淺埋軟弱圍巖下隧道施工工藝及支護(hù)施工技術(shù)

田志宏

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162）

1 淺埋軟弱圍巖隧道介紹

1）軟弱圍巖的特征 軟弱圍巖具有巖質(zhì)軟弱、承載力低、節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎等特點(diǎn)，以V、VI級(jí)圍巖為主，部分為IV級(jí)圍巖。

2）淺埋隧道的特征 相對(duì)于深埋隧道，淺埋隧道的主要問(wèn)題在于開(kāi)挖時(shí)不能形成承壓拱，隧道上方往往存在嚴(yán)重的風(fēng)化問(wèn)題，穩(wěn)定性較差，極易受到地表水的影響，開(kāi)挖后若不及時(shí)支護(hù)，極易造成拱頂?shù)魤K、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。

綜上，淺埋軟弱圍巖隧道水文地質(zhì)條件差、圍巖自穩(wěn)能力差，部分隧道需穿越既有建（構(gòu)）筑物，若開(kāi)挖、支護(hù)方法不當(dāng)，極易出現(xiàn)初期支護(hù)變形、崩塌等問(wèn)題。對(duì)此，必須加強(qiáng)隧道開(kāi)挖方法、超前預(yù)加固、支護(hù)方式、圍巖穩(wěn)定性控制、監(jiān)控量測(cè)等方面的研究分析，切實(shí)保障隧道作業(yè)安全。

2 施工工藝及支護(hù)施工技術(shù)

2.1 施工工藝

在淺埋軟弱圍巖下的隧道施工前，需根據(jù)隧道長(zhǎng)度、斷面形狀、工程地質(zhì)及周邊環(huán)境合理選擇施工工藝，無(wú)論是開(kāi)挖還是支護(hù)等方法均需慎重比選?？偟膩?lái)看，可將其施工工藝概括為以下3種。

1）明挖法 此方法施工簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)、安全，關(guān)鍵工序包括:①降低地下水位；②邊坡支護(hù)；③土方開(kāi)挖；④結(jié)構(gòu)施工；⑤防水作業(yè)。我國(guó)城市隧道發(fā)展初期將此方法作為施工首選開(kāi)挖技術(shù)，但其對(duì)周邊環(huán)境影響較大，現(xiàn)主要用于軟弱淺埋隧道，且要求周邊地表建筑物較少。

秸稈生物反應(yīng)堆試驗(yàn)地點(diǎn)分為兩處，一處位于朱林鎮(zhèn)紅旗圩村申豐鄉(xiāng)村大世界的現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)園，另一處位于金壇市直溪鎮(zhèn)呂坵村。紅旗圩處做了西瓜品種早佳8424、甜瓜品種DFM應(yīng)用試驗(yàn)，呂坵村做了紅香芋品種為脫毒紅香芋的應(yīng)用試驗(yàn)，兩處都是鋼架大棚。試驗(yàn)均用稻草秸稈為材料，方法采用行內(nèi)內(nèi)置式反應(yīng)堆。供試菌種和疫苗均來(lái)自山東天合生物工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

2）暗挖法 此方法適用于無(wú)法采用明挖法施工的隧道，主要采用“新奧法”施工原理，遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”施工原則，采用管棚、小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)程中做好初期支護(hù)工作，做好防水層后再做二次襯砌。

3）蓋挖法 此方法適用于隧道穿越公路、建筑等障礙物施工，主要是從地面開(kāi)挖至一定深度后封閉頂部，然后完成其余下部工程，具體可分為蓋挖順作法、蓋挖逆作法、蓋挖半逆作法。

上述3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)與適用范圍，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行合理比選。

2.2 淺埋軟弱圍巖下隧道開(kāi)挖斷面形式

淺埋軟弱圍巖下隧道開(kāi)挖斷面形式較多，下面重點(diǎn)就臺(tái)階法、CD（側(cè)壁導(dǎo)坑）法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法作簡(jiǎn)要分析。

1）臺(tái)階法 隧道臺(tái)階法開(kāi)挖施工相對(duì)靈活，可采用大型機(jī)械設(shè)備，將其用于淺埋軟弱圍巖地段，需合理調(diào)整施工方法，如分散爆破、超前施作混凝土仰拱等，切實(shí)保證作業(yè)安全、穩(wěn)定，同時(shí)在保證工期方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

2）中壁法（CD法） 在掌子面不穩(wěn)、埋深淺、圍巖差的隧道工程中CD法使用較多，其縱向分割斷面、開(kāi)挖斷面相對(duì)較小，在保證掌子面穩(wěn)定方面具有優(yōu)勢(shì)。此方法施工難度小、工序少、進(jìn)度快、造價(jià)低，步步成環(huán)，配合超前支護(hù)手段，可有效保證結(jié)構(gòu)受力良好，安全性高。

