紫溪隧道軟弱圍巖施工技術(shù)

何振華　何文峰

(江西省上饒市鉛山縣公路分局　鉛山　334500)

紫溪隧道軟弱圍巖施工技術(shù)

何振華何文峰

(江西省上饒市鉛山縣公路分局鉛山334500)

摘要結(jié)合隧道工程實例，對軟弱圍巖洞口地段加固、偏壓處治、臺階式洞身掘進和錨噴支護施工技術(shù)進行了介紹和分析，指出了超前長管棚、超前小導(dǎo)管和錨噴支護技術(shù)是保證軟弱圍巖隧道施工安全行之有效的方法。

關(guān)鍵詞隧道工程軟弱圍巖施工技術(shù)

1工程概況及開挖方法選定

上武高速公路起于贛閩省界分水關(guān)，終于上饒經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)董團鄉(xiāng)，與滬昆高速相連接。紫溪隧道位于江西省上饒市鉛山縣紫溪鄉(xiāng)境內(nèi)。它是一座上下行分離的4車道高速公路隧道，起訖樁號為左洞ZK317+740~ZK319+415，長1 675 m，右洞YK317+815~YK319+430，長1 615 m，建筑限界凈寬10.25 m。

隧道沿線氣侯溫濕，雨量充沛，植被發(fā)育，地形起伏。隧道沿線巖土分為全風(fēng)化、強風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖，部分巖體破碎，發(fā)育深度大，裂隙水較豐富。隧道兩端洞口進洞的一段長度均為全風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖(V級圍巖)，再往里面是V級、IV級、III級圍巖交錯布置，越往隧道里面地質(zhì)條件越好。

軟弱圍巖隧道施工開挖方法主要有臺階法，環(huán)形開挖留核心土法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及中導(dǎo)洞法等其他施工方法。V級圍巖的中小跨度隧道在采用了有效的預(yù)加固措施后可采用臺階法開挖。環(huán)形開挖留核心土法可用于IV～V級圍巖或一般土質(zhì)圍巖的中小跨度隧道。中隔壁法適用于圍巖較差、跨度大、淺埋、地表沉降需要控制的場合。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于淺埋大跨度隧道及地表下沉量要求嚴(yán)格而圍巖條件很差的情況。開挖方法應(yīng)根據(jù)隧道長度、斷面大小、結(jié)構(gòu)形式、工期要求、機械設(shè)備、地質(zhì)條件等，選擇適宜的開挖方案[1]。總體控制原則是保持地層穩(wěn)定，避免塌方危及施工安全，節(jié)約工程造價。通過比選，該隧道采用臺階法施工。

2洞口施工及偏壓處治

2.1　套拱和超前長管棚施工

隧道兩端洞口進洞地質(zhì)條件較差，較長距離為V級圍巖。為了保證安全進洞，在隧道洞口設(shè)置了套拱和超前長管棚，以保證成洞面和淺埋地段開挖的穩(wěn)定與安全。套拱縱向長2 m，設(shè)置了60 cm厚C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土，布設(shè)4榀Ⅰ16工字鋼支撐，鋼支掌縱向由直徑22 mm鋼筋焊接固定，焊接鋼筋環(huán)向間距1 m。套拱內(nèi)預(yù)埋直徑×壁厚為133 mm×6 mm鋼管作為長管棚的導(dǎo)向管。長管棚鋼管采用直徑×壁厚為108 mm×6 mm有孔鋼花管，拱部180°范圍布設(shè)，環(huán)向間距50 cm，共41根，每根長60 m。套拱混凝土強度達到70%后，采用MD-50跟管鉆機鉆孔，為了防止長鋼管在鉆進過程中的下沉，鉆機仰角應(yīng)控制在2°～4°，邊鉆孔，邊接長鋼管跟進，縱向同一橫斷面的鋼管接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯開1 m，鉆進過程中經(jīng)常用測斜儀測量鉆進偏斜度。長鋼管鉆進全部完成后開始注M30水泥漿，水灰比11，摻1%的水玻璃，注漿從拱腳至拱頂逐孔對稱進行，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，終止壓力為2 MPa，漿液擴散半徑不小于0.65倍的管中心距,一個洞口的設(shè)計注漿量為17.81 m3。根據(jù)后來洞口掘進顯示，漿液擴充與風(fēng)化巖層凝結(jié)為一個整體，保證了安全進洞。

