淺埋軟弱圍巖隧道施工技術(shù)要點

曹傳輝

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 300222）

0 引 言

隨著隧道建設(shè)的規(guī)模日益增大，地域跨度變廣，各地的水文地質(zhì)情況差異大，一些淺埋、圍巖極軟弱、掌子面容易失穩(wěn)的隧道施工不良現(xiàn)象增多［1－6］。在淺埋軟弱圍巖隧道修建過程中，選擇合適的施工方法確保工程安全建設(shè)和提高經(jīng)濟(jì)效益是現(xiàn)階段的一個重要研究方向，國內(nèi)外學(xué)者已對其開展了研究，并取得了一些成果［7－9］。本文以鄂北砂巖和粉砂質(zhì)泥巖淺埋隧道為研究對象，選擇合適的技術(shù)方案，并對施工要點進(jìn)行重點分析，提出穿越斷層區(qū)時采用豎井改斜井的方案，結(jié)合數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證方案的適用性，從而保證其良好的施工效果。

1 工程概況及施工難點

湖北省鄂北15標(biāo)段（樁號K158＋120～K174＋670）隧道全長16.55km，穿越地層的巖性以礫粉砂巖等為主，其中含礫粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖巖石強度低，遇水易軟化。隧道上覆巖層厚度為20～65 m，隧道埋深淺，圍巖的完整性和穩(wěn)定性差，在樁號K170＋580處穿越F4斷層。圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，其中Ⅴ類圍巖段長度為10.65km，占隧道總長度的64.4%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖總計約占總長度的70%，屬于淺埋軟弱圍巖。

2 軟弱圍巖隧道的施工方案

2.1 施工方案選擇依據(jù)

淺埋軟弱圍巖隧道基本以新奧法為指導(dǎo)原理，采取超前支護(hù)、鋼架、徑向錨桿、網(wǎng)噴混凝土等快速有效的支護(hù)［10－13］。施工方案制定原則可簡單概括為“管超前、預(yù)注漿、多循環(huán)、短開挖、強支護(hù)、勤量測、早封閉”。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件擬定施工方案，后期對穿越過程進(jìn)行及時準(zhǔn)確的監(jiān)控量測，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行方案調(diào)整。

2.2 施工方案確定

隧道底部縱坡為1∶11 000，沿程輸水流量為20.2m3·s－1。為滿足工期和質(zhì)量要求，橫斷面采用馬蹄形，過水?dāng)嗝鎯魧?.8m。以Ⅴ級圍巖為例，隧道Ⅴ級圍巖長10.65m，開挖尺寸為7.4m×7.4 m，凈空尺寸為5.8m×5.8m，初期支護(hù)采用復(fù)合式支護(hù)：噴射混凝土（厚度20cm），設(shè)置系統(tǒng)錨桿（Φ22＠1.0m，錨桿長4m），掛鋼筋網(wǎng)（Φ8＠15×15 cm），架設(shè)鋼拱架（I16型，間距50cm）。二次襯砌為全斷面設(shè)置，底板厚80cm，邊頂拱厚60cm。進(jìn)行隧道內(nèi)施工設(shè)備選型時，應(yīng)以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和設(shè)備可進(jìn)出為原則，綜合考慮施工工期、施工強度、工序安排、地形特征、運輸方向、運送長度、開挖工程量等因素，確保施工均衡有序。

2.3 施工技術(shù)要點

2.3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

在隧道工程施工中，對于復(fù)雜地質(zhì)情況的預(yù)測不可避免地會存在誤差。通過地質(zhì)超前預(yù)報的方法可以對隧道掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行及時準(zhǔn)確的預(yù)報，從而預(yù)防隧道塌方、突水等潛在的災(zāi)害性事故發(fā)生。工程采用表面雷達(dá)法和TSP法探測工作面前方、側(cè)壁20～30m深度以及掌子面前方的地質(zhì)情況，判別不良地質(zhì)體的位置及規(guī)模，推測地下水的大致富水程度、圍巖完整程度等。通過雷達(dá)測試觀測到掌子面前方K160＋424～K160＋404段圍巖節(jié)理發(fā)育發(fā)現(xiàn)，巖體整體性欠佳，裂隙水較少。此處圍巖設(shè)計為Ⅳ級圍巖，圍巖實際情況與設(shè)計基本吻合。

2.3.2 開挖方法

Ⅳ、Ⅴ級圍巖段總長度為11.39km，占隧道總長的68.8%，施工中極易發(fā)生坍塌事故，不宜采用TBM工法施工。工程采用短臺階法開挖，先開挖上斷面，并對頂拱進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)后再進(jìn)行下斷面落底，開挖采用光面爆破技術(shù)。爆破作業(yè)施工順序依次為：畫斷面輪廓線、鉆眼爆破、清理危巖、出渣、補炮、出渣、初期支護(hù)、下一輪循環(huán)。

