不良地質(zhì)條件下大型隧道安全施工措施研究

任 俊， 李 闖， 鄭 道 明

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

楊柳埡隧道位于達州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和達川區(qū)境內(nèi)，隧道起點位于國道210線旁禾林汽車城，與南北1號干道及已通車的中青路平交，進口毗鄰“好一新五金機電市場”“強升藥業(yè)”及“水上樂園”。隧道出口位于南外鎮(zhèn)火烽山村，洞頂為村民聚居區(qū)，其所居住的房屋結(jié)構(gòu)形式簡易，大多為單層磚墻，抗震強度低。隧道為分離式隧道，隧道左洞長710 m，右洞長690 m。進口為削竹式洞口，出口端為端墻式洞門，隧道凈寬14.45 m，凈高9.81 m，隧道開挖斷面面積為164.06 m2，隧道襯砌成型后面積為113.203 m2。

楊柳埡隧道開挖穿越的地層主要為砂巖、泥巖，圍巖較差，以Ⅴ類及Ⅳ類圍巖為主，巖層為單向傾斜，隧道區(qū)域內(nèi)的巖體為塊石碎石、層狀結(jié)構(gòu)～塊狀結(jié)構(gòu)，局部巨塊狀整體結(jié)構(gòu)。出露的地層:人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Q4c+dl)、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)等。洞內(nèi)地下水較富集，單洞涌水量達470 m3/d，反坡開挖時排水難度較大。隧道開挖期的安全成為施工中的重點和難點。

2 隧道開挖期的安全措施

2.1 洞口的安全施工

(1)超前管棚支護。洞口處于砂巖與泥質(zhì)砂巖分界面范圍內(nèi)，巖體較為破碎，開挖后易發(fā)生坍塌。施工中采用超前管棚支護以提高圍巖的穩(wěn)定性及承載力。邊坡開挖后，應(yīng)及時清除表面松動的危巖塊體并施做錨桿框格梁進行防護。

(2)洞口周邊排水。洞口邊坡削坡前，應(yīng)在洞口頂部與左、右邊坡設(shè)置截水溝，用以截流洞口上方的雨水，避免雨水對洞口邊坡的沖刷造成坍塌。

(3)洞口周邊安全。施工中考慮到洞口附近的居民區(qū)與施工營地的安全，在隧道洞口段爆破時采用隔段雷管、控制一次起爆炮孔或藥量的方法，將爆破質(zhì)點震動速度控制在2 cm/s內(nèi)，以減少爆破對巖體的擾動，確保周邊居民與建筑物的安全。

2.2 隧道特殊地質(zhì)條件洞段施工采取的安全措施

(1)施工原則。在隧道破碎帶施工時，采取了管棚、小導管與灌漿聯(lián)合的方式進行預支護。施工過程中，采用“多臺階、短進尺、弱爆破、快封閉、勤量測、強支護”的施工原則以保證施工期的安全[1]。

(2)初期支護。隧道為Ⅳ、Ⅴ類圍巖時其支護應(yīng)緊跟開挖面，在出渣完成后及時進行支護作業(yè)，支護方法為先噴5 cm厚的混凝土，然后施工錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、架立鋼拱架、鋼拱架之間采用鋼筋聯(lián)接，上述工序完成后補噴混凝土至設(shè)計厚度[2]。

(3)隧道下部的開挖要求。在軟巖及斷層破碎帶段仰拱施工中，其下半斷面開挖時會造成上半斷面拱架懸空，容易造成上部支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。為確保安全，隧道下部采用半邊開挖并對拱腳處的鋼拱架增設(shè)鎖腳錨桿。開挖時，盡量減少對圍巖的擾動，采用弱爆破或機械開挖相結(jié)合的開挖方法。

(4)隧道下穿民房段的安全施工。在隧道爆破開挖過程中，對周邊居民有較大影響。施工過程中采取了以下措施:①施工前，邀請地方政府、業(yè)主、監(jiān)理和項目部共同對隧道影響帶沿線民房現(xiàn)狀進行查看、照像及評估;②根據(jù)民房的實際狀況，隧道采用短進尺、弱爆破、控制爆破振動波速的措施滿足建筑物要求;③隧道穿過民房時的爆破作業(yè)均安排在上午與下午時段進行，晚上和深夜不進行爆破作業(yè)[3]。

