)量合格，說(shuō)明以上施工技術(shù)合理可行，值得類(lèi)似隧道工程參考借鑒。