隧道堆積體段開挖支護施工技術應用

周 杰 江錫山

（中交第三航務工程局有限公司南京分公司，江蘇 南京210011）

山區(qū)隧道中堆積體圍巖一般為泥石流后堆積而成，開挖過程中圍巖自穩(wěn)性較差。采用常規(guī)開挖工藝施工時，由于圍巖極度破碎，無法自穩(wěn)，極易超挖甚至造成冒頂、塌方。本文擬對華麗高速羅打拉隧道左洞出口段ZK106+947～ZK106+784 開挖支護施工進行施工工藝的研究和改進，以保證隧道工程順利進行。

1 工程概況

羅打拉隧道采用礦山法施工， 左洞出口段ZK106+735-ZK106+932 為Ⅵ3 級圍巖，地形偏壓，埋深0～27 米。以稍密狀碎石及強風化玄武巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極破碎，多呈碎石狀碎裂結構或碎石狀散體結構。巖土富水性弱～中等，開挖時可能存在淋雨狀或涌流狀出水、滲水等現(xiàn)象。掌子面開挖揭示：開挖后揭示圍巖為松散堆積碎石層，碎石之間膠結性差，自穩(wěn)能力較差，施工過程中產(chǎn)生的輕微震動，即可造成大面積的坍塌，存在一定的施工安全隱患。

2 施工總體原則

羅打拉隧道的施工，設立了16 字的施工總體方針和原則，為：愛護圍巖、動態(tài)施工、內實外美、重視環(huán)境。其中“愛護圍巖”是指為主的開挖方式必須減少圍巖的擾動，如爆破時，采用光面爆破或者預裂爆破；“動態(tài)施工”是指通過超前地質預報結合地址素描、監(jiān)控量測等手段，從而及時掌握圍巖和支護的變化參數(shù)，為現(xiàn)場施工提供可靠依據(jù)；“內實外美”是采用全斷面襯砌臺車，一次性澆筑混凝土，加強對混凝土質量的控制；“重視環(huán)境”是指在施工過程中，一方面確保工作環(huán)境不對施工人員的健康造成損害，另一方面要注意棄碴、排水等盡量不對周圍環(huán)境造成污染。

3 施工重點控制

羅打拉隧道左洞進口段約200 米的處于軟弱圍巖區(qū)段，地勘揭露為玄武巖風化坡積體，隧道圍巖以稍密狀碎石及強風化玄武巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多呈碎石狀碎裂結構或碎石狀散體結構。針對該段堆積體施工的特殊性，施工工法采用三臺階預留核心土環(huán)形開挖法，開挖前對地層進行超前支護，開挖后及時施作初期支護。開挖時單次進尺不大于0.6 米，仰拱與掌子面的距離不大于20 米，二襯與掌子面距離不大于50 米。為了確保隧道開挖面的穩(wěn)定性和支護結構的安全性，對施工中的關鍵工序進行嚴格控制以確保施工質量，其中重點控制的內容包括：及時進行噴射混凝土施工、注漿法（預）加固地層、仰拱及時封閉、加強監(jiān)控量測等。其中重中之重是優(yōu)化注漿工藝的研究。

3.1 及時噴混。在現(xiàn)場施工過程中，因工人操作不規(guī)范和開挖的巖面不平整，噴射混凝土時常會有以下幾個現(xiàn)象：（1）噴射量不足；（2）噴射厚度不均勻；（3）背后空洞；（4）基底處理不當。

這些都會導致難以充分發(fā)揮初噴混凝土的支護效果。針對羅打拉隧道所處的松散堆積體圍巖，現(xiàn)場施工時更需要注重噴射混凝土的作用。由于圍巖基本無自穩(wěn)能力，掌子面開挖后易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，嚴重影響鋼拱架和超前小導管的施工，因此現(xiàn)場還需對掌子面進行噴混封閉，所用的混凝土與初噴混凝土標號相同。

3.2 地層加固。由于羅打拉隧道的圍巖條件較差，掌子面與開挖后的洞身難以穩(wěn)定，為保證隧道施工在安全條件下進行，除及時用噴射混凝土封閉工作面外，還應對隧道所處地層進行（預）加固?，F(xiàn)場采取的主要措施是對超前小導管與鎖腳小導管進行注漿。

對超前和鎖腳小導管的注漿可以在巖土體中形成具有一定剛度的加固圈，改善圍巖應力狀態(tài)，阻隔地下水的滲流通道，從而使隧道開挖時，圍巖的穩(wěn)定性明顯提高。此外，施工中所施作的小導管其結構本身也具有支護地層的作用。羅打拉隧道現(xiàn)場采用的漿液采用雙液水泥漿，水灰比1:1（重量比），添加劑偏鋁酸鹽1%～2%（水泥質量）。注漿壓力0.5～1.0MPa。注漿的具體參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場施工情況適當調整，施工現(xiàn)場配備比重計，每次量測漿液比重，嚴格控制水泥和添加劑的用量，采用注漿壓力和注漿量雙重控制原則。

