甘肅地區(qū)遇水軟弱大沉降圍巖隧道施工方法探討

王旭 易繼雙

摘 要：文章以臥龍溝1號(hào)隧道施工為例，針對(duì)遇水軟弱、大沉降圍巖隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)開挖、超前支護(hù)、初期支護(hù)等工序作詳細(xì)介紹，并總結(jié)了該類圍巖特征隧道部分工序的施工要點(diǎn)，從而為隧道當(dāng)前及后期施提供工作指導(dǎo)，保證工程的整體質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：隧道施工 支護(hù)變形 軟弱圍巖

1.工程概況

1.1隧道概況

臨夏雙城至達(dá)里加（甘侵界）公路工程的臥龍溝1號(hào)隧道位于麻泥寺溝鄉(xiāng)與臥龍溝村交界附近，按山嶺區(qū)高速公路分離式斷面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)凈寬10.25m，凈高5m，裸孔設(shè)計(jì)的最大開挖寬度為12.86m，最大開挖高度為10.25m。隧道左線長1126m，最大埋深190.9m，右線長1055m，最大埋深16 2 .7 m，隧道區(qū)高程2728.28～2925.04m。

1.2出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象

初期支護(hù)變形：隧道地貌單元屬于基巖中高山區(qū)，構(gòu)造單元屬于祁呂賀蘭山型構(gòu)造系統(tǒng)的西部褶皺帶。地質(zhì)構(gòu)造沉降運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，目前施工段落圍巖多為強(qiáng)、中風(fēng)化閃長巖，易風(fēng)化泥巖、砂質(zhì)板巖和紅斑巖，圍巖整體性很差，主要是鑲嵌碎裂狀和碎裂狀結(jié)構(gòu)。由于初支系統(tǒng)的侵限，已施工段落有近55m的換拱施工。

局部圍巖失穩(wěn)、坍塌：雖然隧道區(qū)域沒有明顯的地表水，但地下水（主要是松散巖型潛孔和基巖裂隙水）儲(chǔ)量豐富，滲透性強(qiáng)。而圍巖普遍節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部錯(cuò)段和滑層明顯，整體自穩(wěn)能力差，掌子面有頻繁淋水及滲水，局部還有較大涌水，加之不可避免的施工擾動(dòng)，已施工段落有多處不同程度的圍巖失穩(wěn)、滑塌現(xiàn)象。

2.大沉降圍巖不同階段的變形情況

隧道在穿越軟弱大沉降圍巖地層時(shí)，開挖面前方土體由于瞬間的塑性變形，會(huì)產(chǎn)生一定的拱頂沉降及收斂，并會(huì)向掌子面后方未能封閉成環(huán)的初支系統(tǒng)傳導(dǎo)，并延伸一段距離，使初支系統(tǒng)產(chǎn)生“被動(dòng)位移”（見圖1）。為了解和掌握此類位移變化規(guī)律，以數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，臥龍溝1號(hào)隧道針對(duì)此類圍巖在左右線分別選取了50m，對(duì)開挖前后不同部位、不同時(shí)間段的初支系統(tǒng)進(jìn)行沉降及收斂觀測。經(jīng)過收集整理數(shù)據(jù)分析可知：掌子面開挖后，后方25m左右范圍內(nèi)未封閉成環(huán)的初支系統(tǒng)均有不同程度的沉降及收斂，其中15m以內(nèi)開挖對(duì)其影響較大，且一般情況下同時(shí)期的水平位移大于拱頂下沉，最大位移出現(xiàn)在拱鉸上方，垂直方向的移動(dòng)在拱頂和拱底較明顯。其中，上臺(tái)階初支完成，中、下臺(tái)階開挖時(shí)，初期系統(tǒng)的瞬間變形位移最大約占總位移的1/4～1/3。當(dāng)中下臺(tái)階開挖支護(hù)完成后，拱部應(yīng)力已基本釋放，上半斷面圍巖的水平方向的位移明顯減緩減弱趨勢，此時(shí)主要變形來自圍巖及初期支護(hù)的整體沉降?？紤]到出滲水的影響、局部爆破影響、圍巖變化、圍巖暴露時(shí)間長短、偏壓及埋深影響、施工擾動(dòng)等不確定因素，總體而言，此類變形規(guī)律及機(jī)理較為復(fù)雜，需長周期地結(jié)合實(shí)際施工情況去進(jìn)一步考證。