2.2　出洞口段偏壓處治

左洞出洞口ZK319+362～ZK319+415長53 m地段，側(cè)面處外露面山體與水平面呈約 45°走向，洞頂離山體外露面不足12 m高，進洞上臺階挖了約30 m長，初期支護基本完成，但由于山體側(cè)向壓力的影響，洞體出現(xiàn)了明顯的變形。采取的處治方案是：沿洞頂中心山體外露面為起點，以水平填筑寬為30 m，向山下1∶1.5放坡的土體來平衡土側(cè)壓力。先在山體表面分層挖1 m寬的臺階，然后通過放樣確定山腳填土范圍，由下往上分層填筑，直至洞頂中心線山體水平面。通過這幾年的運營，未發(fā)現(xiàn)該處洞內(nèi)有變形。

3臺階式洞身掘進

軟弱圍巖隧道采用短臺階法施工，初期支護及時跟上。洞身掘進采用人工風(fēng)鎬配合挖掘機開挖，循環(huán)進尺1.2 m，在上臺階開挖至30 m時，開始下臺階開挖，采用左半幅馬口跳槽開挖，馬口開挖長度不宜超過四榀工字鋼，初期支護跟上。然后是右半幅跳槽開挖，跳槽開挖必須單側(cè)落底，左右錯開3 m以上，開挖后立即支護。掘進超出長管棚保護范圍，為了保證掌子面開挖安全,在拱頂部120°范圍內(nèi),布設(shè)超前小導(dǎo)管，壓注水泥漿。目的是使洞頂圍巖形成整體，成一層堅硬的承載環(huán)殼體，不致崩塌。小導(dǎo)管采用直徑×壁厚為42 mm×5 mm鋼管,管壁四周鉆6 mm壓漿孔,尾部1.0 m不設(shè)壓漿孔。

4洞身初期支護

初期支護應(yīng)緊跟開挖盡快對圍巖施加約束，確保施工安全。隧道初期支護采用錨噴支護，即由錨桿、鋼支撐、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土組合起來的支護形式。錨噴支護是一種符合巖體力學(xué)原理的積極支護方法，錨噴支護結(jié)構(gòu)柔性好，它能及時支護和加固圍巖，與圍巖密貼，同圍巖共同變形，能封閉巖體的張性裂隙和節(jié)理，加固圍巖結(jié)構(gòu)面，從而提高巖體自身的強度、自承能力和整體性[2]。

4.1　錨桿

4.1.1錨桿作用的理論根據(jù)

(1) 組合梁作用。錨桿可將若干層層狀巖體串聯(lián)在一起，增大層間摩阻力形成組合梁，防止巖層的滑移和坍塌。

(2) 整體加固作用。按一定間距在隧道周邊呈放射狀布置的成組錨桿，將隧道四周一定深度的圍巖進行擠壓、粘結(jié)加固，組成一個承載環(huán)。

(3) 懸吊作用。把隧道壁面附近具有裂隙、節(jié)理的不穩(wěn)定巖體，用錨桿固定在深層的堅固穩(wěn)定的巖體上，可將不穩(wěn)定巖體的重量傳遞給深層堅固的巖體負(fù)擔(dān)，以起到懸吊作用。

4.1.2洞頂圍巖錨桿施工

V級圍巖錨桿采用直徑22 mm螺紋鋼筋，長為3.5 m ，環(huán)向間距1 m，縱向間距0.6 m，每環(huán)29根。

(1) 鉆孔。按設(shè)計標(biāo)識孔位，孔徑為直徑37 mm，鉆孔方向盡量與巖層主要結(jié)構(gòu)面垂直，當(dāng)圍巖主結(jié)構(gòu)面不明顯時，可與隧道周邊輪廓垂直布置。鉆好孔后用高壓水將孔沖洗干凈。

