從施工實(shí)踐中總結(jié)軟巖隧道的施工工藝

吳 沖

神華新準(zhǔn)鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000

從施工實(shí)踐中總結(jié)軟巖隧道的施工工藝

吳 沖

神華新準(zhǔn)鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000

軟弱圍巖條件下隧道工程施工極易發(fā)生大變形及冒頂片幫等安全、質(zhì)量事故，結(jié)合軟巖隧道塌方事故處理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對軟弱圍巖條件下隧道工程施工通常所采用的施工工藝進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并以此提出了軟巖隧道工程施工必須遵循的基本施工原則與必須引入的先進(jìn)檢測技術(shù)。

軟巖隧道；施工工藝；檢測技術(shù)

1 工程概況

大準(zhǔn)鐵路南坪支線肖家沙墕隧道，是點(diǎn)岱溝至南坪工業(yè)廣場鐵路運(yùn)煤專用支線全線開通的關(guān)鍵控制工程，隧道進(jìn)口里程為DK8+520，出口里程為改DK9+765，全長1 245m。隧道進(jìn)口至DK8+528.11位于半徑為800m的曲線上，DK8+528.11至改DK9+039.80位于直線上，自改DK9+039.80至隧道出口位于半徑為800m的曲線上。隧道內(nèi)縱坡自隧道進(jìn)口至DK8+950為10.5‰的上坡，DK8+950至改DK9+750為7‰的上坡，改DK9+750至隧道出口為1‰的下坡。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

該隧道位于剝蝕低山區(qū)，地形起伏很大，山頂?shù)乇泶蟛糠直贋楦?，局部為荒地。隧道進(jìn)口地勢較緩，但進(jìn)口左側(cè)沖溝下切較深；出口地形較陡，線路左側(cè)有一陡洞，深約3m。隧道頂植被稀少，表覆第四系上更新統(tǒng)沖風(fēng)積層（）濕陷性新黃土，濕陷系數(shù)δs=0.015～0.070；洞身地層主要為二疊系上統(tǒng)（P2）泥巖及砂巖，節(jié)理發(fā)育，呈全風(fēng)化（W4）～弱風(fēng)化（W2），巖層產(chǎn)狀135°∠ 7°，其中泥巖屬膨脹巖；隧道進(jìn)出口洞頂?shù)貙訛樾曼S土夾粉細(xì)沙薄層。

本隧道地下水主要為基巖裂隙水，地下水水量不大，主要含水層為節(jié)理裂隙發(fā)育的砂巖風(fēng)化層，受大氣降水補(bǔ)給，對混凝土不具侵蝕性，滲透系數(shù)新黃土及砂巖為K=0.5，泥巖為K=0.001～0.005。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)（改DK9+010～590段）

隧道改DK9+010～590段，原設(shè)計(jì)為Ⅳ級圍巖，采用短臺階或超短臺階法施工，初期支護(hù)及二次襯砌為噴錨施工復(fù)合式襯砌（詳見圖1），參數(shù)見表1。

表1 Ⅳ級圍巖段支護(hù)參數(shù)

1.2.1 超前支護(hù)

隧道拱部140°范圍內(nèi)采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，小導(dǎo)管采用φ42熱軋鋼管，長3.5m。環(huán)向每米3根布置，縱向每2榀格柵打一環(huán)，施工外插角為10°～15°。注漿材料選用水泥漿，灰水重量比采用1:1，注漿壓力0.8MPa。

圖1 肖家沙墕隧道Ⅳ級圍巖復(fù)合式襯砌斷面圖（單位：cm）

1.2.2 初期支護(hù)

初期支護(hù)以噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架及錨桿組成，支護(hù)緊隨開挖并封閉成環(huán)。其中噴射混凝土采用碳塑加強(qiáng)筋纖維噴射混凝土新工藝，以提高噴射混凝土的質(zhì)量和增強(qiáng)抗裂性，并減少回彈量；鋼筋網(wǎng)拱墻設(shè)置，鋼筋直徑采用φ8，網(wǎng)格尺寸為25×25cm；Ⅳ級圍巖段格柵鋼架（詳見圖2）按局部設(shè)計(jì)，工程數(shù)量按2m/榀，實(shí)際施工時(shí)在需要設(shè)置的段落集中架設(shè)，間距按1.2m考慮，格柵縱向連接筋為φ22鋼筋，環(huán)向間距1.0m，單排布置；錨桿拱墻設(shè)置，在拱部120°范圍內(nèi)采用帶排氣管的新型CD組合式中空注漿錨桿，邊墻采用砂漿錨桿，錨桿長2.5m，環(huán)、縱間距1.2m，呈梅花狀布置。

