臨崖巨型孤石與軟弱圍巖夾雜的大斷面隧道進洞施工技術(shù)

王 霞 江海宇

(1.廈門市集美國投置業(yè)有限公司 福建廈門 361000； 2.廈門市集美區(qū)國有資產(chǎn)投資有限公司 福建廈門 361000)

1 地形地質(zhì)概況

蓮花隧道全長4545m，為一座上、下行分離式四車道特長高速公路隧道，隧道右線洞口左側(cè)地質(zhì)主要由殘積礫質(zhì)粘性土夾雜小孤石組成，泡水易軟化崩塌，屬Ⅴ級圍巖。洞口輪廓線右上方是臨崖狀態(tài)的巨型孤石，部分嵌于隧道輪廓線內(nèi)，其余處于拱頂輪廓線外，洞口左、右側(cè)地質(zhì)情況嚴重不均。

2 工程重難點

洞口原地面邊坡坡度最大達到1∶0.25，若將巨型孤石爆破后再開挖隧道，則爆破范圍大，山體擾動大且對邊坡造成嚴重破壞，勢必影響施工安全加大洞口段的開挖和支護難度。若洞口段巖體重復(fù)進行應(yīng)力釋放與應(yīng)力重分布，更容易引起洞口段地表滑塌、偏壓塌方的事故發(fā)生。隧道開挖前處于穩(wěn)定狀態(tài)，開挖后巨型孤石基底將基本被掏空，處于半懸空狀態(tài)。拱頂孤石與隧道頂?shù)慕徊娌课皇芰顟B(tài)接近二維，孤石將由隧道初期支護結(jié)構(gòu)承受，受力形式極為不利，且有向左側(cè)軟弱面傾倒的可能，進洞難度極大。如何在不破壞原有地面，做好洞口段施工，盡快安全、穩(wěn)定地形成進洞局面，就成為蓮花隧道能否確保如期進洞展開規(guī)模施工的關(guān)鍵[1-2]。

3 施工技術(shù)處理方案

按設(shè)計初期支護設(shè)計為超前小導(dǎo)管結(jié)合工字鋼架、Φ25中空錨桿并網(wǎng)噴C25混凝土。根據(jù)施工技術(shù)細則及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，優(yōu)先開挖上部環(huán)形導(dǎo)坑右半邊臨崖孤石，初期支護緊跟。但監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，拱頂明顯出現(xiàn)下沉，洞口左側(cè)仰坡頂出現(xiàn)2.8cm～4.1cm裂縫，并有進一步發(fā)展趨勢。因此，決定立即暫停掘進，從安全、經(jīng)濟性方面重新研究施工方案。研究結(jié)果認為，造成進洞困難主要有兩方面原因，一是邊坡坡度過大，隧道洞口邊坡在長期表生地質(zhì)作用下處于平衡狀態(tài)，隧道施工破壞了山體原有平衡。隧道洞口仰坡開挖后，仰坡由三維受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為接近更不利的二維受力狀態(tài)，容易出現(xiàn)坍塌；二是左右側(cè)地質(zhì)情況嚴重不對稱。所以對洞口左側(cè)仰坡進行注漿、噴射砼加固及穩(wěn)固右側(cè)臨崖孤石，以平衡右側(cè)臨崖孤石的側(cè)向壓力，保持原有的三維受力平衡，同時通過超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測指導(dǎo)施工。

4 洞口支護加固方案設(shè)計

4.1 洞口左側(cè)仰坡加固及洞口上方陡坎加固方案[3]

針對洞口左側(cè)仰坡開裂的不穩(wěn)定情況，在右側(cè)孤石爆破開挖前穩(wěn)固洞口仰坡土體，首先使用防水布將洞頂覆蓋，消除因雨水滲入仰坡頂造成土質(zhì)含水率過大引起的溜塌隱患；依照梅花形1.0m×1.0m間距設(shè)置Φ22砂漿錨桿，錨桿外露端使用Φ18鋼筋連成一體，并網(wǎng)噴加厚C25混凝土反壓土體，使洞口輪廓線外側(cè)形成具有一定厚度的由錨桿與土體共同組成的復(fù)合承載拱，起到初期穩(wěn)定仰坡[3]，防止雨水滲入土體。加固措施效果如圖1所示。

