淺談軟巖大變形隧道施工技術(shù)

何艷維

（中鐵五局集團(tuán)第一工程有限公司 湖南長沙 410117）

淺談軟巖大變形隧道施工技術(shù)

何艷維

（中鐵五局集團(tuán)第一工程有限公司 湖南長沙 410117）

隧道作為地下建筑物，其施工受地質(zhì)條件影響很大，因此針對不同的地質(zhì)條件采取合適的施工方法在隧道施工中顯得尤為重要。本文通過施工實(shí)例，介紹軟弱圍巖大變形隧道的開挖、監(jiān)控量測等施工技術(shù)。

軟巖；大變形；隧道；三臺階法；監(jiān)控量測

隧道施工中，針對不同的地質(zhì)條件采用合適的施工方法是施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。軟弱圍巖大變形隧道由于其特殊的地質(zhì)條件，施工難度較大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。筆者根據(jù)自身參與施工的十天高速公路安康段明埡子隧道的施工實(shí)踐，就其施工方法及監(jiān)控量測技術(shù)作簡要介紹。

1 工程概況

十（堰）～天（水）高速公路安康段明埡子隧道位于陜西省安康市石泉縣境內(nèi)，為左右線分離雙車道隧道，左線長4944m，右線長4980m，洞室間距約40m，最大埋深320m，隧道凈寬10.25m、凈高5m。隧址區(qū)位于秦巴低山區(qū)，斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造都極為發(fā)育，致使不同地層巖石受強(qiáng)烈變形改造，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，圍巖主要為泥化炭質(zhì)板巖及變砂巖夾灰?guī)r。

2 施工方法

明埡子隧道前期采用兩臺階法施工，隧道掘進(jìn)100m后，進(jìn)入軟巖段，變形開始急劇發(fā)展，出現(xiàn)噴射混凝土開裂剝落，鋼架扭曲變形、斷裂等現(xiàn)象，單日最大水平收斂達(dá)131.93mm。初期支護(hù)受變形影響，全環(huán)侵入隧道凈空，最大侵限厚度達(dá)175cm。變形發(fā)生后，為抑制變形，我單位及時(shí)調(diào)整施工方法，采用三臺階法施工。最終達(dá)到了控制變形的目的，順利完成了隧道施工。

2.1 原施工方法

隧道前期采用兩臺階法施工，臺階長度約40m，上斷面采用簡易臺架鉆爆開挖，下斷面兩側(cè)錯(cuò)開開挖，仰拱及填充距掌子面約60m，二襯距掌子面約100m。由于臺階長，支護(hù)封閉時(shí)間長，不利于控制變形。

2.2 調(diào)整后施工方法

為抑制變形、縮短支護(hù)落底時(shí)間、使支護(hù)盡早封閉成環(huán)，我單位對施工方法進(jìn)行了調(diào)整，采用三臺階法施工，施工縱向示意如圖1。

圖1 明埡子隧道三臺階施工縱向示意圖

采用三臺階施工時(shí)，三臺階同步開挖，上臺階預(yù)留核心土，中、下臺階兩側(cè)錯(cuò)開2m開挖，仰拱及填充采用仰拱棧橋分段施工，距掌子面約40m，二襯距掌子面約70m。

2.2.1 開挖支護(hù)方法

采用鉆爆法開挖，YT28型風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆眼，光面爆破，挖掘機(jī)扒碴，裝載機(jī)裝碴，自卸汽車運(yùn)碴。機(jī)械設(shè)備配置見表1。

表1 明埡子隧道三臺階開挖機(jī)械設(shè)備配置表

2.2.2 循環(huán)時(shí)間及進(jìn)尺

根據(jù)圍巖情況和支護(hù)參數(shù)，確定循環(huán)進(jìn)尺和各工序作業(yè)時(shí)間如下：

（1）Ⅴ～Ⅵ級圍巖

圍巖軟弱破碎，穩(wěn)定性差，型鋼間距50cm，仰拱初支封閉成環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺1m，各工序作業(yè)時(shí)間安排見表2。

表2 Ⅴ～Ⅵ級圍巖工序循環(huán)時(shí)間安排表

表2中除加粗工序外，其余工序均與加粗工序平行作業(yè)，不占用循環(huán)時(shí)間，每循環(huán)總時(shí)間14.5h。

（2）Ⅳ～Ⅴ級圍巖

圍巖較破碎，穩(wěn)定性較差，型鋼間距75～100cm，仰拱不施作初期支護(hù)，循環(huán)進(jìn)尺1.5～2m，各工序作業(yè)時(shí)間安排見表3。