(2) 砂漿制作。砂漿強度等級不低于M20，砂漿配合比(質(zhì)量比)為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.47，砂的料徑不宜大于3 mm，速凝劑摻量為水泥用量的5%。

(3) 注漿及安設(shè)錨桿。將砂漿充滿注漿器，并用高壓空氣將水泥砂漿由注漿管注入鉆孔中，注漿管應(yīng)插至距孔底5~10 cm處，隨水泥砂漿的注入緩慢勻速拔出，隨即迅速將錨桿插入，桿體插入孔內(nèi)的長度不得短于設(shè)計長度的95%，錨桿插到設(shè)計深度時孔口應(yīng)有砂漿流出，若孔口無砂漿流出，則應(yīng)將桿體拔出重新灌漿，全長粘結(jié)錨桿應(yīng)灌漿飽滿。錨桿一旦插入完成，不得再次擾動。

4.2　鋼支撐支護

V級圍巖采用Ⅰ18工字鋼支撐，IV級圍巖采用Ⅰ16工字鋼進行支撐。它的特點是剛度大，架設(shè)后能立即發(fā)揮支撐機能。Ⅰ18工字鋼支撐縱向間距0.6 m，Ⅰ16工字鋼支撐縱向間距0.8 m，縱向榀與榀之間用直徑22 mm鋼筋焊接固定，橫向用鎖腳錨桿焊接固定，鋼支撐應(yīng)盡量靠近圍巖。

4.3　鋼筋網(wǎng)掛網(wǎng)

隧道V級圍巖在初噴1層混凝土后再進行鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)。V級圍巖張掛2層焊接鋼筋網(wǎng)，采用直徑6 mm鋼筋，間距20 mm×20 cm，在工字鋼支撐內(nèi)側(cè)布設(shè)1層，外側(cè)布設(shè)1層，第2層鋼筋網(wǎng)應(yīng)在第1層鋼筋網(wǎng)被噴射混凝土全部覆蓋后進行鋪設(shè)。鋼筋網(wǎng)必須與鋼支撐及錨桿牢固焊接，以增加整體效果。張掛鋼筋網(wǎng)可提高噴射混凝土支護層的抗拉能力、抗裂性、抗震性。

4.4　噴射混凝土

噴射混凝土使用潔凈的中砂并過篩，碎石粒徑不宜大于15 mm，。水泥與砂石重量比為1∶4，用水量憑噴射手的經(jīng)驗?zāi)繙y掌握。隧道V級圍巖初期支護厚度為25 cm，采用濕噴混凝土的施工方法，速凝劑用量為水泥用量的5%，將拌和好的料運至噴射機邊，投入噴射機料頭，同時加入速凝劑，用壓縮空氣將混合料壓送到噴槍，在噴頭處加入高壓水混合，以較高的速度噴射到巖面上。噴射的順序是先墻后拱，自下而上。分層噴射的間隔時間一般為15 min。如巖面凹凸不平時，應(yīng)先噴凹處找平，然后向上噴射。每次噴射的厚度拱部為5～6 cm，邊墻為7～10 cm。過厚則由于混凝土自重下墜，影響混凝土與巖面的黏結(jié)力，不易保證噴層致密。

5監(jiān)控量測

5.1　監(jiān)控量測的目的

監(jiān)控量測是施工工藝流程中的一個重要工序，應(yīng)貫穿施工的全過程。監(jiān)控量測的目的是掌握圍巖和支護的動態(tài)信息并及時反饋，指導(dǎo)施工作業(yè)。通過對圍巖和支護的變形、應(yīng)力量測，為修改設(shè)計提供依據(jù)。

5.2　監(jiān)控量測的項目和實施

該隧道監(jiān)控量測項目是:地質(zhì)和支護狀況觀察,周邊位移量測,拱頂下沉量測。地質(zhì)和支護狀況觀察應(yīng)進行洞內(nèi)、外觀察，洞內(nèi)觀察分開挖工作面觀察和已支護地段觀察2部分。

