淺談軟弱圍巖隧道開挖與支護(hù)施工

于立杰

【摘 ? ?要】軟弱圍巖隧道開挖支護(hù)施工過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，由于自然和人為等因素的影響，自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不好，一旦支護(hù)工作做不到位就容易造成塌方后果嚴(yán)重。本文對(duì)軟弱圍巖隧道開挖與支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】隧道 ? 開挖與支付 ? 施工

中圖分類號(hào)：G4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2015.12.209

一、施工原則

軟弱圍巖隧道施工過程中最重要的是選擇合理的施工方法，而合理的施工方法的選擇與施工條件、圍巖條件、隧道斷面積、隧道埋深、工期和工作條件等因素有關(guān)。雖然各種因素所起的作用不同，但在施工過程中必須遵守以下基本原則：

（1）選擇合理的開挖方法來保護(hù)圍巖，避免過度破壞和損傷圍巖的強(qiáng)度;

（2）容許圍巖有可控制的變形，充分發(fā)揮圍巖自身的承載力;

（3）合理的確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型和時(shí)機(jī);

（4）準(zhǔn)確及時(shí)地進(jìn)行量測(cè)監(jiān)控，以指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì);

（5）要盡量采用先修筑仰拱（或臨時(shí)仰拱）或底板的施工方法，使斷面及早封閉成環(huán);

（6）應(yīng)加強(qiáng)重點(diǎn)部位的支護(hù)，防止隧道開挖后從某一薄弱部位坍塌;

（7）在施工過程中，必須建立設(shè)計(jì)—施工檢驗(yàn)—地質(zhì)預(yù)測(cè)—量測(cè)反饋—修正設(shè)計(jì)的一體化的施工管理系統(tǒng)。

二、開挖方式的選擇

在無較大構(gòu)造影響的一般地段，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)確定的前方圍巖軟弱破碎程度，在施工中選擇合理的開挖方式及支護(hù)措施。隧道是處于復(fù)雜地質(zhì)條件下的建筑工程，洞室開挖中圍巖所發(fā)生的物理、力學(xué)效應(yīng)取決于圍巖特性、圍巖地質(zhì)狀態(tài)（如地應(yīng)力、地址物理參數(shù)、地下水、地質(zhì)斷層等因素0和人工開挖操作方式（如開挖方式、支護(hù)方式、支護(hù)時(shí)間等因素）等。巖體是一種非線性介質(zhì)，洞室開挖后圍巖中發(fā)生的物理、力學(xué)效應(yīng)一般都是非線性和不可逆的。因此，不同的開挖方式將獲得不同的圍巖穩(wěn)定效果。目前軟如圍巖隧道施工過程和方法是多種多樣的，主要有臺(tái)階法、臺(tái)階分部法、臺(tái)階分步平行法、雙側(cè)畢導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、上下導(dǎo)坑法和上導(dǎo)坑法等。臺(tái)階分步平行法是在臺(tái)階法和臺(tái)階分部法的基礎(chǔ)上綜合開發(fā)出來的，上述七種開挖方式都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。而優(yōu)缺點(diǎn)不僅有定量因素，如開挖成本;還有些定性因素，如施工難易、施工質(zhì)量控制難易等。如何綜合考慮定性與定量因素進(jìn)行開挖方案的優(yōu)化決策，是施工過程中的首要任務(wù)。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)或工程類比的辦法很難全面考慮優(yōu)化決策中所涉及的多因素問題。需要進(jìn)行開挖方案的優(yōu)化決策。

三、 初期支護(hù)的選擇

圍巖破壞一般自洞周開始，首先出現(xiàn)的破壞是張性破壞，接著是塑形剪切流動(dòng)破壞，如能及時(shí)施做支護(hù)，使洞室形成處于穩(wěn)定狀態(tài)的承載環(huán)，洞室圍巖即可保持穩(wěn)定。

對(duì)軟弱圍巖隧道而言，最常用的是鋼拱錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，尤其是噴層分層施做的復(fù)合支護(hù)。在這類支護(hù)形式中，鋼拱、錨噴、噴層和網(wǎng)筋通常共同工作，起著穩(wěn)定圍巖的作用。關(guān)于隧道支護(hù)設(shè)計(jì)，由于目前還不能從理論上完善地、定量的說明錨噴支護(hù)的原理，所以設(shè)計(jì)還是以經(jīng)驗(yàn)的方法為主。目前還沒有找到一種公認(rèn)的合理方法。一種方法認(rèn)為隧道襯砌支護(hù)“設(shè)計(jì)應(yīng)以工程類比法為主”?！皩?duì)地質(zhì)復(fù)雜、大跨度和有特殊要求的隧道，除采用工程類比法外，還應(yīng)采用理論分析法進(jìn)行檢算”。我國工程類比法，一般是首先進(jìn)行工程地質(zhì)勘查確定圍巖類別，參照各部門制定的支護(hù)參數(shù)表，選定錨噴支護(hù)類型和參數(shù)。