圖1 梅花形設(shè)置Φ22錨桿并網(wǎng)噴砼

網(wǎng)噴臨時穩(wěn)定仰坡后，按梅花形1.0m×1.0m間距鉆設(shè)Φ42注漿小導(dǎo)管。小導(dǎo)管采用42mm、厚4mm的熱軋無縫鋼管，長度為3.5m，超前小導(dǎo)管依照15×15cm間距梅花形制作注漿孔，進行仰坡體注漿加固。水泥漿水灰比為1∶1(重量比)，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，注漿過程隨時觀測注漿壓力及注漿泵排漿量變化，以便分析注漿效果。達到設(shè)計終壓時，持壓5min，以使注漿小導(dǎo)管、及仰坡表面網(wǎng)噴混凝土形成整體，平衡右側(cè)臨崖孤石的側(cè)向壓力，使洞口仰坡由二維受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S受力狀態(tài)，有效保護仰坡坡腳及洞口上方陡坎。

通過對右洞掘進前洞頂?shù)乇沓两涤^測，變化值趨于平穩(wěn)，仰坡趨于穩(wěn)定，支護措施見成效。仰坡體注漿小導(dǎo)管如圖2所示,蓮花隧道右洞進口地表下沉如表1、圖3所示。

圖2 梅花形設(shè)置Φ42超前小導(dǎo)管并注漿

監(jiān)控斷面累計沉降量(mm)變化趨勢右洞P-1-22.6起始變化量值較大,趨勢平穩(wěn)P-2-34.2起始變化量值較大,趨勢平穩(wěn)P-3-27.8起始變化量值較大,趨勢平穩(wěn)P-4-23.4起始變化量值較大,趨勢平穩(wěn)P-5-21.3起始變化量值較大,趨勢平穩(wěn)P-6-25.6起始變化量值較大,趨勢平穩(wěn)

4.2 進洞施工方案選定及防坍塌措施

首先,探明洞口左側(cè)軟弱的殘積礫質(zhì)粘性土夾雜小孤石區(qū)域的范圍，以及洞口右側(cè)巨型孤石大小及走向，確認巨型孤石隨著里程的推進嵌入整個隧道輪廓線范圍內(nèi)，亦或是從洞口的一部分在輪廓線內(nèi)往偏離隧道輪廓線外延伸。這對當(dāng)前洞口進洞方案及對應(yīng)采取的加固措施和后續(xù)洞身開挖方案的確定起到?jīng)Q定作用。采用地質(zhì)雷達對洞口上部環(huán)形導(dǎo)坑區(qū)域左、右側(cè)往隧道掘進方向15m范圍內(nèi)圍巖情況分別進行超前探測[4]，得到地質(zhì)雷達探測圖像如圖4～圖5所示。

圖3 蓮花隧道右線地表沉降位移曲線

圖4 洞口左側(cè)地質(zhì)雷達波形圖

根據(jù)雷達探測圖像分析，在洞口左側(cè)段雷達波呈弱反射，反射波同相軸不連續(xù)，無規(guī)則、分散，初步推斷該范圍內(nèi)巖體與當(dāng)前掌子面相似，圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，存在夾雜小型孤石。洞口右側(cè)14m范圍內(nèi)，反射波同相軸較連續(xù)、較規(guī)則。推斷該范圍內(nèi)巖體與當(dāng)前掌子面巨型孤石呈現(xiàn)的微風(fēng)化花崗巖相似，巖體完整。但在14m～15m段，反射波同相軸呈現(xiàn)分散趨勢，初步判斷該臨崖孤石延伸至隧道縱向13m范圍，并在該處斷開或存在夾層。參考地質(zhì)雷達探明的巖體情況，并充分考慮現(xiàn)場洞口環(huán)境，結(jié)合以往施工經(jīng)驗，確定洞口左側(cè)軟弱部位采用超前雙排注漿小導(dǎo)管，右側(cè)采用超前長管棚穩(wěn)固巨型孤石相結(jié)合的施工方案。同時，通過長管棚鉆孔過程記錄，可以進一步確定孤石的深度及走向，指導(dǎo)洞身施工。

