復(fù)理石地層淺埋偏壓隧道開挖施工方法

李建寶

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300170）

山嶺地區(qū)隧道施工經(jīng)常會遇到淺埋偏壓的情況，淺埋隧道圍巖多松散、破碎；而偏壓隧道兩側(cè)圍巖受力偏差較大。如果淺埋偏壓隧道處理不當(dāng)，極易發(fā)生塌方危險，嚴(yán)重威脅人員生命安全，對工程本身也會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、工期損失。因此，研究淺埋偏壓隧道施工方法具有重要的實際意義。國內(nèi)學(xué)者針對淺埋偏壓隧道有很多不同的研究：西南交通大學(xué)的牟智恒等[1]通過有限元分析，對臺階法、CRD法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進(jìn)行了比選；李志星等[2]采用雙排注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)、反壓回填、控制爆破振動等措施進(jìn)行淺埋偏壓隧道施工；張學(xué)強(qiáng)[3]對冰水洪積碎石土地層超淺埋偏壓隧道的開挖方案進(jìn)行了研究。本文對復(fù)理石地層淺埋偏壓隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖施工介紹。

1 項目概況

1.1 工程概況

黑山共和國 Bar-Boljare 高速公路 Smokovac-Uvac-Matesevo段建設(shè)項目第4標(biāo)段，初步設(shè)計左線起訖里程為K31+738.96～K40+866.00，長度為9127.04m；右線起訖里程為K31+808.14～K40+870.871，全長9062.73m。

1.2 工程地質(zhì)情況

施工區(qū)域內(nèi)均為復(fù)理石地層，由多種巖石組成的具有明顯韻律層的巖石組合，以泥灰?guī)r、砂巖為主，達(dá)到90%，薄層狀結(jié)構(gòu)，頻繁互層，中間夾雜角礫巖，強(qiáng)風(fēng)化、節(jié)理發(fā)育破碎，層理構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，遇水具有泥化現(xiàn)象。

1.3 淺埋偏壓段情況介紹

16號隧道（Pajkov vir隧道）淺埋段里程LK35+035.04～LK35+010.04需要穿越溝谷，進(jìn)洞238m后出現(xiàn)長度為25m的淺埋段。其中最小覆蓋層厚度為7.1m，最大覆蓋層厚度13.5m，地表易塌陷、開裂，成洞困難，施工難度大。

2 開挖施工方法

根據(jù)主設(shè)計，隧道開挖采用臺階法（圖1），如遇Ⅴ級或Ⅵ級等較差圍巖，則采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。

圖1 臺階法開挖隧道

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，對隧道開挖工作面前方地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等地質(zhì)情況進(jìn)行探測預(yù)報，進(jìn)一步查清前方工程、水文及不良地質(zhì)等信息，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率和危害程度，保證隧道工程質(zhì)量安全。

2.2 超前支護(hù)

項目所在地山體富含大量裂隙水，采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，將前方開挖軟弱圍巖進(jìn)行預(yù)固結(jié)。通過漿液滲透到周邊巖體裂隙，硬化后阻隔裂隙水滲透到隧道開挖區(qū)域周圍。采用3m長的φ1.5英寸小導(dǎo)管超前支護(hù)，施工程序為：施工準(zhǔn)備→測量放點→布孔→鉆機(jī)鉆孔→清孔→導(dǎo)入小導(dǎo)管→注漿→檢驗驗收→封孔。

小導(dǎo)管前端封閉并制作成錐形，尾端焊接φ8鋼筋加勁箍，防止施工時導(dǎo)管尾端變形。在前部鉆注漿孔，孔徑6～8 mm，孔距15～20cm，呈梅花形布置，尾部長度不小于30cm，作為不鉆孔的止?jié){段（圖2）。

