砂質(zhì)板巖水平巖層隧道快速施工技術(shù)

趙 毅，張 楠

(中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西南寧530000)

1 概述

由中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司承建的同馬山隧道，設(shè)計(jì)全長13 931 m。2#斜井工區(qū)承擔(dān)隧道中間段 DK177 +400 ～DK181 +000(3.6 km)及2#斜井施工任務(wù)。隧道凈空12.2 m(寬)×8.68 m(高)，線間距4.8 m，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，隧道防水等級不＜P10。2#斜井長度1 222 m，縱坡11%，直墻斷面型式，單車道無軌運(yùn)輸出碴;設(shè)計(jì)斜井凈空斷面4.7 m(寬)×6 m(高)。2#斜井與正洞相交于DK180 +400，為正洞施工段唯一的通道。

2#斜井工區(qū)承建段落均為砂質(zhì)板巖地段，地表溝壑縱橫、水系發(fā)達(dá)，隧道穿越地區(qū)巖性單一，均呈水平層產(chǎn)狀。砂質(zhì)板巖水平巖層在開挖過后，拱部巖層水平產(chǎn)狀就暴露出來，在自重和圍巖應(yīng)力釋放的雙重作用下，巖層會出現(xiàn)縱向?qū)挾燃s為3 mm左右的裂隙，很容易失穩(wěn)發(fā)生坍塌掉塊;加上隧道埋深較大，存在較高地應(yīng)力，同時在穿越不良地質(zhì)地段時遇到富水裂隙，就會使得隧道施工安全風(fēng)險陡然增高，嚴(yán)重影響隧道快速施工，使工程進(jìn)度大大受阻。

2 地質(zhì)特征

隧道穿越山脈山脊呈北東向延伸，山脊為齒狀、臺狀;最高峰烏掃坡高1 536 m，洞身段最大埋深約700 m;地質(zhì)構(gòu)造是屬于剝蝕構(gòu)造中低型山地，地貌多山起伏，坡體溝壑縱橫多呈“V”型溝，切割較深。隧道范圍內(nèi)覆土主要有:第四系全新統(tǒng)坡殘積(Q［4］(dl+el))粉質(zhì)黏土、碎石土;全新崩積層(Q［4］(col))塊石土，洞頂溝溪中覆蓋有全新統(tǒng)沖洪積(Q［4］(al +pl))卵石土、漂石土，層薄，對隧道工程影響不大;下伏基巖元古界前震旦系上板溪群清水江組(Ptbnb(q))砂質(zhì)板巖、絹云母板巖夾凝灰質(zhì)板巖、變質(zhì)粉細(xì)砂巖。

3 砂質(zhì)板巖水平巖層快速施工技術(shù)分析

3.1 選定開挖支護(hù)方式

3.1.1 選定開挖方法

本隧道開挖洞徑B=13.86 m，洞高H=11.6 m(預(yù)留仰拱部分開挖高度為9.7 m)，屬典型的單洞雙線鐵路大斷面、大跨徑隧道，結(jié)合圍巖實(shí)際情況擬定采用臺階法施工。

臺階法共分為長臺階法、短臺階法和微臺階法三種:長臺階法上下臺階距離較遠(yuǎn)，一般上臺階超前50 m 以上或＞5 倍洞徑，施工中雖然上下臺階可平行作業(yè)，施工干擾少，但下臺階開挖距離上臺階時間較長，上臺階支護(hù)圍巖變形基本穩(wěn)定后再開挖下臺階會存在二次擾動問題，對周邊穩(wěn)定性影響較大;短臺階法上臺階長度在1 ～1. 5 倍洞徑之間，可縮短仰拱封閉時間，改善初期支護(hù)受力條件，但上臺階施工干擾較大，嚴(yán)重影響施工速度;微臺階法上臺階僅超前3 ～5 m (即一個循環(huán))，全斷面閉合較快，圍巖收縮變形較快，可以通過快速支護(hù)封閉以保證施工安全;同時微臺階法上、下臺階可以同時施鉆爆破開挖，上下臺階施工不受干擾。(微臺階作業(yè)示意圖如圖1 所示)

圖1 微臺階施工作業(yè)示意圖

微臺階法效果分析:通過對兩組量測點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測，用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析微臺階開挖后圍巖變形情況，分析微臺階開挖對周邊圍巖的穩(wěn)定性影響。

監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2、圖3 所示。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以明顯看出，微臺階開挖拱頂下沉速率在第10 d 時出現(xiàn)波動，隨后逐漸減小并呈穩(wěn)定趨勢，累計(jì)下沉值為8.21 mm。周邊收斂速率同樣是在第10 d 時出現(xiàn)波動，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，累計(jì)收斂值為12.52 mm。累計(jì)下沉值和收斂值均滿足圍巖穩(wěn)定性要求。由此可見，在砂質(zhì)板巖水平巖層施工中采用微臺階法開挖穩(wěn)定性滿足要求，特別注意的是變化速率的波動，這就需要利用初期支護(hù)來補(bǔ)強(qiáng)，達(dá)到控制變形速率的目的。

圖2 拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)走勢圖

圖3 周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)走勢圖

另根據(jù)以往類似隧道采取的有限元法數(shù)值分析可以得出，當(dāng)隧道采用臺階法開挖時，圍巖周邊塑性區(qū)范圍隨著臺階長度縮短而呈大幅度減少的趨勢，所以針對砂質(zhì)板巖水平巖層快速施工最優(yōu)選擇是采用短臺階法。但綜合施工工序作業(yè)優(yōu)勢，采取微臺階法開挖最為適宜。