圖2 肖家沙墕隧道Ⅳ級圍巖復(fù)合式襯砌格柵鋼架圖

1.3 二次襯砌

拱墻及仰拱為C25混凝土，厚度分別為30cm和40cm，仰拱填充為C20混凝土。仰拱超前封閉，二次模筑襯砌按先墻后拱順序全斷面一次整體灌注。

1.4 防排水措施

隧道初期支護(hù)與二次襯砌間于拱墻設(shè)置新型HDPE防水排水板，襯砌背后設(shè)環(huán)向盲溝，間距按12m一道，在墻腳處設(shè)縱向軟管透水盲溝；襯砌施工縫按8m一道，施工縫設(shè)膨潤土止水條。

2 塌方事故處理

2.1 事故概況

2006年12月5日，結(jié)合本隧道復(fù)雜地形、地質(zhì)及前期施工情況，為確保隧道結(jié)構(gòu)永久性質(zhì)量安全，本著動(dòng)態(tài)施工的管理理念，兼考慮隧道總體施工進(jìn)度等因素，就改DK9+010～590原Ⅳ級圍巖段設(shè)計(jì)，曾提出如下變更：

1）于仰拱增設(shè)砂漿錨桿及鋼筋網(wǎng)片，格柵鋼架由原設(shè)計(jì)的局部設(shè)置調(diào)整為1榀/m設(shè)置，全斷面封閉成環(huán)；

2）初期支護(hù)噴射混凝土厚度調(diào)整為22cm，二次襯砌厚度按45cm施作，隧道凈空斷面尺寸不變；

3）其余施工參數(shù)維持原設(shè)計(jì)，變更后的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)圖詳見圖3。

圖3 肖家沙墕隧道Ⅳ級圍巖復(fù)合式襯砌變更斷面圖（單位：cm）

但由于該段地質(zhì)條件復(fù)雜多變，圍巖屬未固結(jié)軟弱泥巖夾砂巖，且風(fēng)化嚴(yán)重，自支護(hù)能力較差，開挖后由于其自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力的釋放，變形較大，給施工的動(dòng)態(tài)管理造成相當(dāng)困難。2007年7月23日上午11時(shí)，在進(jìn)行隧道出口改DK9+440～443段左側(cè)邊墻初期支護(hù)馬口開挖時(shí)發(fā)生突然坍塌，塌方沿臨空面迅速擴(kuò)展，致使改DK9+420～460段左側(cè)初期支護(hù)從拱頂至邊墻連同格柵一起全部垮塌，圍巖發(fā)生大面積坍塌，塌方數(shù)量約為400多方。從洞內(nèi)的坍體表面觀察來看，該段地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖，節(jié)理發(fā)育，基巖裂隙水受雨季降水補(bǔ)給下滲，致使泥巖浸水呈現(xiàn)出中等崩解性、膨脹性及抗剪強(qiáng)度降低等特點(diǎn)，圍巖結(jié)構(gòu)十分松散，主要依靠層間粘結(jié)力結(jié)合，整體穩(wěn)定性極差。

2.2 處理措施——管棚工法

第一步：對改DK9+460～470段用工字鋼做卡口梁，加強(qiáng)鎖腳和徑向錨桿等加固處理，并盡快施作改DK9+460～476段仰拱及矮邊墻，每循環(huán)施作4m。仰拱施作完成后拆除卡口梁，及時(shí)澆注此段二次襯砌。

第二步：從洞外運(yùn)土對塌方段右側(cè)進(jìn)行填筑，用于穩(wěn)定坍體及施作系統(tǒng)錨桿的平臺，同時(shí)對右側(cè)沒有變形的拱架增加鎖腳及徑向錨桿。