表中除加粗工序外，其余工序均與加粗工序平行作業(yè)，不占用循環(huán)時(shí)間，每循環(huán)總時(shí)間11.5h。

2.2.3 支護(hù)作業(yè)

明埡子隧道主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，采用超前小導(dǎo)管，工字鋼支撐、掛網(wǎng)錨噴初期支護(hù)。

表3 Ⅳ～Ⅴ級圍巖工序循環(huán)時(shí)間安排表

（1）超前支護(hù)

超前支護(hù)小導(dǎo)管采用鑿巖機(jī)鉆眼送管，注漿機(jī)壓注水泥漿。

原設(shè)計(jì)小導(dǎo)管單根長度4.5m，搭接長度＞1m，外插角20°。由于隧道圍巖軟弱、破碎，小導(dǎo)管因外插角的關(guān)系，在下一環(huán)小導(dǎo)管施工時(shí)，前一環(huán)小導(dǎo)管與開挖輪廓線的距離達(dá)1.1m以上。此時(shí)小導(dǎo)管的預(yù)支護(hù)作用大大降低，甚至出現(xiàn)小導(dǎo)管與開挖輪廓線間的圍巖全部坍落掉塊。為更好地發(fā)揮小導(dǎo)管的預(yù)支護(hù)作用，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將小導(dǎo)管單根長度調(diào)整為3～3.5m，每循環(huán)均施工。實(shí)踐證明，調(diào)整后的小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)作用明顯提高，有效避免了圍巖坍落掉塊。

（2）初期支護(hù)

開挖后立即進(jìn)行鋼支撐、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等初期支護(hù)施工。

3 監(jiān)控量測方法

在隧道前期施工過程中，一直采用的收斂儀、水準(zhǔn)儀等進(jìn)行周邊位移和拱頂下沉量測。但總結(jié)分析圍巖變形后發(fā)現(xiàn)，由于上述方法工作難度大，與施工相互干擾，且量測數(shù)據(jù)為兩點(diǎn)間的相對變形，難以反映某點(diǎn)的變形情況，不能為分析隧道的不均勻變形提供依據(jù)。針對明埡子隧道大變形的特點(diǎn)，為快速準(zhǔn)確獲得圍巖變形數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)施工和調(diào)整支護(hù)參數(shù)，后期施工中，采取了全站儀無尺監(jiān)測的量測方法。

3.1 全站儀無尺監(jiān)測原理

全站儀無尺監(jiān)控量測技術(shù)，其基本原理是利用全站儀測量各觀測點(diǎn)位不同時(shí)段的三維坐標(biāo)，再經(jīng)過對比計(jì)算，得出各點(diǎn)的位移量或測點(diǎn)相對收斂值，準(zhǔn)確、快速地為施工提供參考數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3.2 監(jiān)測方法

全站儀無尺監(jiān)測可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用自由設(shè)站和固定設(shè)站兩種觀測方法。

3.2.1 自由設(shè)站觀測

自由設(shè)站觀測是置鏡任意點(diǎn)，通過全站儀機(jī)載的自由測站程序，后視2～5個(gè)（后視點(diǎn)點(diǎn)數(shù)上限隨儀器不同規(guī)定有所差異）已知后視點(diǎn)，儀器程序會根據(jù)后視點(diǎn)觀測值自動推求出置鏡點(diǎn)的三維坐標(biāo)及定向值，并將其設(shè)置至儀器中，然后再前視安設(shè)在隧道周邊監(jiān)控點(diǎn)上的反射片，測得各測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。再經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或相對于隧道中線的坐標(biāo)反算，可得出各測點(diǎn)的位移情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可任意放置儀器，不影響隧道施工，儀器操作比較方便，但測站點(diǎn)的定位精度不易保證，從而影響最終觀測點(diǎn)的精度，且多個(gè)后視基準(zhǔn)點(diǎn)在隧道這種狹長的空間比較難以確定。

