高原高寒破碎軟弱圍巖隧道建設(shè)管理探討

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

該道路于上世紀(jì)70年代建成通車，后經(jīng)歷次改造，但局部路段坡陡彎急路窄，通行能力仍嚴(yán)重不足。尤其是海子山越嶺段更是雨季晴天灰雨天阻、冬季時(shí)常大雪封山斷道，交通事故頻發(fā)。在玉樹地震之后，為暢通川內(nèi)至石渠縣、至青海省的該段生命通道，從根本上提升該道路全天候通行能力，啟動(dòng)了該段道路改建工作，并新建海子山隧道。

1 概述

1.1 自然氣候條件

該隧道位于四川省甘孜州德格縣海子山區(qū)域，隧址區(qū)屬典型的高原越嶺高寒氣候，年平均氣溫在-0.7℃，月平均氣溫在-9.5℃～8.8℃之間，晝夜溫差達(dá)30℃～40℃，在施工期內(nèi)洞口實(shí)際觀測的最低氣溫為-33℃。全年12個(gè)月內(nèi)均有降雪，積雪期長達(dá)5～6個(gè)月之久。隧道北洞口海拔4361米，南洞口海拔4371米。大氣壓約為平原區(qū)的60%，氧分壓約為平原區(qū)的55～60%，距洞口700米處的氧分壓約為洞外的80%。自然氣候條件惡劣，施工現(xiàn)場作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，人員更換頻繁，人機(jī)工效極低。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)發(fā)育甘孜-玉樹深大斷裂，隧道南口通過該斷裂的竹慶-海子湖段，且隧道軸線與斷裂帶呈小角度共向展布。該斷裂為全新世強(qiáng)烈活動(dòng)的左旋走滑斷裂帶，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料研究，在隧址區(qū)海子山一帶估計(jì)斷層平均左旋滑動(dòng)最大速率可達(dá)（12.8±1.7）mm/a，最大垂直滑動(dòng)速率可達(dá)（1.7±1.6）mm/a[1]。根據(jù)勘察資料，隧道圍巖大部分區(qū)段處于極高和高地應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)際開挖后大部分區(qū)段還存在偏壓不均情況。

隧址區(qū)大氣降水及冰雪融化是地表水和地下水的主要來源。地面覆蓋高原草甸，具備良好的地下水儲(chǔ)藏下滲條件。因海拔較高，常年溫度較低，水可以固態(tài)形式保存于覆蓋層孔隙內(nèi)，孔隙中多可見冰晶，溫度回暖時(shí)易融化。地下水因隧址區(qū)地層節(jié)理裂隙密集發(fā)育，富水性不均；加之山體內(nèi)次級斷裂發(fā)育，存在構(gòu)造垂直向控水的地質(zhì)條件，具有斷裂富水性分段特征。隧道最大埋深僅213米，在地表溪溝和負(fù)地形段，地形控水顯著，基巖含水層受風(fēng)化裂隙影響，裂隙連通性相對較好，其下相對應(yīng)的隧道圍巖區(qū)富水性也相對較好，對地層的軟化特征極為明顯。

隧址區(qū)出露基巖主要為三疊系曲嘎寺組（T3q）的變質(zhì)砂巖、炭質(zhì)板巖，隧道開挖后實(shí)際穿越的主要圍巖為炭質(zhì)板巖。炭質(zhì)板巖作為一種典型的軟巖，其巖體呈灰黑色，構(gòu)造呈薄層、薄片扭曲狀，層間膠結(jié)差、巖層整體強(qiáng)度低，圍巖的流變特性明顯。受區(qū)域大斷裂動(dòng)力地質(zhì)作用及隧道內(nèi)數(shù)條次級斷裂構(gòu)造擠壓影響，隧址區(qū)地層構(gòu)造復(fù)雜，裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差，且多有薄層泥化物拌生。巖體多具“碎裂巖化、糜棱巖化、片理化”特征[2]。據(jù)巖石取樣含礦物成分分析，含有較多親水性粘土礦物，且含大開孔隙較多，巖石的吸水軟化性較強(qiáng)。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度小于1MPa，力學(xué)性質(zhì)整體較差，施工抗擾動(dòng)能力弱、抗水軟化能力弱、自穩(wěn)能力極差。開挖擾動(dòng)易呈碎渣狀，遇水?dāng)_動(dòng)易軟化、泥化。