圖2 超前小導(dǎo)管制作示意圖

為保證小導(dǎo)管的支護(hù)效果，減小小導(dǎo)管的插入角，小導(dǎo)管從格柵拱架中間穿過，尾部與格柵拱架焊接在一起（圖3）。

圖3 超前小導(dǎo)管安裝示意圖

超前小導(dǎo)管安裝完畢后用塑膠泥（水玻璃拌合425水泥）封堵導(dǎo)管周圍及孔口。小導(dǎo)管安設(shè)后必須對工作面進(jìn)行噴射混凝土封閉，噴射厚度以10～15cm為宜，封閉范圍為開挖工作面及臨近開挖工作面3m范圍的環(huán)向開挖面。小導(dǎo)管安裝完成后，旋緊孔口閥，連接注漿管路后進(jìn)行壓水試驗。

調(diào)查地質(zhì)情況，按滲透系數(shù)確定注漿類型，進(jìn)行注漿設(shè)計。確定漿液配比、注漿壓力等注漿參數(shù)；通過試驗確定或調(diào)整注漿半徑、注漿壓力和單管注漿量。

注漿施工時，注漿壓力按分級升壓法控制，由注漿泵油壓控制調(diào)節(jié)；漿液先稀后濃、注漿量先大后?。怀靶?dǎo)管注漿壓力應(yīng)符合設(shè)計要求，漿液必須充滿鋼管及其周圍的空隙。以終壓控制為主，以注漿量校核，當(dāng)注漿壓力為0.7～1.0MPa，持續(xù)15min即可終止。

2.3 洞身開挖

傳統(tǒng)礦山法開挖常采用鉆爆的方式，這種方式存在以下缺點：

（1）造成巖體破裂形成松弛狀態(tài)，隨時都有可能導(dǎo)致塌方，嚴(yán)重威脅施工人員人身安全。

（2）復(fù)理石地層的爆破面很難控制，極易造成超挖現(xiàn)象，需要噴混填補(bǔ)，造成嚴(yán)重浪費。

（3）項目位于歐洲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，施工過程中對于環(huán)保要求極高，鉆爆法施工產(chǎn)生的噪聲及煙塵都無法滿足環(huán)保要求。

項目首次在歐洲國家采用XTR260型懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖施工（圖4），其懸臂端切削部位可控性強(qiáng)，有利于控制開挖線，有效的減少隧道超欠挖的情況。利用截割頭切削巖體，對周邊圍巖擾動極小，大大提高施工的安全性。開挖完畢，對開挖輪廓線進(jìn)行量測復(fù)核，確定超欠挖情況。

圖4 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工

施工時根據(jù)實際圍巖等級和主設(shè)計，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，并及時跟進(jìn)初期支護(hù)。循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和初期支護(hù)格柵鋼架間距合理確定。Ⅲ、Ⅳa級圍巖不宜超過2.0m，Ⅳb、Ⅳc級不宜超過1.5m，Ⅴ不宜超過1.0m。同時持續(xù)對洞外地面沉降、拱頂沉降、洞周收斂情況進(jìn)行監(jiān)控量測，一旦發(fā)現(xiàn)變化異常，則立即停止施工，并根據(jù)需要采取回填反壓措施，防止出現(xiàn)塌方等安全事故。

2.4 初期支護(hù)

拱架安裝流程：地質(zhì)素描→初噴→掛鋼筋網(wǎng)片→清理底腳虛渣→安裝拱架→安裝橫向連接筋→掛鋼筋網(wǎng)片→復(fù)噴混凝土→安裝錨桿。

2.4.1 地質(zhì)素描

一個開挖循環(huán)結(jié)束，出渣完畢后，首先由地質(zhì)工程師進(jìn)行地質(zhì)素描，確定實際圍巖等級，并出具地質(zhì)素描報告（圖5）。

