淺析小凈距隧道工程的開挖與支護(hù)施工技術(shù)

■劉唐斌

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

小凈距隧道指的是雙洞的中夾巖柱寬度介于連拱隧道和雙線隧道之間,一般小于1.5倍隧道開挖斷面的寬度。具有兩個(gè)基本條件，其一具有明顯著隧道項(xiàng)目力學(xué)的影響范圍，其二是具有可行的中間巖相關(guān)加固技術(shù)。小凈距隧道與正常分離式隧道比較有三個(gè)突出的特點(diǎn)：左右隧道之間的間距較小、隧道整體圍巖較差、隧道埋深較淺。小凈距隧道工程可充分應(yīng)用中間圍巖的承載力，縮小隧道之間的間距，減少隧道工程兩側(cè)的接線項(xiàng)目工作量，提升隧道自由空間，降低項(xiàng)目成本[1]。但開挖和支護(hù)一直是小凈距隧道工程施工的重難點(diǎn)，如何有效保證開挖效果和支護(hù)質(zhì)量，是整個(gè)工程施工建設(shè)的關(guān)鍵?；诖耍_展小凈距隧道工程的開挖與支護(hù)施工技術(shù)的分析研究就顯得尤為必要。

一、工程概述

本合同段為際豐隧道左洞，本隧道全長293m，左右洞呈小凈距布置，為短隧道。隧道縱坡坡率/坡長：2.5%/293m。隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)樁號ZK28+211，進(jìn)口設(shè)計(jì)高程為240.622m；隧道出口設(shè)計(jì)樁號為ZK28+504，出口設(shè)計(jì)高程為248.290m。本隧道場址區(qū)屬侵蝕、剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，軸線最高點(diǎn)海拔為333m，山坡植被發(fā)育，第四系覆蓋土層厚度約為2-4m，進(jìn)口段坡度約20°～35°，出口段坡度約30°～40°。沿線地表植被發(fā)育，主要為雜木、杉木及竹林。隧道區(qū)地下水主要為風(fēng)化基巖中網(wǎng)狀裂隙-孔隙水及急眼裂隙水，隧道最大總涌水量約94.80m3/d。本隧道在區(qū)域上未見斷裂構(gòu)造帶，地殼整體相對穩(wěn)定。

二、小凈距隧道工程的開挖施工技術(shù)

在開挖之前，需要先進(jìn)行圍巖超前預(yù)加固和地表加固，尤其是針對Ⅳ級圍巖可采用上下臺(tái)階和正反單向側(cè)壁導(dǎo)洞組合的開挖方法。其中先行洞開挖工序比較簡單，采用上下臺(tái)階法開挖即可。后行洞地質(zhì)比較松軟，為保證施工的安全性，需要先加固中夾巖，再利用側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行穩(wěn)固處理，以降低后行洞開挖對中夾巖造成的擾動(dòng)。針對巖性比較好的Ⅲ級以上圍巖，可采用超前導(dǎo)坑預(yù)留爆破層法施工。

（一）明洞和洞門開挖

本工程施工中，洞口位置地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，使用明挖施工技術(shù)可滿足施工要求，并且還能降低施工難度，保證施工效率。具體開挖方案為：機(jī)械配合人工開挖，通過轉(zhuǎn)載機(jī)裝碴，自卸車將碴運(yùn)輸?shù)街付壊陥觥?/p>

溝槽開挖是明挖施工的重點(diǎn)內(nèi)容，為保證施工效率和安全性，需要合理做好排水處理，并且要提前完成截水溝布設(shè)工作。具體的開挖原則為：最大限度上降低洞口刷坡，并盡量完成早進(jìn)洞，因地制宜地開挖。如果在明挖過程中，一側(cè)立足在圍巖之上，而另一側(cè)位于土層結(jié)構(gòu)上，在具體開挖時(shí)，為避免發(fā)生基礎(chǔ)不均勻沉降，當(dāng)土層開挖到巖層上時(shí)，要形成臺(tái)階，并砌筑片石，保證明洞基礎(chǔ)可以有效落實(shí)到穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)的基礎(chǔ)上，一旦發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)穩(wěn)定性不足，必須及時(shí)處理，保證明洞開挖基礎(chǔ)的承載力大于400kPa。

在洞門開挖時(shí)，基礎(chǔ)要盡量布置在比較穩(wěn)定的地層上，及時(shí)清除虛碴及各種雜物，夯實(shí)洞門頂部回填土，洞門砌筑和墻后回填應(yīng)當(dāng)同時(shí)進(jìn)行。此外，在洞門開挖時(shí)，要盡量避免采用集中藥包爆破以免影響邊坡和仰坡的穩(wěn)定性。