整個(gè)海子山隧道建設(shè)猶如在“爛豆腐”中打洞，富水地段還猶如泡在水里，建設(shè)過程中多次穿越次級斷裂破碎帶，塌方冒頂、涌水突泥災(zāi)害頻發(fā)，建設(shè)管理難度極大、安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

圖1 受構(gòu)造影響強(qiáng)烈扭曲

圖2 開挖擾動(dòng)即破碎成渣

2 建設(shè)管理過程

2.1 洞口段利用冬季低溫變“水豆腐”為“凍豆腐”

建設(shè)初期，對隧址區(qū)的自然氣候條件和工程地質(zhì)條件認(rèn)識不足，以及多重不利因素疊加影響下隧道施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)不足，在隧道南洞口淺埋段即發(fā)生初支變形，進(jìn)而急速發(fā)展至塌方冒頂。

該洞口于3月組織進(jìn)場，5月4日開始掛口施工，5月下旬完成30米超前大管棚施工，洞內(nèi)干燥清爽，掌子面無滲水，變形監(jiān)測0～5mm，施工正常推進(jìn)。6月初氣溫進(jìn)一步回暖，積雪開始融化，掌子面逐漸潮濕，變形監(jiān)測仍基本穩(wěn)定；在此期間掌子面開挖掘進(jìn)進(jìn)度保持2.5米/天。6月中旬進(jìn)入高原雨季，洞周逐漸富水，出現(xiàn)輕微滲水，初支開始變形。6月20日區(qū)內(nèi)普降暴雨。21日開挖至距洞口115米處出現(xiàn)坍塌，及時(shí)反壓回填注漿處理。但22日持續(xù)暴雨，洞內(nèi)滲水量激增呈線狀流出，掌子面環(huán)向120°范圍再次出現(xiàn)大面積坍塌，初支左側(cè)拱腰出現(xiàn)剪切開裂。進(jìn)一步查探地表地形，掌子面正上方有片面積約1600平方米富水負(fù)地形，該處隧道洞身埋深僅36米，地表水匯集并沿地表沉積層和基巖裂隙迅速下滲，炭質(zhì)板巖遇水迅速軟化，導(dǎo)致掌子面圍巖整體穩(wěn)定性下降，最終失穩(wěn)破壞。于當(dāng)日在地表負(fù)地形外圍設(shè)置臨時(shí)截水設(shè)施，再次反壓回填掌子面并噴錨注漿固結(jié)封閉，停止掌子面掘進(jìn)。至8月中旬施作臨時(shí)護(hù)拱和拱部注漿應(yīng)急處治，同時(shí)跟進(jìn)仰拱、二襯進(jìn)度。高原雨季持續(xù)降雨，地表積水不斷下滲，對地下水通道內(nèi)炭質(zhì)板巖持續(xù)軟化下沉，形成極高的勢能和壓力，最終以泥石流狀沖破反壓注漿體涌出，直至8月28日掌子面坍塌至冒頂，臨近段初支拱頂沉降累計(jì)最大值達(dá)143 mm。在完成侵限初支換拱，并將仰拱抵近至掌子面10米后，開始塌方處治施工。

圖3 地下水滲透涌水突泥

圖4 遇水軟化即手捏成泥

第一階段塌方處治于9月25首次進(jìn)行。超前支護(hù)采用5米長φ32螺紋鋼和4.5米φ42注漿小導(dǎo)管組合交替施作，水泥-水玻璃雙液漿固結(jié)坍渣。因持續(xù)降雨坍塌土體下沉，超前支護(hù)過短無法打入前方穩(wěn)定圍巖，且小導(dǎo)管注漿效果不佳，10月15日再次發(fā)生坍塌。

第二階段塌方處治為10月16日至冬休前，超前支護(hù)調(diào)整為20～25米長φ108大管棚+4.5米長Φ42注漿小導(dǎo)管組合。因前期施工的工字鋼、小導(dǎo)管交錯(cuò)，以及洞頂不間斷泥流，大管棚施工經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、卡管，致使Ф108大管棚無法有序正常實(shí)施。管棚施工兩個(gè)批次，均因不能迅速形成有效支撐發(fā)生變形，于11月2日和次年1月23日兩度坍塌。洞頂負(fù)地形段高原草甸富水，對地下水持續(xù)補(bǔ)給，坍腔內(nèi)的巖土體不斷軟化，洞頂坍腔持續(xù)擴(kuò)大，坍塌物不斷涌出，掌子面圍巖呈流塑狀，已無自穩(wěn)能力，使掌子面重復(fù)大面積坍塌而失敗。冬休期由于高原冬季氣候條件限制，塌方處治中斷，掌子面再次封閉。