3）雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法 此方法較多用于埋深超淺、圍巖特別差的隧道工程中，其分割斷面細(xì)，通過(guò)超前導(dǎo)坑探明前方地質(zhì)情況，在保證掌子面穩(wěn)定、控制地面沉降方面優(yōu)勢(shì)顯著。但此方法工序較為復(fù)雜，無(wú)法使用大型機(jī)械，施工速度較慢。

2.3 淺埋軟弱圍巖下隧道支護(hù)技術(shù)

2.3.1 超前支護(hù)技術(shù)

淺埋軟弱圍巖下隧道施工需解決的首要問(wèn)題是掌子面的穩(wěn)定性，超前支護(hù)是不可缺少的手段，工程實(shí)踐中多采用管棚或超前導(dǎo)管法，開(kāi)挖前在隧道開(kāi)挖輪廓線外弧線上安裝傘形金屬保護(hù)棚架（由大慣性力矩鋼管構(gòu)成），然后打入金屬鋼管，使用注漿機(jī)壓入水泥砂漿，待其凝固后方可開(kāi)挖施工。

2.3.2 初期支護(hù)技術(shù)

現(xiàn)代支護(hù)理念認(rèn)為，所有結(jié)構(gòu)性巖層均具備自穩(wěn)能力。因此，在進(jìn)行支護(hù)施工時(shí)，需將其與圍巖看作統(tǒng)一的整體。當(dāng)前，我國(guó)初期支護(hù)主要采用噴錨支護(hù)體系，根據(jù)實(shí)際需要包括以下幾種技術(shù)方法:①噴射混凝土支護(hù)，包括“干噴”和“濕噴”2種；②錨桿支護(hù)，包括普通錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿；③噴射混凝土錨桿支護(hù)，噴射混凝土+錨桿；④鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，噴射混凝土中設(shè)鋼筋網(wǎng)，增強(qiáng)了噴層整體性、抗彎與抗剪能力；⑤鋼筋網(wǎng)噴射混凝土錨桿支護(hù)，即鋼筋網(wǎng)噴射混凝土+錨桿。

3 實(shí)例探析

3.1 工程概況

本標(biāo)起止里程為:ZK1+220—ZK1+738、YK1+224—YK1＋740，左線長(zhǎng)518m，右線長(zhǎng)516m，位于湖里區(qū)高崎段附近，場(chǎng)地原始地貌位于海陸交互地段。主線隧道限界凈寬為10.5m，三車(chē)道隧道限界凈寬為14.5m，A匝道隧道限界凈寬為9.7m，緊急停車(chē)帶隧道限界凈寬為13.5m，車(chē)行橫洞建筑限界凈寬4.5m，人行橫洞建筑限界凈寬2.0m，凈高2.5m。

3.2 隧道施工方案總體思路

結(jié)合本隧道的特點(diǎn)、場(chǎng)地條件和施工難易度、工期、交通組織與相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，隧道施工主要采取明挖暗埋和淺埋暗挖2種施工方式。

1）明挖暗埋法施工 主線隧道進(jìn)口側(cè)ZK1+220—ZK1＋490（YK1＋224—YK1＋497）段隧道采用明挖暗埋施工，基坑圍護(hù)形式為上部放坡鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐+高壓旋噴止水帷幕。

2）淺埋暗挖法施工 主線隧道ZK1+490～ZK1+738（YK1+497—YK1+740）采用淺埋暗挖法施工，主要下穿鐵路鹽專(zhuān)線、嘉禾路、北溪引水渠、佳貝美集團(tuán)、特區(qū)供水管等，左線隧道暗挖長(zhǎng)248m，右線隧道暗挖段長(zhǎng)243m。

3.3 隧道開(kāi)挖與支護(hù)施工方法

3.3.1 明挖暗埋法施工

1）基坑開(kāi)挖

ZK1+220—ZK1+320（YK1+224—YK1+325）基坑開(kāi)挖深度7～11m，基坑支護(hù)方案采用φ1 000mm鉆孔灌注排樁+一道鋼管內(nèi)支撐+樁間高壓旋噴樁止水帷幕。

ZK1+320—ZK1+400（YK1+325—YK1+407）基坑開(kāi)挖深度10～14m，基坑支護(hù)方案采用局部放坡降低地表+坡面噴射C20混凝土+ 1 200mm鉆孔灌注排樁+2道鋼管內(nèi)支撐+樁間高壓旋噴樁止水帷幕。

ZK1+400—ZK1+490（YK1+407—YK1+497）基坑開(kāi)挖深度10.5～16.5m，基坑支護(hù)方案采用高壓旋噴隔水幕墻＋ 1 200mm鉆孔灌注排樁+3道鋼管內(nèi)支撐。