隧道穿越F4斷層時存在斷層帶突水的可能，為保證工程工期，降低施工風(fēng)險，采用以斜井支洞作為施工通道的方案，沿線布置6個斜井支洞，斜井采用城門洞型，凈空尺寸為寬6m、高6.5m。以1號斜井為例，其總長為446.92m，明線段長139.08 m，隧道段長307.84m，起點高程為156.00m，終點高程為116.85m，綜合坡比8.76%，隧道明線段路寬7m。斜井洞口段土石方采用機械明挖，無法明挖的可用風(fēng)鎬、潛孔爆破等方法開挖。

2.3.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

工程初期支護(hù)控制措施分為洞身段超前支護(hù)、洞身段系統(tǒng)支護(hù)等。洞身段系統(tǒng)支護(hù)時，隧道內(nèi)部先進(jìn)行斷面檢查，巖面清理后初噴混凝土封閉；分段分片復(fù)噴射混凝土至設(shè)計厚度，按先墻后拱、自下而上的順序進(jìn)行。洞身段超前支護(hù)時，超前小導(dǎo)管采用自制臺架，人工風(fēng)槍鉆孔后機械注漿［14－16］。隧道進(jìn)、出口50m范圍內(nèi)采用管棚法支護(hù)。管棚施工時采用長2m、厚1m的C25混凝土套拱作為導(dǎo)向墻，然后預(yù)埋Φ133無縫鋼管作為管棚導(dǎo)向鋼管。

2.3.4 二次襯砌

圍巖洞段先施工底板，底板混凝土緊跟開挖面，再施工邊頂拱襯。根據(jù)各類別圍巖洞段分布情況，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段襯砌工作面分為進(jìn)口施工段、1＃斜井上下游施工段、2＃斜井上下游施工段、3＃斜井上下游施工段、4＃斜井上下游施工段、5＃斜井上游施工段，各施工段長度在564～1 800m。底板使用棧橋帶底拱臺車，邊頂拱襯砌使用全斷面液壓鋼模臺車，如圖1所示。

3 軟弱圍巖穩(wěn)定性分析

圖1 邊頂拱臺車、底拱臺車

軟弱圍巖隧道地質(zhì)及巖體的整體強度比地應(yīng)力弱時，圍巖失穩(wěn)。采用 MIDAS／GTS數(shù)值計算軟件，選?、跫墖鷰r段建立平面模型，分析采用臺階法施工時隧道圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌的受力、變形情況。圍巖和初期襯砌采用平面四邊形或?qū)嶓w單元模擬，初期支護(hù)和錨桿分別采用梁單元和植入式桁架單元模擬。圍巖開挖的破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，其他僅考慮彈性狀態(tài)。初始地應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力。地層沉降位移主要發(fā)生在施工部位附近，拱頂部位為主要下沉區(qū)域。整個施工過程中，各地層沉降等值線基本呈對稱分布。每步施工引起的最大沉降量均發(fā)生在隧道中心線處。上臺階支護(hù)后，拱頂沉降量占總沉降量的66%，下臺階支護(hù)后沉降基本完成。噴射混凝土?xí)r，內(nèi)力基本呈對稱分布。二次襯砌施工時，拱腰處出現(xiàn)最大軸力107.2kN。開挖完成后，拱腳處出現(xiàn)最大彎矩3.28kN·m。施工過程中，應(yīng)確保軸力突變處鎖腳錨桿的施工質(zhì)量，并對拱腳部位噴射適當(dāng)增厚的混凝土。錨桿軸力均不大于8kN，其中兩側(cè)錨桿軸力較大，最大錨桿軸力位于拱腳部位，軸力為1.04 kN。二次襯砌在拱腳部位應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為6.7kPa，最大壓應(yīng)力為87.3kPa，符合設(shè)計要求。

通過現(xiàn)場對拱頂沉降和凈空水平收斂的測量計算，可知沉降值并沒有隨時間急驟增長，且整體變形逐漸趨于穩(wěn)定，變化規(guī)律基本與數(shù)值模擬計算結(jié)果相同，說明施工方案作用良好，淺埋段圍巖支護(hù)效果較好。

4 結(jié) 語

（1）隧道穿越粉砂巖和泥巖等圍巖強度低、遇水易軟化的地層時，施工存在局部失穩(wěn)、掉塊、坍塌等復(fù)雜工程地質(zhì)問題，合理安排開挖、初期支護(hù)及永久襯砌等施工工序可有效降低施工擾動影響。

（2）隧道穿越斷層時，采用改豎井為斜井的方案，MIDAS／GTS數(shù)值計算結(jié)果顯示，施工過程中地層沉降位移基本呈對稱分布，上臺階支護(hù)后，拱頂沉降量占總沉降量的66%，下臺階支護(hù)后沉降基本完成；內(nèi)力分析表明，噴射混凝土?xí)r內(nèi)力基本呈對稱分布，初支支護(hù)后，拱腰處出現(xiàn)最大軸力與彎矩，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)沉降與變形整體趨于穩(wěn)定，驗證了施工方案的有效性。