第三階段塌方處治為次年冬休期后3月進(jìn)場，因冬季幾乎無降雨減少了地表水補(bǔ)給，且凍深達(dá)1.5米的季節(jié)性凍土尚未解凍形成了地表隔水層，洞內(nèi)滲水明顯減少。掌子面距離洞口較近，暫緩保溫措施的輔助，創(chuàng)造性地將外部冷空氣直接引入隧道，凍結(jié)掌子面周邊圍巖，使洞周圍巖整體穩(wěn)定性得以提高。掌子面的“水豆腐”變成“凍豆腐”。及時(shí)抓住該時(shí)機(jī)，對掌子面坍塌體和上方錯(cuò)亂的鋼筋、小導(dǎo)管、大管棚進(jìn)行徹底清理。對掌子面反壓回填，打Ф42小導(dǎo)管注漿、掛網(wǎng)及噴射5cm厚的C20混凝土封閉。掌子面拱部環(huán)向交錯(cuò)打雙排Ф42小導(dǎo)管，對巖體進(jìn)行預(yù)注漿。施作雙層I20b工字鋼導(dǎo)向墻，按120°范圍施作35根18m長的Ф108大管棚，管棚之間插入Ф42小導(dǎo)管，并對大管棚及小導(dǎo)管注漿，待第一次注漿完畢后再對已注漿過的管棚、小導(dǎo)管進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。對掌子面周邊和前方圍巖注漿加固后，多臺(tái)階分步逐榀開挖，間距40cm全環(huán)I20b工字鋼加強(qiáng)初期支護(hù)，及時(shí)跟進(jìn)仰拱并封閉成環(huán)。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)確定最佳二襯施工時(shí)間，于5月10日完成二襯施工，坍塌冒頂段順利通過。待二襯強(qiáng)度達(dá)到要求后，再進(jìn)行地表凹陷處回填。

洞口段坍塌冒頂?shù)慕逃?xùn)，首先是對隧道工程地質(zhì)的認(rèn)識不足。為進(jìn)一步探明前方圍巖水文地質(zhì)特征，勘察單位沿隧道軸線通過物探方式為整座隧道補(bǔ)充做了一次全身“CT”檢查，對后續(xù)圍巖有了總體的定性認(rèn)識。并引入第三方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)隨掌子面推進(jìn)全程跟蹤探查，做到預(yù)判在前。其次是軟弱圍巖支護(hù)措施不足造成初支大變形。尤其是當(dāng)初支已經(jīng)發(fā)生變形時(shí)，仍不能及時(shí)一次性補(bǔ)足措施，逐級試探性補(bǔ)強(qiáng)承擔(dān)著巨大的質(zhì)量和安全風(fēng)險(xiǎn)。再次坍塌變形換拱，施工難度、工期和費(fèi)用都成倍增加。三是高寒缺氧的極端自然環(huán)境下，人員更換頻繁，施工工序銜接不緊，也使處治效果減弱。高原施工人機(jī)工效低，施工管控難，質(zhì)量管理要求更高，工藝工序更需嚴(yán)格管控。

2.2 洞身段“分塊開挖多層支護(hù)”將“大豆腐”切“小豆腐”

在后續(xù)的施工中，共穿越了7條次級斷裂和小斷層無數(shù)，經(jīng)歷初支大變形、涌水突泥等重大險(xiǎn)情處治，逐步摸索總結(jié)出了一套適合海子山隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法：

一是設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)必須要做到“強(qiáng)支硬頂”。對破碎軟弱圍巖隧道而言，初期支護(hù)必須要保證及時(shí)、到位，還需要有一定的強(qiáng)度做支撐，以約束圍巖變形，防止松動(dòng)圈的出現(xiàn)和軟弱圍巖急劇變形。高地應(yīng)力和圍巖自穩(wěn)能力極差，更要求二襯必須有足夠的強(qiáng)度以確保安全和質(zhì)量。在后續(xù)建設(shè)中充分重視和加強(qiáng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，根據(jù)物探、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。根據(jù)圍巖復(fù)雜性，對V級圍巖的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化。通過對鋼架型號、噴射混凝土厚度、鋼拱架間距、鋼筋數(shù)量和規(guī)格等的不同組合，將兩種支護(hù)參數(shù)細(xì)化為七種基本支護(hù)參數(shù)（表1），便于根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時(shí)靈活選用。對超前支護(hù)輔助措施也進(jìn)行了多種設(shè)計(jì)和靈活組合應(yīng)用（表2）。