(5)斷層破碎帶施工時設(shè)置應(yīng)急救生管道。在隧道爆破開挖過程中，為預防可能出現(xiàn)的齊頭突發(fā)性塌方對施工人員的隔斷與傷害，施工時在距掌子面4 m處的邊墻腳設(shè)置了一根長25～30 m的鋼管，管徑為80 cm并進行了適當?shù)墓潭ǎ敵霈F(xiàn)塌方險情時做為施工人員的逃生通道。

3 隧道安全施工采取的技術(shù)處理措施

3.1 隧道洞臉部位的施工

洞臉邊坡圍巖破碎，裂隙發(fā)育，施工從坡頂開始自上而下采用機械分層開挖，隨挖隨支護，在邊坡開挖至進洞樁號前，鑒于分段開挖形成的臨時仰坡裸露的時間一般不長，故暫不考慮臨時支護，施工時根據(jù)實際開挖后的地質(zhì)情況適當調(diào)整放坡坡度，以保證臨時仰坡的安全。

3.2 洞口超前大管棚施工

由于隧道進口與出口段的圍巖為Ⅴ類，開挖后圍巖自穩(wěn)能力極差，為防止隧道進出口施工過程中出現(xiàn)坍塌，施工中采用φ108鋼管作管棚支護并配合Ⅰ18工字鋼作拱架的進洞方案，大管棚尾部采用小管棚銜接，管棚的技術(shù)參數(shù)為:

(1)管棚的直徑與長度:超前大管棚采用φ108無縫鋼管，單根鋼管的長度為10 m。

(2)鋼管的連接方式:鋼管之間的接頭采用絲扣鏈接，絲扣螺紋段的長度應(yīng)大于15 cm，相鄰鋼管接頭應(yīng)錯開1 m以上，隧道縱向同一截面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%。

(3)在管棚鋼管上鉆注漿孔:在鋼管上鉆孔徑為10～16 mm的注漿孔，孔與孔的間距為25 cm，呈梅花型布置。管棚尾部1.5 m不鉆孔，作為止?jié){段。

(4)施工要求:管棚施工時其環(huán)向間距為40 cm，管棚與隧道中線平行，其仰角為1°～3°(不含路線縱坡度)，施工中根據(jù)實際情況進行調(diào)整，采用YYG150液壓鑿巖機鉆孔。

(5)注漿材料:水灰比為1∶1。向管棚內(nèi)注漿時先里后外，全管采用一次性注漿，注漿的初始壓力為0.8～1 MPa，終始壓力為1.5～2 MPa。為避免注漿時發(fā)生串孔，原則上鉆成一孔、注漿一孔。

3.3 隧道施工采取的安全技術(shù)處理措施

分離式隧道按新奧法原理組織施工，采用分臺階開挖、光面爆破技術(shù)、鋼拱架與噴錨支護、量測技術(shù)、仰拱超前施工、邊頂拱跟進襯砌的施工流程，形成掘進、噴錨、襯砌三條作業(yè)線有序施工。

3.3.1 爆破參數(shù)的選擇

爆破參數(shù)的確定采取理論計算、工程類比與現(xiàn)場試爆相結(jié)合，以保證爆破振動速度在符合安全規(guī)定的前提下提高隧道開挖成型質(zhì)量和施工進度[4]。

(1)炮孔設(shè)計參數(shù)。所設(shè)計的炮孔深度受爆破震動強度、施工進度與安全要求控制，結(jié)合鋼拱架的安裝間距(Ⅳ類圍巖使用Ⅰ18型鋼拱架，榀與榀的間距為1 m，Ⅴ類圍巖采用Ⅰ20型鋼拱架，榀與榀的間距為0.6～0.7 m)，炮孔設(shè)計參數(shù)見表1。

(2)爆破器材。炸藥選用2#乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，單根藥卷長20 cm。雷管選用非電毫秒雷管，起爆雷管采用電雷管[5]。