4.3 巨型孤石侵入洞門輪廓線管棚施工工藝

(1)大管棚受力特征及技術(shù)參數(shù)選定

為防止在隧道開挖過程嚴重偏壓的臨崖孤石失穩(wěn)防坍，采用大管棚以穩(wěn)固臨崖孤石(與通常用于軟弱滑塌體施工有所區(qū)別)，起點位于孤石上，中部跨過夾層，尾端嵌入穩(wěn)定的基巖，形成兩端有約束力的類簡支梁，與初期支護的鋼支撐形成一整體共同承受孤石在掘進過程的向心壓力。管棚施工主要技術(shù)參數(shù)：采用φ108熱軋無縫鋼管，壁厚6mm，單根長18m。鑒于隧道右線洞口段設(shè)計坡度為+2.95%，考慮充分發(fā)揮管棚結(jié)構(gòu)受力，并防止侵入隧道輪廓線內(nèi)，鉆孔傾角取4°～6°，方向與線路中線平行。

(2)類套拱施做

施做管棚套拱以保證管棚鉆孔精度。對巨型孤石不規(guī)則巖體進行控制定向爆破，將孤石突起處“削”成與成洞面相適宜的巖面，如圖6所示。工字鋼與超前注漿雙排小導(dǎo)管相結(jié)合，預(yù)先進行上部環(huán)形導(dǎo)坑開挖1.0m，環(huán)向設(shè)置4榀間距為20cm的 I18工字鋼支撐形成類套拱，如圖7所示。在噴射砼支護前，在工字鋼與巖石接觸部位預(yù)埋3個應(yīng)力感應(yīng)片并做好保護，供后期開挖施工過程支護應(yīng)力監(jiān)測。每榀工字鋼拱腳兩側(cè)各自鉆打8根雙排鎖腳錨管，并與工字鋼焊接牢固，同時考慮洞口段設(shè)計坡度為+2.95%。為了充分發(fā)揮工字鋼支撐與管棚形成共同受力體系，工字鋼安裝時，拱環(huán)有意向山體方向傾斜3°～5°，以抵抗山體的水平向外推力，使合力方向更趨近豎直向上，實現(xiàn)合理受力。工字鋼架上焊接直徑為127mm的孔口導(dǎo)向管。使用全站儀以坐標(biāo)法在工字鋼上定出其平面位置，水準(zhǔn)尺配合坡度板設(shè)定孔口管的傾角，運用前后差距法設(shè)定孔口管的外插角。

圖6 洞口右側(cè)定向爆破形成成洞面

圖7 工字鋼與超前注漿導(dǎo)管共同形成骨架

(3)搭設(shè)鉆孔平臺及鉆孔

使用鋼管腳手架搭設(shè)鉆機平臺并固定于開挖臺車上，精確核定鉆機位置與已設(shè)定好的孔口管方向平行。使用經(jīng)緯儀、鉆桿導(dǎo)向相結(jié)合，反復(fù)調(diào)整確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。在鉆孔過程，為便于安裝鋼管，采用直徑φ127mm鉆頭，鉆進過程實時記錄鉆進情況以判斷成孔質(zhì)量，同時做好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進行地質(zhì)判斷。作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)探預(yù)報，指導(dǎo)洞身開挖?，F(xiàn)場實際第一孔鉆進12.6m時鉆進速度突然加快，孔口巖屑由白色粉末狀變?yōu)樯詈稚?，與超前地質(zhì)雷達探測的相吻合，決定繼續(xù)鉆進。當(dāng)鉆至15.4m時，鉆進速度減慢，巖屑漸變?yōu)榘咨瑤r體轉(zhuǎn)好。確定1號管棚長度為23.0m，同時2-5號管棚均鉆至24m～26.5m不等(表2)。鉆孔完成后，利用高壓水將孔內(nèi)余渣清洗干凈，防塞管時卡管。