軟弱圍巖隧道支護(hù)方法可分為改善圍巖自撐能力和直接對(duì)圍巖提供 支護(hù)力兩類。

（一）改善圍巖自撐能力

1.注漿：分為注水泥漿、水泥—玻璃漿、化學(xué)注漿等等。其目的是充填裂隙，提高圍巖完整性、連續(xù)性、增加圍巖的整體強(qiáng)度。

2.錨桿支護(hù)：錨桿對(duì)圍巖起著加固作用，這是大家的一致看法。巖體結(jié)構(gòu)控制著圍巖穩(wěn)定性，不僅表現(xiàn)在穩(wěn)定與否方面，還將控制失穩(wěn)的方式、失穩(wěn)過程及是問的規(guī)模等方面。顯然巖體結(jié)構(gòu)不同錨桿的作用應(yīng)有所差異。因此，從巖體結(jié)構(gòu)上來說，在軟巖中錨桿的作用有倆種：消除或削減巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)和組合拱的作用。

（二）直接對(duì)圍巖提供支護(hù)力

1.超前支護(hù)：一般采用超前管棚或錨桿，在隧道開挖前，沿隧道軸向支護(hù)，對(duì)開挖后產(chǎn)生的松動(dòng)圈提供支護(hù)力，防止松動(dòng)塊塌落，惡化了圍巖的受力狀態(tài)。

2.格柵鋼拱架支撐作用機(jī)理：在軟弱圍巖隧道中，隧道掘進(jìn)后，圍巖的自穩(wěn)時(shí)間極短，而噴射混凝土、錨桿不能及時(shí)提供足夠的支護(hù)抗力，為了維持圍巖的穩(wěn)定，保證隧道設(shè)計(jì)斷面，需要在開挖后的短時(shí)間內(nèi)給予圍巖強(qiáng)有力的支護(hù)，這時(shí)往往采用鋼支撐支護(hù)。但鋼支撐由于耐腐蝕性較差，一般不做永久支護(hù)，最終支護(hù)結(jié)構(gòu)一般都選擇混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

四、仰拱

根據(jù)隧道所含碳質(zhì)、泥質(zhì)頁巖具有膨脹性的特點(diǎn)，為了防止隧道變形，要求仰拱必須在二襯之前施作。拱、墻部初期支護(hù)形成之后要盡早鋪設(shè)仰拱，以使初期支護(hù)盡快形成封閉受力結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為二次襯砌施工的模板臺(tái)車軌道鋪設(shè)提供條件，并且仰拱及早鋪設(shè)也為洞內(nèi)運(yùn)輸提供便利。一般仰拱與正面下部開挖面保持距離為30～50M左右，以保證開挖、裝載機(jī)具具有活動(dòng)的場(chǎng)地。當(dāng)變形得不到有效控制的情況下，應(yīng)迅速施作二次襯砌。

五、開挖支護(hù)的實(shí)施

通過前面的分析，形成如下施工過程：小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，短臺(tái)階分步平行開挖法施工，鋼拱錨噴網(wǎng)支護(hù)，仰拱快速封閉成環(huán)，無軌運(yùn)輸。

1.開挖

II類圍巖地段采用三臺(tái)階分步平行開挖法。上半斷面采用非爆破開挖為主，空壓機(jī)配合YT28型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)人力施工，人工配合挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸汽車施工?？偟脑O(shè)計(jì)思想遵循”弱爆破、短開挖”的原則，采用光面爆破開挖，炮眼深度一般控制在1.0～1.5m為宜，掏槽采用拋擲爆破的綜合控制爆破技術(shù)。以盡可能減輕對(duì)圍巖的擾動(dòng)，維護(hù)圍巖自身的穩(wěn)定性，達(dá)到良好的輪廓成形陣。

在施工過程中，必須嚴(yán)格控制鉆孔參數(shù)，確保周邊眼的爆破參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。但是，因?yàn)槎磧?nèi)圍巖有不同的變化，因此在遵循設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際爆破效果來調(diào)整下一茬炮的爆破參數(shù)，以取得最佳爆破效果。

2.初期支護(hù)

初期支護(hù)是有錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架和噴射混凝土組成的一種聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)。鋼架是軟弱圍巖中初期支護(hù)的重要組成部分，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求加工制作和架設(shè)。鋼架采用人工架設(shè)，拱部單元：首先進(jìn)行施工放樣，確定鋼架基腳位置，然后鋪設(shè)槽鋼墊板，施做定位系筋。對(duì)應(yīng)拱部單元鋼架位置架設(shè)墻部單元鋼架，栓接牢固。

3.仰拱

施工實(shí)踐證明及量測(cè)資料證明，仰拱封閉前圍巖收斂變形較大，且發(fā)展速度塊，很難穩(wěn)定，而施作了仰拱后，圍巖與支護(hù)很快趨于穩(wěn)定，可見仰拱及時(shí)封閉式關(guān)鍵。為了不影響前面的掘進(jìn)與支護(hù)施工。仰拱施工采取振動(dòng)錘配合挖掘機(jī)跳槽開完，每3～4m，在前方鉆孔時(shí)進(jìn)行開挖，然后上鋪寬1.2m的倆條行車鋼便橋以滿足正常通車需要，最后支模灌注仰拱混凝土。

參考文獻(xiàn)

[1]張小軍《軟弱圍巖淺埋偏壓條件下隧道施工技術(shù)》〔J〕長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）。2005（01）。