第三步：在改DK9+461處架設(shè)2榀I22型鋼護(hù)拱，作為管棚施作支撐，護(hù)拱間距10cm并采用φ22鋼筋與原有拱架進(jìn)行連接，同時(shí)做好管棚頂進(jìn)鉆孔（施工外插角5°）及推進(jìn)基地。

第四步：在塌方范圍內(nèi)頂進(jìn)φ89mm、長L=6m的鋼管，環(huán)向間距30cm，縱向每循環(huán)搭接長度為2m，注漿壓力1.5MPa（管棚布置圖詳見圖4）。

圖4 塌方段管棚及小導(dǎo)管布置圖

第五步：待管棚成形后，拆除已垮塌拱架部分，重新進(jìn)行噴錨掛網(wǎng)，并就塌方范圍初期支護(hù)采取如下技術(shù)措施：

1）邊墻增設(shè)徑向小導(dǎo)管，長度3.5m，環(huán)縱間距1.5m，梅花型布置，注漿壓力1.5MPa；

2）將CD組合式中空注漿錨桿及砂漿錨桿，由原設(shè)計(jì)的長2.5m變更為3m，環(huán)、縱間距由原設(shè)計(jì)的1.2m變更為1m，梅花狀布置；

3）噴射混凝土厚度由變更后的22cm調(diào)整為28cm。

第六步：及時(shí)跟進(jìn)仰拱及二次襯砌，并采用噴漿機(jī)對襯砌背后空洞進(jìn)行填充注漿處理。

3 技術(shù)效果分析

3.1 管棚、小導(dǎo)管及錨桿作用分析

3.1.1 管棚工法

管棚工法是沿隧道開挖斷面外輪廓以一定間隔與隧道平行鉆孔后插入鋼管，再從插入的鋼管內(nèi)壓注充填水泥漿或砂漿，來增加鋼管外圍巖的抗剪切強(qiáng)度，并使鋼管與圍巖形成一體，構(gòu)成棚架體系。在軟弱圍巖條件下的隧道施工，管棚工法能有效防止圍巖的松弛變形，同時(shí)其梁式結(jié)構(gòu)對防止圍巖的松弛崩塌也是十分有利的。在設(shè)計(jì)中，要充分考慮圍巖地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、隧道開挖斷面、埋深以及隧道的施工方法等，來決定管棚的配置、形狀、施工范圍、管棚間隔及斷面等。

3.1.2 小導(dǎo)管注漿

1）超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管注漿是向掌子面附近的圍巖壓注水泥、砂漿及水玻璃等壓注材料，以改善圍巖狀況并使掌子面達(dá)到穩(wěn)定的方法。由于掌子面斜上方的圍巖狀況對隧道的穩(wěn)定性具有很大的影響，因此改善該部分的圍巖狀況對提高隧道的穩(wěn)定性是極為重要的。同時(shí)作為超前支護(hù)，超前小導(dǎo)管以低角度打設(shè)的方式沿隧道外輪廓平行打入掌子面前方圍巖，可有效約束圍巖的松弛變形，防止崩落掉塊。

超前支護(hù)基本是借助構(gòu)件的抗彎剛度發(fā)揮作用，因此采用抗彎剛度大的構(gòu)件是有利的，對于單管超前支護(hù)，一般采用34mm～48mm的鋼管，以30cm～60cm的間隔和5°～30°的仰角打入，打入長度一般為掘進(jìn)進(jìn)尺的2倍～3倍。

2）徑向小導(dǎo)管

小導(dǎo)管注漿不僅是掌子面穩(wěn)定的對策，還可充分運(yùn)用于改善隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性。對于徑向小導(dǎo)管注漿，是在隧道開挖后徑向打入隧道拱部及邊墻，并向周邊圍巖壓注注漿材料，其設(shè)計(jì)、施工、原理及效用與超前小導(dǎo)管基本相同。