3.隧道遇水軟弱大沉降圍巖段施工方法及控制要點(diǎn)

3.1洞身開挖

施工方法：臥龍溝1號(hào)隧道掘進(jìn)以機(jī)械開挖為主，局部淺孔弱爆破為輔，并根據(jù)掌子面實(shí)時(shí)的圍巖變化情況及時(shí)調(diào)整開挖工藝。經(jīng)過施工過程中長期的摸索和實(shí)驗(yàn)，在確保施工安全及進(jìn)度的同時(shí)，又使隧道初支的變形情況得到較好的控制，目前隧道暗洞圍巖為中、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖，紅斑巖，砂質(zhì)板巖等，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，碎裂結(jié)構(gòu)和鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，有輕微滴水及淋水現(xiàn)象的圍巖段落采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工；圍巖為中、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖夾雜粉質(zhì)粘土，砂礫巖，砂質(zhì)泥巖，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，碎裂結(jié)構(gòu)和鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，局部有較大出滲水段落采用三臺(tái)階七步法施工。具體開挖工藝工法可根據(jù)掌子面圍巖情況適時(shí)合理調(diào)整。開挖作業(yè)時(shí)，需著重考慮減小當(dāng)前圍巖的臨空高度、縮短圍巖暴露時(shí)間、避免不必要的施工擾動(dòng)、引排水、放大預(yù)留變形量等方面。

施工要點(diǎn)：（1）開挖方式宜采用機(jī)械開挖，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～1.0m，留核心土?xí)r，核心土面積應(yīng)≥開挖斷面橫截面積的50%，核心土寬度為掌面當(dāng)前開挖寬度的1/3，高度應(yīng)方便于作業(yè)，宜為2.5～3.0m，開挖矢跨比應(yīng)>0.3，開挖完成后，及時(shí)封閉掌子面圍巖，減少圍巖暴露時(shí)間。（2）富水段落開挖時(shí)，應(yīng)在圍巖內(nèi)提前打設(shè)超前探水空，疏導(dǎo)和部分釋放掌子面前方巖體內(nèi)水流。（3）開挖預(yù)留變形量應(yīng)合理放大并適時(shí)調(diào)整。目前臥龍溝1號(hào)隧道施工采用環(huán)形開挖留核心土法施工時(shí)，上臺(tái)階開挖預(yù)留沉降量為25～30cm，中臺(tái)階為10～12cm時(shí)；采用上臺(tái)階七步法施工時(shí)，上臺(tái)階開挖預(yù)留沉降量為30～35cm；當(dāng)中間臺(tái)階為12～15cm時(shí)，在初支變形穩(wěn)定后施工二次襯砌時(shí)，凈空仍有5～8cm的變形緩沖量。

3.2超前支護(hù)

施工方法：臥龍溝1號(hào)隧道Ⅴ級(jí)圍巖段落超前支護(hù)采用φ42mm×4mm小導(dǎo)管，小導(dǎo)管注漿采用水泥凈漿。在超前支護(hù)施工時(shí)，需著重考慮加強(qiáng)自身的支撐剛度、封堵掌子面前方水體、提高前方巖體自穩(wěn)定能力、減少對(duì)巖體的二次擾動(dòng)等方面。