（二）Ⅴ級圍巖開挖施工

案例工程中，Ⅴ級圍巖開挖是開挖工程的重中之重，受到地質(zhì)條件和施工技術(shù)等因素的共同限制，采用了隔壁開挖施工方法，具體方法為：先通過人工開挖的方式，整平Ⅴ級圍巖開挖，然后進(jìn)行弱爆，弱爆產(chǎn)生碴土，通過裝載機(jī)及時(shí)清理。由于隧道工程為雙洞小凈距隧道，具體施工順序如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)開挖施工順序圖

小凈距隧道由于中夾巖柱的寬度較小,后開挖隧道的爆破振動(dòng)對先開挖隧道會(huì)產(chǎn)生較大影響,應(yīng)將先開挖隧道襯砌處的振動(dòng)速度控制在15cm/s以內(nèi),并以此作為后開挖隧道各段爆破藥量的計(jì)算依據(jù)。為避免震動(dòng)波的疊加,必須采用微差控制爆破,各段起爆時(shí)間應(yīng)根據(jù)震動(dòng)測試確定,或按經(jīng)驗(yàn)值200ms為宜。周邊沿按開挖輪廓線布置,必須采用小直徑藥卷嚴(yán)格控制裝藥量,并使藥量沿炮眼全長合理分布,采用毫秒雷管微差順序起爆,使周邊爆破時(shí)產(chǎn)生臨空面。

（三）Ⅳ級圍巖開挖施工

采用臺(tái)階開挖施工技術(shù)，開挖臺(tái)階長度在2～3m。主要利用專業(yè)的鉆巖機(jī)鉆孔處理，當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行清孔作業(yè)，在孔道中下放塑料導(dǎo)爆管，為降低對周圍巖體造成的擾動(dòng)，本工程采用了非電起爆系統(tǒng)，進(jìn)行光面爆破。其中，上臺(tái)階通過人工開挖，借助小車出碴，一直開挖到下臺(tái)階。下臺(tái)階通過挖斗機(jī)出碴，自卸式汽車將碴土運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢肹2]。需要按照工程地質(zhì)條件合理確定，為保證開挖的通暢性，要合理調(diào)整施工工序，通過鉆爆、裝碴、運(yùn)輸聯(lián)合作業(yè)，提升開挖效率。臺(tái)階開挖完成之后，要及時(shí)開展初期支護(hù)，臺(tái)階開挖施工技術(shù)平面圖如圖2所示。

（四）Ⅲ級圍巖開挖施工

Ⅲ級圍巖段采用全斷面開挖，具體開挖步驟為：首先進(jìn)行全斷面開挖，其次進(jìn)行全斷面初期支出，然后合理鋪設(shè)防水層，最后進(jìn)行模筑二次襯砌[3]。

圖2 臺(tái)階開挖施工技術(shù)平面圖

（五）鉆爆開挖施工

Ⅴ級圍巖人工開挖難度比較大，因此在本工程施工中采用了弱爆破開挖方式，輔以風(fēng)鎬開挖，核心土采用松動(dòng)爆破+挖掘機(jī)開挖的方式，雷管段數(shù)布置圖如圖3所示。

圖3 Ⅲ級圍巖開挖鉆爆炮眼布置圖（單位：mm）

三、小凈距隧道工程支護(hù)施工技術(shù)

（一）襯砌支護(hù)施工

本工程噴射混凝土所用漿料用自動(dòng)計(jì)量拌合站集中拌合，為保證支護(hù)效果，分兩次混凝土噴射，開挖完成之后進(jìn)行第一次混凝土噴射，防止巖體表面直接暴露在空氣中，造成巖體氧化及侵蝕。當(dāng)錨桿、網(wǎng)片等支護(hù)完后，開始第二次噴射[4]。噴射混凝土支護(hù)步驟為：

第一步，調(diào)試噴射混凝土機(jī)具，并在料斗口安裝篩孔為15mm振動(dòng)篩，骨料采用超粒徑骨料。先用高壓水沖洗巖面，去除塵土、雜物之后，再噴射混凝土。

第二步，合理調(diào)整送風(fēng)面壓力，控制風(fēng)壓在0.1～0.15MPa，如果風(fēng)壓過大，或?qū)е鹿橇戏磸椨绊憞娚浠炷林ёo(hù)效果。而如果風(fēng)壓過小，則會(huì)導(dǎo)致骨料無法有效落在層面上，也會(huì)影響支護(hù)效果。合理控制噴嘴到巖面之間的距離，最好控制在60～120cm，超過此范圍也會(huì)影響支護(hù)效果。