表1 隧道設(shè)計(jì)主要支護(hù)參數(shù)

表2 隧道開挖超前支護(hù)輔助措施

C型V級強(qiáng)風(fēng)化破碎軟弱圍巖段長4.5m、環(huán)向間距30～40cm的φ42單層小導(dǎo)管A型+B型次級斷裂帶破碎軟弱圍巖段、涌水突泥段長18-25m的φ108大管棚+長4.5m的φ 42雙層小導(dǎo)管A型+C型次級斷裂帶破碎軟弱圍巖段、涌水突泥段長18-25m的φ108大管棚+長4.5m的φ 42單層小導(dǎo)管

二是施工工法必須要做到保障到位。針對V級破碎軟弱圍巖，有針對性地控制圍巖變形是關(guān)鍵。以“控變形、強(qiáng)支護(hù)”為主要解決方案，結(jié)合高原高寒地區(qū)人、機(jī)功效低實(shí)際，采用“分塊開挖，剛?cè)岵?jì)”的施工原則，將“大塊豆腐”從空間上分割為多層狀“小塊豆腐”。V加強(qiáng)及更差圍巖段以“三臺(tái)階七步開挖法”為基礎(chǔ)，施工必須做到嚴(yán)格按照要求執(zhí)行各道開挖步序，通過短進(jìn)尺、多工作面、強(qiáng)支硬頂，確保實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)到位，有效約束圍巖變形，提高圍巖穩(wěn)定性。在次級斷裂帶涌水突泥段，掌子面圍巖軟化呈流塑狀，已無自穩(wěn)能力無法形成開挖臺(tái)階，通過增設(shè)梯形臺(tái)階擋墻，輔以臨時(shí)仰拱支撐，為“分塊開挖分層支護(hù)”創(chuàng)造條件，并得以順利通過。以此總結(jié)出《松散破碎富水地層隧道“梯形臺(tái)階擋墻+臨時(shí)仰拱”施工工法》獲得四川省省級工法證書[3]。為保障施工效果，在偏壓段結(jié)合對鎖腳錨桿、鎖腳導(dǎo)管的靈活應(yīng)用，進(jìn)行針對性處治。通過該項(xiàng)目實(shí)踐，創(chuàng)新應(yīng)用一種具有自進(jìn)功能的剪式注漿錨桿，獲得實(shí)用新型發(fā)明專利證書。

三是施工過程加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測工作，做到信息化施工。基于對既有監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析，嚴(yán)格按照分步開挖時(shí)空控制的要求對監(jiān)測曲線進(jìn)行全過程分析和預(yù)判，確保參建各方對現(xiàn)場各道工序的可判斷、可控制。輔助動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工管控。

四是建設(shè)管理必須要做到合理推進(jìn)建設(shè)工期。建設(shè)過程中，要充分結(jié)合炭質(zhì)板巖這種圍巖變形力學(xué)特性進(jìn)行分析考慮，嚴(yán)格控制圍巖變形，盡量避免塌方。從每步工序的作業(yè)時(shí)間和工序銜接時(shí)間上進(jìn)行管理優(yōu)化，杜絕從加大開挖進(jìn)尺方面搶工期?？茖W(xué)優(yōu)化工期，合理推進(jìn)建設(shè)，確保初期支護(hù)的及時(shí)性與初期支護(hù)的整體剛度，是項(xiàng)目安全有序推進(jìn)的關(guān)鍵。

2.3 富水段深挖技術(shù)要領(lǐng)“鹵水點(diǎn)豆腐”

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)前方有松散破碎富水帶時(shí)，預(yù)先沿隧道掌子面周邊施作水平鉆孔，向孔內(nèi)埋設(shè)排水泄壓管，超前將隧道施工范圍內(nèi)地下水及時(shí)引出。根據(jù)掌子面圍巖情況或塌方、突泥口的位置、規(guī)模，選用Ф108大管棚和Ф 42小導(dǎo)管靈活組合，進(jìn)行多角度多方位超前支護(hù)和注漿加固。改善原單液注漿工藝，采用水泥-水玻璃雙液注漿，通過二次或多次注漿提高注漿效果。對掌子面周邊圍巖進(jìn)行加固和正前方的“待挖核心體”進(jìn)行預(yù)加固，實(shí)現(xiàn)堵水和固結(jié)松散巖體雙重作用。在隧道一定范圍內(nèi)將自穩(wěn)性極差的“碎豆腐”快速凝結(jié)形成封閉固結(jié)體，盡可能控制隧道發(fā)生塌方、變形的范圍，為開挖支護(hù)創(chuàng)造有利條件。