超前小導管施工采用Ф42×3.5mm鋼管，在前部管壁按梅花形布置溢漿孔，孔徑為10Φmm，孔間距15cm，由鑿巖機打入，管環(huán)向間距0.3m，縱向相鄰兩排的水平投影搭接長度不小于150cm。鎖腳部位采用與超前相同尺寸的小導管，在上臺階與中臺階左右側腳部以12°的下插角垂直巖面各打設兩組。在現(xiàn)場實施過程中，由于破碎體圍巖不能成孔，鎖腳小導管難以打入，或打入長度無法滿足設計要求。針對此情況，現(xiàn)場增設一組鎖腳小導管作為補強措施，并在注漿前嚴格控制小導管的施工質量。

3.3 仰拱快速封閉成環(huán)。仰拱是隧道二次襯砌結構的重要組成部分，其跟進時機對隧道圍巖的穩(wěn)定有著重要的影響。保證合理的步距不僅可以充分發(fā)揮支護體系的作用，還可以有效地調動圍巖的自穩(wěn)能力，節(jié)約支護材料，加快施工進度，提高隧道施工的安全。

從變形的角度來講，在IV級和V級軟弱圍巖中進行隧道施工時，80%以上的初期支護結構變形發(fā)生在初期支護結構封閉成環(huán)之前。同時也有相應的研究表明，隨著仰拱封閉距離的減小，隧道變形呈現(xiàn)減小的趨勢。所以縮短仰拱步距、盡早完成初期支護封閉是控制變形的有效措施。因此，根據(jù)上述的分析，從控制變形的角度出發(fā)，為使變形量最小，可選擇15～20m的仰拱步距(即仰拱緊跟下臺階)。在本工程中將步距控制在20m內?，F(xiàn)場施工中當安全步距滿足要求時，按要求及時開挖仰拱、快速成環(huán)從而保證隧道結構的穩(wěn)定性。開挖時單次進尺不大于3 米。此外，現(xiàn)場根據(jù)實際情況調整，下臺階單次、單側開挖長度為1.8 米。

4 堆積體注漿研究

圖1 不同小導管布設角度下注漿加固圈形態(tài)

圖2 不同小導管布設長度下注漿加固圈形態(tài)

表1 注漿工藝參數(shù)表

羅打拉隧道洞口段圍巖以風化玄武巖堆積體為主，在注漿過程中漿液會四處擴散，難以控制，導致注漿效果無法達到預期要求。為解決這一問題，項目部多次邀請總監(jiān)辦、指揮部、設計院等各方的專業(yè)人士到現(xiàn)場考察、指導工作。最后通過專業(yè)的數(shù)值分析軟件，探討了小導管布設對注漿加固圈形成的影響，分別建立不同布設角度（θ）和小導管長度（L）下的注漿擴散模型。研究兩個重要參數(shù)其對加固圈形成影響，為現(xiàn)場施工提供參考。

4.1 小導管布設對注漿加固圈形成的影響。根據(jù)單根小導管注漿擴散規(guī)律，分析注漿壓力為P=0.8MPa、注漿時間t=350s、小導管長度L=3.5m 的施工參數(shù)下小導管布設角度對注漿加固圈形成的影響。不同小導管布設角度下注漿擴散模型如圖1 所示。

由圖1 可以看出，注漿加固圈的分布與小導管布設角度密切相關，不同布設角度下注漿加固圈表現(xiàn)出明顯的差異。就本工程而言，綜合注漿效果和經(jīng)濟性，最后現(xiàn)場小導管布設角度控制在30°以內。

4.2 小導管布設長度對注漿加固圈形成的影響。根據(jù)圖3-5 的注漿擴散規(guī)律，分析注漿壓力為0.8MPa、注漿時間360s、小導管布設角度為30°的施工參數(shù)下不同小導管布設長度（取0.5m、1.5m、2.5m 以及3.5m）對注漿加固圈形成的影響。不同小導管布設長度下注漿擴散模型如圖2 所示。

由圖2 可以看出，注漿加固圈的分布與小導管布設長度的不同表現(xiàn)出較大的差異性。就本工程而言，綜合注漿效果和經(jīng)濟性，最后現(xiàn)場小導管施工長度為2.5m?；谏鲜龅难芯糠治觯F(xiàn)場對注漿施工進行了相應的優(yōu)化，通過選取試驗段施工，確定了一種新的注漿方案，其各項施工參數(shù)見表1。

注漿施工改良后，碎石空隙得到有效的填充，漿液凝固時間明顯縮短，對圍巖開挖時的超挖得到有效控制，施工安全有了保障。

5 結論

為保證羅打拉隧道暗洞開挖階段的施工安全，根據(jù)施工條件、設計要求和相關行業(yè)規(guī)范，采取了以下幾個重點把控措施：（1）開挖后及時噴射混凝土封閉開挖面；（2）對超前與鎖腳部位的小導管進行注漿，并在小導管打入長度不能保證時增加小導管組數(shù)，嚴格控制注漿效果；（3）將仰拱安全步距控制在20 米內；（4）以提高堆積體注漿效果為目標開展科研活動，指導施工。

上述措施都有力的保證了進洞至今，羅打拉隧道堆積體段的安全開挖。盡管局部存在超挖現(xiàn)象，卻并未出現(xiàn)塌方。此外，施工期間嚴格保持監(jiān)控量測的要求頻率，所測得拱頂沉降、收斂、位移基本都符合要求，說明現(xiàn)場施工的效果較好。

本文對羅打拉隧道左洞施工經(jīng)驗進行了總結，形成了合理的施工工藝和重點把控，隧道施工最終順利進行。