3.1.2 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

本隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為:拱部φ25 mm 中空注漿錨桿，邊墻 φ22 mm 砂漿錨桿，錨桿長 3.5 m，間距 1.5 m(環(huán)向)×1.0 m(縱向)，拱部 φ6.5 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸1.5 cm ×1.0 cm，噴射砼厚12 cm，二次襯砌為C35 抗?jié)B混凝土，厚35 cm。

一般隧道圍巖支護(hù)過后會出現(xiàn)拱腰內(nèi)斂、拱腳外斂的情況，在拱腳部位的錨桿承受軸向壓力，因而其作用不是很大。而在水平巖層中，拱部所受的豎向彎矩最大，當(dāng)巖層層厚較小時，容易出現(xiàn)縱向裂隙，拱腰位置內(nèi)斂較為明顯，除拱腳位置錨桿作用不大外，拱部錨桿施做時會對水平巖層造成二次擾動。因此，在設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上將錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)拱腰位置錨桿數(shù)量，并用φ22 mm 螺紋鋼環(huán)向連接，使拱腰兩側(cè)錨桿形成聯(lián)合支護(hù)體，減小拱部水平巖層下墜開裂的自重力。其他參數(shù)嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)執(zhí)行。具體施作示意如圖4 所示。

圖4 支護(hù)優(yōu)化示意圖

3.2 輔助施工措施

3.2.1 采用地質(zhì)綜合預(yù)報系統(tǒng)

結(jié)合隧道的地質(zhì)情況，對區(qū)域內(nèi)有多條斷層破碎帶、軟巖地質(zhì)等不良地質(zhì)，施工地質(zhì)超前預(yù)報擬以防突涌預(yù)報為重點(diǎn)，查明掌子面前方地質(zhì)條件，以便采取有效的施工措施，避免施工突發(fā)災(zāi)害的發(fā)生。采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法和程序進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測。

1)在斷層破碎帶及巖溶富水區(qū)，采用地震波探測儀對掌子面前方30 ～150 m 范圍不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、性質(zhì)作詳細(xì)預(yù)報，粗略預(yù)報圍巖級別和地下水情況，每100 m 施作一次，異常情況下適當(dāng)加密。

2)在地震波探測的基礎(chǔ)上進(jìn)行超前探測驗(yàn)證。對掌子面前方30 m 范圍的地質(zhì)情況作更準(zhǔn)確的預(yù)報，先進(jìn)行紅外超前探測(每掘進(jìn)循環(huán)一次)，然后每個斷面布設(shè)5 個超前鉆探探測孔(其中一孔取芯)，對掌子面前方地下水、地溫及圍巖情況進(jìn)行探測，探測孔25 m 一個循環(huán)，單孔長度約30 m，相鄰探測孔間搭搠距離為5 m，當(dāng)有異常情況時，結(jié)合探則結(jié)果適當(dāng)加密鉆孔或加深爆破孔，鉆孔布置視物探異常進(jìn)行調(diào)整。

3)對多種探測手段獲得的探測資料進(jìn)行綜合分析與評判，相互印證，并結(jié)合掌子面揭示的地質(zhì)條件、發(fā)展規(guī)律與趨勢進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，根據(jù)預(yù)測預(yù)報結(jié)果，及時調(diào)整措施，確保施工與結(jié)構(gòu)安全。

4)預(yù)測預(yù)報范圍:一般地段采用常規(guī)地質(zhì)素描，隧道重點(diǎn)區(qū)段的預(yù)測預(yù)報方法與探測范圍見表1。

表1 隧道重點(diǎn)區(qū)段的預(yù)測預(yù)報方法與探測范圍

3.2.2 及時施作仰拱、二襯混凝土

從仰拱開挖到灌筑砼之間，隧道受力是處于最不穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)情況開挖仰拱會產(chǎn)生邊墻擠出和下沉，圍巖條件差時，迅速灌筑砼，用仰拱閉合斷面。在比較良好的圍巖中，沒有必要急于斷面閉合時，可在不妨礙掌子面開挖作業(yè)的距離上，施作仰拱。仰拱施工前，先將隧底虛碴、雜物、積水等清除干凈。施工前先復(fù)核仰拱斷面尺寸，不允許出現(xiàn)欠挖，超挖部分采用同級砼回填。

通過對支護(hù)過后的拱頂沉降和周邊收斂情況可知，在圍巖開挖與一次支護(hù)完成后，隧道周邊相對位移值符合規(guī)范要求，圍巖開挖與初支完成后可達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。二襯后，襯砌進(jìn)一步控制了圍巖的變形，這也充分說明二次襯砌作為結(jié)構(gòu)的安全儲備的作用。

在砂質(zhì)板巖水平巖層的圍巖封閉過程中，仰拱超前施工，襯砌緊跟，仰拱封閉成環(huán)，距離掌子面的距離≤35 m、二襯距離掌子面不＞70 m。仰拱和二次襯砌的混凝土澆灌成形全部要求一次性成功形成封閉結(jié)構(gòu)，保證其承載力。每道工序都需要進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)理和檢測，確保完全合格之后，方可進(jìn)行下一道工序。涉及的每一個過程都需要及時形成規(guī)范的書面資料，用以傳遞和存檔。砂質(zhì)板巖水平巖層采用微臺階拱腰加強(qiáng)錨固法施工，仰拱和二襯混凝土緊跟掌子面，及時封閉形成一個承載圈，可有效地控制圍巖的變形，尤其是對控制拱頂下沉是極其有效的，既能確保工程的進(jìn)度、又能保證安全。

4 結(jié)語

按照上述方法處理開挖后的砂質(zhì)板巖水平巖層，不僅對圍巖變形及整體穩(wěn)定性十分有效，在滿足施工安全的前提下，可以有效促進(jìn)仰拱二襯和掌子面開挖支護(hù)同步進(jìn)行，使施工速度比較均衡，達(dá)到均衡施工的良好效果。

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