表2 長管棚施工參數(shù)

(4)安裝管棚鋼管并注漿

采用挖掘機與管棚鉆進機配合安裝管棚。管棚安裝完成后，與工字鋼支撐預(yù)留的定位鋼筋焊接牢固，并用C30混凝土將管棚與工字鋼端頭固結(jié)，作止?jié){墻。由于管棚存在向上4°～6°傾角，為了確保注漿飽滿，在管棚頂進安裝前，預(yù)先埋設(shè)直徑為2cmPVC管作為排氣管，長度與管棚長度相同，從管棚最里端直通至洞口端頭上表面，如圖7所示。

端頭安裝注漿孔，使用額定工作壓力3.0MPa的DSB-3型注漿泵注漿。注漿采用純水泥漿液，注漿壓力控制在0.7～1.0MPa。注漿過程參照理論計算注漿量，嚴格做好注漿記錄。當(dāng)漿液從排氣管冒出時，表明注漿已滿，以此方式分別對2～5號管棚進行注漿，現(xiàn)場施工如圖8～圖9所示。

圖8 定向鉆孔及管棚頂進

圖9 管棚注漿

待管棚注漿強度達到70%，采用環(huán)形導(dǎo)坑法開挖，控制臺階長度，初期支護緊跟的開挖方案，并依照設(shè)計設(shè)置縱向間距為2.4m超前雙排注漿小導(dǎo)管加固。根據(jù)在洞口K3+068斷面，管棚與工字鋼支撐之間預(yù)埋的應(yīng)力感應(yīng)片的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 K3+068斷面工字鋼拱應(yīng)力時程曲線

從K3+068斷面工字鋼拱應(yīng)力時程曲線可看出初期支護工字鋼拱經(jīng)歷了兩次明顯的變化：第一次是開挖9d后在上部環(huán)形導(dǎo)坑封閉初支撐，繼續(xù)開挖上部核心土的過程，由于圍巖荷載作用使工字鋼支撐內(nèi)力增大，該段工字鋼拱應(yīng)力呈緩慢上升態(tài)勢，上部環(huán)形繼續(xù)開挖過程趨于穩(wěn)定，說明管棚與工字鋼拱形成整體受力；第二次是開挖14d后，隨著下部核心土的開挖，該斷面工字鋼拱應(yīng)力出現(xiàn)一定幅度的上升，其中，中線拱頂應(yīng)力上升較為明顯，最大達81.6MPa。這是由于下部核心圖開挖并施做仰拱閉合成環(huán)后，該斷面工字鋼拱應(yīng)力出現(xiàn)少量下降并趨于穩(wěn)定。左側(cè)拱腰的最終觀測應(yīng)力為26.2MPa，中線拱頂?shù)淖罱K觀測應(yīng)力為81.3MPa，右側(cè)拱腰的最終觀測應(yīng)力為63.9MPa。使用超前大管棚穩(wěn)固巨型孤石達到預(yù)期的效果，將巨型孤石的應(yīng)力分散到每榀工字鋼拱中，消除隧道坍塌的隱患，同時避免隧道大開挖，創(chuàng)造較大經(jīng)濟效益。表3是全斷面超前長管棚施工方案同長管棚與注漿小導(dǎo)管結(jié)合的施工方案的施工工期及經(jīng)濟效益對比表，從表中可看出，方案2節(jié)省工期達15工日，且創(chuàng)造58.2萬元的經(jīng)濟效益，具有明顯的優(yōu)越性。

表3 方案工期及經(jīng)濟效益對比

5 結(jié)語

結(jié)合南廈高速蓮花隧道的進洞施工工程實例，總結(jié)了采用長管棚挑起巨型孤石、小導(dǎo)管注漿穩(wěn)固隧道滑坡面并網(wǎng)噴混凝土反壓土體的施工經(jīng)驗，避免了洞口邊仰坡大開挖、大爆破，實現(xiàn)安全進洞、創(chuàng)造客觀的經(jīng)濟效益和良好社會效益，為類似軟土及臨崖孤石復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的隧道進洞施工提供借鑒。