3.1.3 錨桿

錨桿是隧道施工過程中維護(hù)圍巖穩(wěn)定，保證施工安全的重要支護(hù)手段之一，施工完成后，在一定程度上還可以作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分發(fā)揮作用。對于軟弱圍巖中的隧道施工，錨桿能有效限制約束圍巖變形，制止圍巖強(qiáng)度的惡化，其加固作用，可使圍巖中松動(dòng)區(qū)的節(jié)理裂隙及破裂面等得以聯(lián)結(jié)，使錨固區(qū)圍巖形成整體加固帶，大幅提高圍巖強(qiáng)度，同時(shí)錨桿群可有效提高層狀圍巖的層間結(jié)合力，以提高隧道的整體穩(wěn)定性。

錨桿施工中，要合理確定錨桿參數(shù)，充分發(fā)揮群錨作用，避免不配置墊板、布置不合理、砂漿充填不密實(shí)及長錨短打等現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 塌方處理效果

本次塌方處理從7月24日開始，至9月底處理完畢，整個(gè)處理過程歷時(shí)2個(gè)多月，實(shí)際注漿量224.0m3。注漿完畢后，開挖情況顯示，坍體泥巖破碎體及土石松散體相當(dāng)于凝結(jié)成一個(gè)低標(biāo)號的混凝土整體，隧道拱部也具備了自穩(wěn)能力，經(jīng)量測資料分析，坍體處于穩(wěn)定狀態(tài)，從開挖支護(hù)到二次襯砌，塌方段再?zèng)]有發(fā)生變形和下沉等安全質(zhì)量事故，完全達(dá)到了塌方處理的預(yù)期目的，這同時(shí)也說明了處理方案選擇的正確與合理性。

4 結(jié)論

在隧道施工的整個(gè)工程中，一旦發(fā)生災(zāi)害性事故，不僅延誤工期、大幅度提高工程費(fèi)用，同時(shí)如處理不當(dāng)，還會(huì)遺留工程質(zhì)量后患，甚至出現(xiàn)人生傷害，但由于隧道施工地質(zhì)條件的不斷變化，當(dāng)一些不能預(yù)計(jì)到的突發(fā)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)采取各種應(yīng)變措施，按照安全、優(yōu)質(zhì)、高效、投資節(jié)約的總原則對事故進(jìn)行處理，這就是動(dòng)態(tài)施工管理的本質(zhì)含義。

在軟弱圍巖中的隧道施工，導(dǎo)致塌方的原因雖然是多種多樣的，但如果在施工管理和技術(shù)上加以認(rèn)真地改善，遵循“先預(yù)探、管超前、預(yù)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測、快反饋、緊襯砌”的施工原則，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測信息反饋，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，就會(huì)使塌方事故得到有效控制，因此要更多地從施工方面去分析塌方的原因，如由于搶工期心切而忽略地質(zhì)因素；片面追求進(jìn)尺而不及時(shí)封閉斷面或不及時(shí)跟進(jìn)襯砌；在出現(xiàn)塌方跡象時(shí)不采取或被動(dòng)采取輔助措施；破碎巖層中不設(shè)超前支護(hù)或支護(hù)不到位等，都是造成塌方或是塌方擴(kuò)大的原因。

[1]關(guān)寶樹，楊其新.地下工程概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2001.

[2]鐵道部.鐵路隧道工程施工技術(shù)指南（TZ 204-2008）[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]鐵道部.鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

[4]鐵路工程施工技術(shù)手冊——隧道（上、下冊）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

The Construction Technology of Weak Surrounding Rock Tunnels from the Tunnel Construction Work

WU Chong
Shenhua Xinzhun Railway Co.，Ltd. Inner Mongolia，Ordos 017000

In the condition of weak surrounding rocks，safety and quality accidents will probably happen during the tunnel construction work，such as the great deformation and side fall roof caving. Based on the weak surrounding rock tunnel collapse treatment experience，this essay systematically analysis the construction technology that the weak surrounding rock tunnel construction usually takes. Further，a proposal can be raised that the basic construction rules should obey and the advanced detection technology should import in the weak surrounding rock tunnel construction work.

Weak Surrounding Rock Tunnels; Construction Technology; Detection Technology

U25

A

1674-6708（2011）48-0172-03

吳沖，助理工程師，工作單位：神華新準(zhǔn)鐵路有限責(zé)任公司，從事鐵路基本建設(shè)項(xiàng)目本質(zhì)安全管理工作