施工要點(diǎn)：（1）小導(dǎo)管施工質(zhì)量及注漿質(zhì)量須符合設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)自行加強(qiáng)。（2）富水段落可采用小部分超前管棚和大部分小導(dǎo)管交錯(cuò)配合使用，注漿采用多次分段、分區(qū)間斷注漿，起到支護(hù)和注漿止水的雙重作用。（3）局部不適宜注漿的區(qū)域可在導(dǎo)管內(nèi)用水泥藥卷和螺紋鋼填充飽滿替代注漿效果。（4）圍巖極其不穩(wěn)定段落可采用先鋼拱架和噴射砼，再超前支護(hù)的施工工序。（5）注漿時(shí)根據(jù)施工實(shí)際情況適當(dāng)摻入水玻璃加快凝結(jié)時(shí)間，一般情況摻入量為漿液體積的5～10%，實(shí)際摻量根據(jù)當(dāng)前掌子面圍巖情況適時(shí)調(diào)整。

3.3鋼拱架

施工方法：臥龍溝1號(hào)隧道Ⅴ級(jí)圍巖型鋼拱架采用I20a工字鋼，每榀結(jié)構(gòu)單元為9個(gè)，工字鋼端頭焊接在14 mm厚的鋼板上，焊縫高度 h=5mm（腹板）， h=9mm（翼緣），連接采用 M20高強(qiáng)螺栓連接，鋼架之間采用Φ22mm縱向鋼筋連接，環(huán)向間距100cm，與鋼架焊接成整體。鋼拱架系統(tǒng)安裝時(shí)，需著重考慮加強(qiáng)整體受力能力、強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)受力性能、受力均勻、減少薄弱受力部位數(shù)量、優(yōu)化受力半徑等方面。

施工要點(diǎn)：（1）鋼拱架安裝前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)斷面尺寸及預(yù)留沉降量，對(duì)開挖凈空尺寸進(jìn)行檢查，并在掌子面開挖初噴完成后立即進(jìn)行。（2）鋼架水平位置及垂直度應(yīng)一致，縱向連接鋼筋應(yīng)焊接飽滿、密實(shí)，間距嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施做，以便整體受力均勻，同時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際圍巖情況合理加密，在高地應(yīng)力及富水地帶拱架單元節(jié)點(diǎn)附近兩處連接筋應(yīng)加強(qiáng)為小型號(hào)型鋼。（3）根據(jù)適時(shí)的圍巖變形情況，及時(shí)優(yōu)化每榀拱架的受力半徑（寧大勿?。⒏鶕?jù)冷彎機(jī)性能合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)單元數(shù)量，減少拱架受力薄弱部位。

3.4鎖腳錨管

鋼拱架采用φ42mm×4mm注漿鎖腳錨管固定，分別設(shè)置在鋼拱腹部和拱腳兩處。每處兩根與 U型鋼筋采用角焊縫形式堆焊連接，用φ22mm的鋼筋包裹且緊貼型鋼拱架翼緣焊接固定為一體。鎖腳系統(tǒng)施工時(shí)，著重須考慮的是提高鎖腳自身的剛度、優(yōu)化受力角度、合理選擇不同類型圍巖的鎖腳長度和類型等方面。

施工要點(diǎn)：（1）結(jié)合實(shí)際施工需求，拱架腹部處鎖腳錨管受力角度宜為30～40°，拱腳處宜為10～15°。（2）采用不同的開挖工法時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工情況科學(xué)合理的增加鎖腳的數(shù)量及類型。（3）當(dāng)局部不適宜注漿的區(qū)域（富水）可在導(dǎo)管內(nèi)用水泥藥卷和螺紋鋼填充飽滿替代注漿效果，且鎖腳系統(tǒng)長度宜適當(dāng)增長。（4）圍巖極其不穩(wěn)定段落拱架腹部處可采用大鎖腳系統(tǒng)（直徑70mm，長度>設(shè)計(jì)長度1.5倍）。

4.結(jié)束語

綜上所述，在隧道施工中，出滲水、軟弱大沉降圍巖等現(xiàn)象十分常見，需結(jié)合工程實(shí)際情況，基于圍巖特性進(jìn)行分析，編制科學(xué)可行的施工方案，合理選擇不同的施工工藝工法，并把握分析好每一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，做好工序過程控制等，這是確保軟隧道弱大沉降圍巖段施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度不可或缺的因素。

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