圖2 全站儀無尺監(jiān)測示意圖

3.2.2 固定設(shè)站觀測

固定設(shè)站觀測方法是置鏡已知固定點(diǎn)，后視另一已知點(diǎn)，人工輸入置鏡點(diǎn)的三維坐標(biāo)、儀器高、棱鏡高、后視方位角等參數(shù)至儀器中，然后再前視安設(shè)在隧道周邊監(jiān)控量測點(diǎn)上的反射片，從而測得各測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。觀測數(shù)據(jù)處理計(jì)算與自由設(shè)站方法相同。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是后視基準(zhǔn)點(diǎn)只需一點(diǎn)，定向比較方便準(zhǔn)確。但每次測量要求進(jìn)行對中并測量儀器高，其精度直接影響觀測精度。明埡子隧道施工中采用的該種觀測方法。

3.2.3 測量數(shù)據(jù)處理

每次測量后，及時(shí)整理量測數(shù)據(jù)，通過相互兩點(diǎn)的坐標(biāo)，反算出兩點(diǎn)間的距離，兩次測量距離的差值即為兩點(diǎn)間的相對位移。同時(shí)可通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得出各點(diǎn)在隧道縱、橫向及鉛垂方向的三維位移，從而進(jìn)一步了解隧道周邊的不均勻位移情況。

計(jì)算出各位移值后，繪制位移—時(shí)間關(guān)系曲線，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和回歸分析。

以位移-時(shí)間曲線為基礎(chǔ)，根據(jù)位移值、位移速率等分析、評定圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性。判別初期支護(hù)的工作狀態(tài)，支護(hù)特點(diǎn)并對初期支護(hù)進(jìn)行安全評估。

通過綜合分析、評價(jià)及時(shí)修正設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)參數(shù)，對施工及時(shí)提供建議和措施。

所有的數(shù)據(jù)處理可編成計(jì)算機(jī)程序，或使用與全站儀配套的相關(guān)處理軟件進(jìn)行處理，以提高處理效率和計(jì)算準(zhǔn)確性。

3.3 儀器設(shè)備配置

全站儀無尺監(jiān)控量測儀器設(shè)備主要有：全站儀1臺、棱鏡及支架1套、反射片若干。

全站儀可根據(jù)圍巖變形大小和測量精度要求選用，圍巖變形較大，精度要求不是很高時(shí)，可選用測角精度2″，測距精度為2mm+2ppm級別的全站儀，當(dāng)圍巖變形較小，精度要求高時(shí)，可選用測角精度1″，測距精度為1mm+1ppm級別的全站儀。

棱鏡和支架采用隨機(jī)配送的棱鏡或其它能滿足全站儀精度要求的棱鏡即可。

反射片是一種具有回復(fù)反射性能的反射膜片，反射膜片由丙烯酸脂制成，大小可根據(jù)測距長度和觀測條件等因素選擇?，F(xiàn)場使用時(shí)，在各測點(diǎn)處將鋼筋錨入圍巖內(nèi)固定牢固，在鋼筋外露部分焊接6cm×6cm的鐵片，然后在鐵片上貼反射片。

4 結(jié)束語

軟巖大變形隧道施工進(jìn)度及安全風(fēng)險(xiǎn)高，選用合適的施工方法可有效降低風(fēng)險(xiǎn)，確保施工順利進(jìn)行。明埡子隧道施工中，采用三臺階法施工，有效縮短了支護(hù)封閉成環(huán)的時(shí)間，起到了“早封閉”的作用，很好地控制了圍巖的變形發(fā)展。同時(shí)通過無尺監(jiān)測技術(shù)快速準(zhǔn)確地獲取圍巖變形數(shù)據(jù)，并據(jù)此指導(dǎo)施工，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，達(dá)到了采取與圍巖情況相匹配的支護(hù)結(jié)構(gòu)控制變形的目的，確保了施工安全。施工過程中Ⅴ、Ⅵ級圍巖平均月進(jìn)尺＞75m，Ⅴ級圍巖最高月進(jìn)尺達(dá)125m，以上技術(shù)的應(yīng)用取得了良好的施工效果。

[1]何磊，楊斌，王更峰，陳仕猛.高地應(yīng)力軟巖隧道施工動態(tài)控制與優(yōu)化研究.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，2.

[2]黃偉釗.大斷面軟弱圍巖隧道三臺階法施工.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2008，5.

[3]高軍，趙運(yùn)臣.隧道變形監(jiān)測新技術(shù)的應(yīng)用研究.西部探礦工程，2001，3.

U455.49

A

1673-0038（2015）52-0280-03

收稿日期：2015-11-17

何艷維（1980-），男，工程師，本科，主要從事公路工程施工工作。