基坑開(kāi)挖采用挖機(jī)進(jìn)行，開(kāi)挖前先進(jìn)行鉆孔樁、止水帷幕、樁頂冠梁及排水系統(tǒng)施工，然后進(jìn)行開(kāi)挖。開(kāi)挖至一定深度時(shí)，設(shè)置第1道鋼支撐，進(jìn)行第2次開(kāi)挖；設(shè)置第2道鋼支撐，進(jìn)行第3次開(kāi)挖；設(shè)置第3道鋼支撐，進(jìn)行第4次開(kāi)挖。開(kāi)挖至基坑底后，設(shè)置基坑底排水溝，基坑尺寸為50cm×50cm，設(shè)置集水井、降水井。

2）明洞施工

ZK1+220—ZK1+320（YK1+224—YK1+325）隧道結(jié)構(gòu)采用矩形明洞，ZK1+320—ZK1+490（YK1+325—YK1+497）隧道結(jié)構(gòu)采用拱形明洞，明洞主體結(jié)構(gòu)采用C40防水耐腐蝕鋼筋混凝土，混凝土外防水層采用2mm厚反應(yīng)黏結(jié)型高分子濕鋪防水卷材，在防水卷材外采用M10水泥砂漿保護(hù)層5cm。

3.3.2 淺埋暗挖法施工

主線隧道 ZK1+490—ZK1+738（YK1+497—YK1+740）采用淺埋暗挖法施工。

1）初期支護(hù) 由鋼拱架、格珊拱架、系統(tǒng)錨桿、鋼筋錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成，鋼拱架與格珊拱架之間用縱向鋼筋連接，與鋼筋網(wǎng)焊接為一體，與圍巖密貼。

2）二次襯砌 本項(xiàng)目圍巖自穩(wěn)定時(shí)間較短，施工時(shí)要求支護(hù)結(jié)構(gòu)緊跟開(kāi)挖面，盡早封閉成環(huán)，注意初期支護(hù)的變形與穩(wěn)定檢測(cè)，盡可能發(fā)揮巖體自成拱效應(yīng)及初期支護(hù)的承載能力。

3）隧道防排水施工 遵循“防堵為主、因地制宜、綜合治理”的全封閉防水原則，防止地下水在隧道中滲透和流失，切實(shí)保護(hù)好隧道工程的生態(tài)環(huán)境，并保證隧道結(jié)構(gòu)物和運(yùn)營(yíng)設(shè)備的正常使用。隧道的防水等級(jí)按二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)達(dá)到結(jié)構(gòu)不允許漏水、結(jié)構(gòu)表面可有少量濕潤(rùn)的要求。

3.3.3 下穿鐵路鹽專(zhuān)線段隧道施工

下穿鐵路鹽專(zhuān)線段:隧道于ZK1+490—ZK1+530（YK1＋497—ZK1＋537）段從既有鐵路鹽專(zhuān)線下方近距離穿越，平面交角約88°，鐵路線僅有1股道。隧道頂板與鐵路鹽專(zhuān)線的最小豎向距離為9.13m，穿越的地層主要為:全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖。為嚴(yán)格控制地表和鐵路沉降，隧道洞外、洞內(nèi)施工措施如下。

1）隧道洞外工程措施 ①采用D20型施工便梁架空加固軌道；②列車(chē)實(shí)行限速運(yùn)行，限制速度45km/h；③線間便梁支墩挖孔樁施工時(shí)，相應(yīng)地段線路應(yīng)扣軌加固，經(jīng)常復(fù)查軌面高程保證行車(chē)安全；⑤布設(shè)嚴(yán)密的監(jiān)控網(wǎng)，加強(qiáng)施工期間鐵路路基、軌道沉降變形監(jiān)控測(cè)量工作。

2）隧道洞內(nèi)工程措施 ①拱頂搭設(shè)鋼筋籠單層超前長(zhǎng)管棚（ 159mm×6mm）+超前小導(dǎo)管并注漿（ 42mm×3.5mm），控制洞頂沉降；②殘積砂質(zhì)黏性土等軟弱圍巖段，設(shè)全螺紋纖維增強(qiáng)樹(shù)脂錨桿進(jìn)行超前支護(hù)；③隧道開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù)，以縱向鋼筋將支撐連成整體，并及時(shí)回填注漿，減少沉降；④加強(qiáng)洞內(nèi)拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)控，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)施作二次襯砌結(jié)構(gòu)；⑤隧道基底未修正地基承載力＜250kPa時(shí)，采用 50mm注漿鋼化管進(jìn)行加固處理，鋼化管長(zhǎng)度為4m，縱向、橫向間距為1.0m×1.0m，呈梅花形布置。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，淺埋軟弱圍巖下隧道修建面臨著較為惡劣的施工條件，其開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)時(shí)間短、易坍塌，若是開(kāi)挖或支護(hù)不當(dāng)，極易出現(xiàn)較大變形甚至失穩(wěn)破壞。對(duì)此，必須綜合分析隧道地質(zhì)條件、施工要求等，合理選擇施工與支護(hù)方法，規(guī)范落實(shí)超前支護(hù)、地質(zhì)預(yù)報(bào)、初期支護(hù)等工作，切實(shí)保證隧道開(kāi)挖作業(yè)安全順利地完成。