(3)爆破網(wǎng)路。由于施工中雷管段數(shù)較多，為提高雷管延遲時間的精度，采用孔內(nèi)控制的微差爆破。起爆順序為由內(nèi)向外、逐層起爆，同層炮孔必須同時起爆，以確保同層炮孔的共同作用與效果。

3.3.2 開挖施工工藝

鑒于楊柳埡隧道長度較短，最終決定采用從出口端單頭掘進的方式并嚴格遵循新奧法施工原理，在隧道開挖施工中堅持按“短進尺、弱爆破、勤量測、早支護、襯砌跟進”的施工原則施工。由于隧道地質(zhì)條件較差，施工中應(yīng)控制好各道工序，根據(jù)現(xiàn)場圍巖變化情況及時修改爆破進尺、爆破參數(shù)與支護方式。

表1 楊柳埡隧道炮孔設(shè)計參數(shù)表

(1)孔位放線。鉆孔前使用全站儀進行測量并放出孔位，用紅油漆準確標出炮孔位置，每個炮孔的誤差不得超過5 cm。在隧道每次測量放線的同時，使用收斂儀對上一次爆破的斷面進行變形檢查，利用檢查結(jié)果對爆破和支護參數(shù)進行修正。

(2)鉆孔要求。由于隧道圍巖較差，施工時采用分層開挖的方式，鉆孔采用YT-28風鉆進行。鉆工施工前應(yīng)熟悉炮孔布置圖，對于精度高的掏槽孔與周邊孔須將其開孔誤差控制在3 cm以內(nèi)，并由經(jīng)驗豐富的鉆工鉆孔，確保各炮孔孔底在同一鉛垂面上。

(3)孔位檢查與清孔。鉆孔完成后，及時對炮孔進行檢查，做好炮孔檢查實際情況的記錄，如炮孔偏差較大時，應(yīng)調(diào)整裝藥量或重新鉆孔并采用高壓風吹出孔內(nèi)的余水和石粉。

(4)裝 藥。炮孔經(jīng)檢查合格后裝藥，裝藥方式為分區(qū)分組，裝藥順序應(yīng)自上而下進行，每孔的裝藥量嚴格按設(shè)計圖確定的藥量進行。起爆體裝入孔內(nèi)前，應(yīng)對雷管進行檢查與核實，裝藥作業(yè)采取定人、定位、定雷管段別的方式進行。

(5)堵塞炮孔。每孔裝藥完成后，立即進行堵塞，堵塞炮孔用的黃泥條采用黃泥和沙混合而成，泥條要放在棚內(nèi)陰干部分水分。堵塞長度20 cm，在孔口處再堵塞20 cm長，堵塞一定要密實。

(6)網(wǎng)路的聯(lián)接和起爆。網(wǎng)路按照爆破的要求聯(lián)接好后應(yīng)由專人進行檢查，待檢查無問題后聯(lián)接起爆雷管和起爆器進行起爆。

(7)防塵措施。隧道鉆孔作業(yè)時，除進行濕式打孔外，現(xiàn)場施工人員均應(yīng)佩戴防塵口罩并加強隧道內(nèi)的通風，同時采用“W”型水幕降塵器噴霧水降塵，確保作業(yè)面的粉塵含量達到國家標準。

4 結(jié) 語

達州市楊柳埡大型隧道穿越的地層為砂巖、泥巖，圍巖以Ⅴ、Ⅳ類為主，洞內(nèi)地下水較富集。施工過程中采用大管棚超前支護加固地層，小管棚與鋼拱架配合系統(tǒng)錨桿、噴混凝土聯(lián)合支護，有效解決了不良地質(zhì)段的施工難題，施工中堅持按“短進尺、弱爆破、勤量測、早支護、襯砌跟進”的施工原則進行。施工過程中嚴控各道工序，堅持勤測量，隨時發(fā)現(xiàn)失控點，及時采取補救措施，根據(jù)現(xiàn)場圍巖變化情況及時修改爆破進尺、爆破參數(shù)與支護方式。在保證隧道施工進度與施工安全的情況下，隧道于2017年4月安全貫通。