(1) 開挖工作面觀察應(yīng)在每次開挖后進行。及時填寫開挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表和施工階段圍巖級別判定卡。對已支護地段的觀察每天應(yīng)進行一次，主要觀察圍巖、噴射混凝土、錨桿和工字鋼架等的工作狀態(tài)。觀察中發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化時，應(yīng)撒出洞內(nèi)施工人員和設(shè)備，立即上報設(shè)計、監(jiān)理、業(yè)主單位，采取相應(yīng)處理措施。

(2) 洞外觀察重點應(yīng)在洞口段，內(nèi)容應(yīng)包括地表開裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)變形異常，立即上報，確保施工安全。對于周邊位移和拱頂下沉的量測，隧道Ⅴ級圍巖每20 m布置1個斷面，周邊位移布設(shè)2對點，拱頂下沉布設(shè)3個點，每天測2次。根據(jù)位移速率變化趨勢判斷：速率小于0.2 mm/d時，圍巖達到基本穩(wěn)定。當(dāng)圍巖位移速率變化上升時，圍巖處于危險狀態(tài)，必須立即停止掘進，采取應(yīng)急措施。根據(jù)第三方檢測報告，周邊位移最大值為5.17 mm，拱頂下沉最大值為8.40 mm，都在允許變形范圍內(nèi)，而且都趨向穩(wěn)定。

6二次襯砌

圍巖的初期支護變形基本穩(wěn)定后及時進行二次襯砌，變形基本穩(wěn)定應(yīng)符合拱腳水平相對凈空變化速度小于0.2 mm/d，拱頂相對下沉速度小于0.15 mm/d。

隧道V級圍巖襯砌厚度45 cm，采用C25防水鋼筋混凝土，摻加HEA抗裂型防水劑，摻量為水泥用量的8%，采用二襯臺車模板(長10 m)澆筑。澆筑混凝土前，應(yīng)將基底石渣、污物和積水排除干凈。首先澆筑仰拱并填充C15片石混凝土，然后澆筑路面調(diào)平層和矮邊墻，最后用二襯臺車澆筑拱部及曲面墻混凝土。二襯臺車每側(cè)沿高度2 m開設(shè)4個梅花形0.5 m×0.5 m振搗窗洞，直至拱頂，以利澆注和振搗混凝土?；炷翝仓?yán)格按配合比施工，拱墻混凝土澆注應(yīng)分層由下往上從兩側(cè)向拱頂平衡施工，每澆筑一層，就用振搗器振搗密實，澆注拱部混凝土?xí)r，在襯砌臺車頂部預(yù)留4個注漿孔，注漿孔離二襯臺車兩端1.25 m，注漿孔之間間距2.5 m。二襯混凝土澆注完成后由于干縮和自身重力作用，拱頂混凝土?xí)c上面的防水板脫開，形成空鼓。拱頂注漿的目的就是使拱頂混凝土與上面的防水板和初支混凝土緊貼，作用就是避免空鼓積水，使初支和二襯混凝土同時承受圍巖壓力，且均勻受壓。待襯砌混凝土強度達到100%后再注漿充填?；炷烈r砌應(yīng)連續(xù)澆注，每一模盡可能一次澆筑完成。如因故中斷，中斷時間應(yīng)小于前層混凝土的初凝時間，否則應(yīng)按施工縫處理。

7結(jié)語

采用超前長管棚和超前小導(dǎo)管對軟弱圍巖進行預(yù)支護，采用錨噴混凝土對洞身進行初期支護，這樣能夠保證洞身掘進的安全。在下臺階施工中盡快使初期支護落地封閉，確保及早封閉成環(huán)，仰拱填充及時跟進，以控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定。同時二次襯砌必須根據(jù)監(jiān)測單位的監(jiān)測結(jié)果盡快進行，確保隧道施工安全。

參考文獻

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[2]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

收稿日期：2015-09-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.017