圖5 地質(zhì)素描報告（部分）

在歐洲國家的工程項目，地質(zhì)素描是一項極其重要的工作：

（1）它是施工單位確定現(xiàn)場地質(zhì)條件的依據(jù)；

（2）它是監(jiān)理工程師進(jìn)行簽認(rèn)，進(jìn)行下道工序的重要依據(jù)；

（3）經(jīng)監(jiān)理工程師簽認(rèn)的地質(zhì)素描報告是計量計價的必需資料；

（4）如現(xiàn)場地質(zhì)條件與設(shè)計不一致，地質(zhì)素描報告和地質(zhì)對比報告是設(shè)計變更及變更索賠的必不可少的資料。

2.4.2 安裝拱架和鋼筋網(wǎng)片

地質(zhì)素描結(jié)束后，首先對開挖面進(jìn)行一次初噴封閉，然后安裝第一層鋼筋網(wǎng)片。使用提前施作好的定位筋固定焊接或綁扎，再把鋼筋片焊接或綁扎成網(wǎng)，網(wǎng)片搭接長度不少于2個網(wǎng)格即30cm。

格柵鋼架安裝在掌子面開挖初噴及第一層鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)完成后立即進(jìn)行。為保證各節(jié)格柵鋼架在全環(huán)封閉之前置于穩(wěn)固的地基上，安裝前應(yīng)清除各節(jié)格柵鋼架底腳下的虛渣及雜物。同時每側(cè)安設(shè)2根鎖腳錨桿將其鎖定，底部開挖完成后，底部初期支護(hù)及時跟進(jìn)，將格柵鋼架全環(huán)封閉。Ⅴ級圍巖應(yīng)根據(jù)實際情況在拱部格柵鋼架基腳處設(shè)槽鋼以增大基底受力面積。

拱架安裝完畢后，安裝橫向連接鋼筋，將各拱架連成整體，最后再安裝第二層鋼筋網(wǎng)片，要求同第一層。

2.4.3 噴射混凝土

鋼筋網(wǎng)片安裝完畢后噴射混凝土，噴混分段、分層，由下而上，依次進(jìn)行。噴槍離巖面距離0.6～1.0m左右，噴槍應(yīng)大致與巖面垂直。每次噴層厚度拱墻以5～7cm 為宜。拱頂以3～5cm為宜。對于涌水量較大的地段可設(shè)置排水管將水引出再進(jìn)行噴射混凝土施工。

2.4.4 安裝錨桿

除圍巖破碎帶采用IBO錨桿外，其余圍巖采用砂漿錨桿。砂漿錨桿作業(yè)程序是：鉆孔→清孔→錨孔檢查→注漿→插入錨桿。

鉆孔應(yīng)按照設(shè)計定出孔位，其允許偏差為±15cm。鉆桿應(yīng)保持直線，宜與其所在部位的圍巖主要結(jié)構(gòu)面垂直。注漿時先將注漿管插至錨桿孔底，然后開始注漿。隨著砂漿不斷壓入孔內(nèi)，注漿管跟著緩緩?fù)顺鲥^孔，并始終保持注漿管口埋在砂漿內(nèi)，以免漿中出現(xiàn)空洞。將注漿管全部抽出后，立即把φ25的SN錨桿插入錨桿孔，然后用木楔堵塞孔口，防止砂漿流失。

錨桿安裝完畢后不得懸吊重物，待砂漿達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，安裝墊板和螺母，并用扭矩扳手?jǐn)Q緊（圖6）。

圖6 砂漿錨桿安裝示意圖

初期支護(hù)完畢，要繼續(xù)對地表及洞內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控量測，確保隧道施工安全，并以此確定防水層及二次襯砌的施工時間。

3 結(jié)語

復(fù)理石地層淺埋偏壓隧道的開挖，遵循淺埋暗挖隧道的“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的“18字方針”。而采用懸臂掘進(jìn)機(jī)取代鉆爆法的優(yōu)點主要有：

（1）大大減少超挖現(xiàn)象，減少噴混量，有利于節(jié)約成本。

（2）大大減小對周邊圍巖的擾動，提高施工安全性和環(huán)保性。經(jīng)監(jiān)測證實，地面沉降量及拱頂沉降量較鉆爆法施工都大大減小。按照歐洲施工要求，需滿足月沉降小于4mm時方可施作二次襯砌。因此懸臂掘進(jìn)機(jī)施工法也有助于加快二襯開始時間，縮短工期。