2.4 洞口“長袖子”+洞內(nèi)“保暖內(nèi)衣”進(jìn)行隧道保溫

建設(shè)期洞口最低氣溫-33℃，建成后洞內(nèi)最低氣溫-14.8℃。為降低高原高寒氣候?qū)λ淼赖膬龊τ绊?，采用“長袖子+保暖內(nèi)衣”的措施對隧道進(jìn)行保溫。兩側(cè)洞口穿上“長袖子”，各增設(shè)30米聚碳酸酯耐力板透光明洞，防止降雪在洞口形成風(fēng)吹雪病害，也能保證透過日光照射及時(shí)融化冰雪，提高洞口行車安全性。隧道內(nèi)全隧道穿上“保暖內(nèi)衣”，設(shè)置了內(nèi)貼式保溫板進(jìn)行保溫，對二襯混凝土進(jìn)行保護(hù)，降低高寒對隧道襯砌的凍害影響。

3 建設(shè)管理結(jié)果

該隧道全長2522米，實(shí)際開挖后V級圍巖達(dá)2222米，占比88.1%；其中V加強(qiáng)區(qū)段1122米，V特加強(qiáng)區(qū)段733米。全隧道掘進(jìn)幾乎未能爆破施工，全部V級圍巖和部分Ⅳ級圍巖均以挖掘機(jī)開挖。為進(jìn)一步減少開挖對巖體的擾動(dòng)，主要以挖掘機(jī)破碎頭、挖斗開挖掘進(jìn)，配合銑挖機(jī)和自行加工制作的“鷹嘴”、“銼刀”進(jìn)行細(xì)部修整。建設(shè)期內(nèi)克服軟巖大變形、塌方冒頂、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)險(xiǎn)情，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，通過以上思路創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，歷時(shí)六年得以艱難貫通，整個(gè)建設(shè)過程未發(fā)生一起安全事故。

4 總結(jié)

1、對高原高寒地區(qū)自然環(huán)境的敬畏，是進(jìn)行人員、機(jī)械設(shè)備配置的前提。人員更換頻繁使得施工工序流暢性受限，人機(jī)工效低影響施工工藝的效果。

2、對隧道工程地質(zhì)特性、水文條件的充分了解，是設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝選取的基本依據(jù)。必要的物探手段作補(bǔ)充，能夠輔助對全隧道圍巖分布情況進(jìn)行有效的定性預(yù)判。

3、炭質(zhì)板巖作為一種典型軟巖，力學(xué)性質(zhì)整體較差。在受區(qū)域大斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下，揉皺擠壓破碎，巖石整體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。特別是富水段地下水滲透疊加影響，軟化速度極快，小股滲水也能將周邊圍巖軟化成泥狀，涌水即引發(fā)突泥從塌方口涌出，發(fā)展極為迅速，極易造成大規(guī)模塌方和引發(fā)安全事故。

4、高原地區(qū)越嶺短～長隧道遇軟弱破碎圍巖，“強(qiáng)支硬頂”仍是主要的有效處治手段。初期支護(hù)必須要保證及時(shí)、到位，還需要有一定的強(qiáng)度做支撐，以約束圍巖變形，防止松動(dòng)圈的出現(xiàn)和軟弱圍巖急劇變形。高地應(yīng)力和圍巖自穩(wěn)能力極差，更要求二襯必須有足夠的強(qiáng)度以確保安全和質(zhì)量。

5、加強(qiáng)施工過程的監(jiān)控量測和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)管控是順利推進(jìn)的保障。通過監(jiān)控量測曲線進(jìn)行全過程分析和預(yù)判，輔助動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工管控。

6、科學(xué)優(yōu)化工期，合理推進(jìn)建設(shè)，確保初期支護(hù)的及時(shí)性與初期支護(hù)的整體剛度，是項(xiàng)目安全有序推進(jìn)的關(guān)鍵。嚴(yán)格控制圍巖變形，盡量避免塌方。從每步工序的作業(yè)時(shí)間和工序銜接時(shí)間上進(jìn)行管理優(yōu)化，杜絕從加大開挖進(jìn)尺方面搶工期。