第三步，保證噴頭和巖體表面垂直，沿隧道直徑方向噴射混凝土，但在噴射中如果遇到鋼架或者錨桿，可適當(dāng)調(diào)整垂直度，但最小不能低于70°。在噴射時(shí)要盡量保證噴射料束呈現(xiàn)螺旋形運(yùn)動(dòng)[5]。

第四步，嚴(yán)格控制初次噴射后，控制在4～6cm，首層噴射混凝土要注重填平補(bǔ)齊。為最大限度上保證支護(hù)質(zhì)量，噴射混凝土?xí)r要盡量分片進(jìn)行，且每段長度控制在6m以下，為降低回彈量，在混凝土噴射時(shí)，要按照從下向上的方法旋噴，呈現(xiàn)“S”形運(yùn)動(dòng)。

（二）超前支護(hù)

由于小凈距隧道兩側(cè)間距小,施工難度大,在洞口淺埋地段及軟弱圍巖地段可采用超前長管棚注漿、超前小導(dǎo)管注漿及超前錨桿等超前支護(hù)措施,可有效保證洞口安全及軟弱段的順利通過。小導(dǎo)管注漿支護(hù)是沿著隧道縱向在拱上部或者橫向拱腳處在輪廓開挖線之外，一定范圍中密排的注漿管，在打入時(shí)需要傾斜一定的角度，其中拱部向上傾斜度控制在5°～20°，邊墻向下控制在10°～20°。水平搭接長度要控制在1.m以上。通過帶孔眼的導(dǎo)管將各種不同的漿液注入，滲透到地層有效范圍中，從而達(dá)到改善地層參數(shù)、提升地層自身承載力的效果。此外，通過小導(dǎo)管支護(hù)還能起到縱向梁超前支護(hù)的作用。

（三）中空注漿錨桿支護(hù)施工

本工程錨桿支護(hù)是重點(diǎn)支護(hù)項(xiàng)目，對后期各道工序的順利、安全、有序開展有重要作用，為保證錨桿支護(hù)效果，采用TT-28鑿巖機(jī)進(jìn)行施工，每個(gè)錨桿孔的偏差要控制15mm以下，鉆孔深度要略大于錨桿的總長度。在施工前，需要對錨桿質(zhì)量及清潔度進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)達(dá)到要求后，才能進(jìn)行錨桿支護(hù)施工。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后插入錨桿，保證錨桿外露部分小于總錨桿長度的5%，錨桿固定完成后，注入配制好的水泥砂漿，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，保證墊板緊貼圍巖。在進(jìn)行錨桿預(yù)張力施工時(shí)，擰緊力矩要控制在100N·M以上。如果遇到破碎巖層，錨桿注漿時(shí)采用C20以上早強(qiáng)水泥灌注，控制水灰比在0.7左右，注漿壓力可適當(dāng)提升，但最好不要超過2.0MPa[6]。如果圍巖整體性比較高，則采用C30以上無收縮早強(qiáng)水泥漿液灌注，控制水灰比在0.3～0.4MPa，注漿壓力控制在1.5MPa以下。本工程中空注漿錨桿施工標(biāo)準(zhǔn)如附表1所示。

（四）鋼筋網(wǎng)片支護(hù)施工

當(dāng)錨桿支護(hù)施工完成之后，鋼筋網(wǎng)相互搭接處，用電焊焊接牢固，避免松動(dòng)脫落，保證鋼筋網(wǎng)片支護(hù)效果[7]。本工程鋼筋網(wǎng)片支護(hù)施工標(biāo)準(zhǔn)如附表2所示。

本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了小凈距隧道工程的開挖與支護(hù)施工技術(shù)，分析結(jié)果表明，小凈距隧道工程是一種全新隧道工程施工方法，合理應(yīng)用可大幅度提升隧道工程施工的安全性和施工質(zhì)量。開挖和支護(hù)是此類工程施工的重難點(diǎn)，需要結(jié)合工程特性和工程要求，按照不同的地質(zhì)條件選擇與之相適的開挖方法和支護(hù)技術(shù)，才能最大限度地保證施工效率。

附表1 中空注漿錨桿施工標(biāo)準(zhǔn)

附表2 鋼筋網(wǎng)片支護(hù)施工標(biāo)準(zhǔn)