炭質(zhì)頁巖軟巖隧道施工方法研究

范志新

(貴州橋梁建設(shè)集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

梨柴林隧道炭質(zhì)泥巖地質(zhì)極差、巖質(zhì)松散、遇水軟化、長期不收斂、引起初期支護大變形，經(jīng)常性發(fā)生坍塌，初期支護變形大，長期不穩(wěn)定，施工特別困難，常規(guī)隧道支護方式不能承受圍巖壓力。為此，本公司研究并成功實施了“梨柴林隧道炭質(zhì)泥巖段施工工法”。此施工方法適用于隧道炭質(zhì)泥巖地質(zhì)加強支護施工，也可適用于隧道類似軟弱地質(zhì)加強支護。

1 項目概述

梨柴林隧道位于貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧縣關(guān)風海鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)形式為高速公路分離式長隧道，隧道長2 455 m，采用新奧法施工。出于對隧道施工質(zhì)量與安全性的考量，在本工程中應(yīng)用了“梨柴林隧道炭質(zhì)泥巖段施工工法”，成功應(yīng)用于六盤水至威寧高速公路第十六合同段梨柴林隧道的施工中。

2 炭質(zhì)頁巖軟巖隧道施工的基本原理分析

在本工程中，隧道炭質(zhì)泥巖松散、自穩(wěn)性差，施工中要解決圍巖坍塌及大變形問題，主要采取的措施是“強支護、短進尺”，采用加強初期支護來和控制開挖減小對圍巖的擾動解決，采取以下幾個方面的加強措施，具體有。

第一，加強圍巖超前預(yù)支護(縱斷面圖如圖1)，加強前方圍巖的整體穩(wěn)定，將前方圍巖凝結(jié)為穩(wěn)定拱，防止圍巖開挖后坍塌；預(yù)支護采用直徑42 mm的小導(dǎo)管周邊打孔注漿，導(dǎo)管加長為6 m(常規(guī)為4.5 m)、環(huán)向間距為40 cm、縱向排距為2.5 m，外插角10°～15°；導(dǎo)管打入圍巖后，對其加壓注水泥漿，漿液通過導(dǎo)管周邊孔深入滲透于圍巖中。

圖1 加強超前預(yù)支護縱斷面圖

第二，開挖方式，短進尺開挖，鋼拱架間距加密為65 cm，每輪循環(huán)進尺控制在1.3 m(2榀鋼架)，采用分臺階開挖的方式，減小一次開挖斷面，減小臨空面，減少對周邊圍巖的擾動。

第三，加強錨噴襯砌(橫斷面圖如圖2)，加大鋼拱架(I20b工字鋼)，加密鋼架間距為65 cm，鋼架閉合成環(huán)，增加其剛度，減小變形；增設(shè)直徑為42 mm的環(huán)向系統(tǒng)注漿小導(dǎo)管(常規(guī)為直徑為25系統(tǒng)注漿錨桿)，導(dǎo)管縱向間距65 cm、環(huán)向間距1.2 m、單根長度6 m(常規(guī)注漿錨桿長為3 m)，通過導(dǎo)管向圍巖深層注漿將周邊圍巖凝結(jié)形成拱形穩(wěn)定圈，保證圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 加強錨噴襯砌橫斷面圖

第四，增加環(huán)向臨時鋼架附拱(初期支護為雙拱架)，增加斜撐，加強鎖腳，將鋼架附拱閉合成環(huán)，加大初期支護剛度，遏制大變形。

第五，及時跟緊二次襯砌，最大限度縮短初期支護與二次襯砌的距離；初支護施工后，及時施作二次襯砌，二次襯砌及參與受力，避免初期支護變形過大造成坍塌。

3 炭質(zhì)頁巖軟巖隧道施工的技術(shù)要點研究

3.1 超前圍巖導(dǎo)管注漿預(yù)支護

第一，掌子面噴混凝土封閉，厚度為10～15 cm。第二，制作導(dǎo)管，為無縫鋼管，長6 m，外徑42 mm，壁厚4 mm，管壁打直徑6 mm注漿孔，孔距15 cm梅花型布置，導(dǎo)管端頭加工成5厘米長的尖錐形，便于穿入孔內(nèi)不堵管，尾端焊接直徑6 mm的加勁箍，尾部留1.05 m不鉆孔的止?jié){段。第三，鉆超前導(dǎo)管孔，采用液壓潛孔鉆機，型號YQ-100B、耗氣量為10～12 m3/min、使用氣壓為0.8～1 MPa；鉆孔直徑比鋼管直徑大2 cm，長度6 m，外插角控制為10°～15°，環(huán)向間距40 cm。第四，超前導(dǎo)管安裝，成孔后，將導(dǎo)管按設(shè)計要求通過最后一榀型鋼拱架中上部打孔插入孔中，或用潛孔鉆機將導(dǎo)管頂入，尾端外露20 cm固定于最后一榀鋼架上，與鋼架共同組成預(yù)支護體系。第五，導(dǎo)管注漿，注漿前已噴射混凝土封閉掌子面以防漏漿，注漿順序由下向上，漿液用拌合機攪拌均勻。水泥標號42.5，水泥漿水灰比為1∶1，注漿壓力0.5～1 MPa。

3.2 上臺階環(huán)向系統(tǒng)注漿導(dǎo)管施工

第一，制作導(dǎo)管，環(huán)向?qū)Ч苤谱魍靶?dǎo)管的制作方法。第二，鉆環(huán)向?qū)Ч芸?，采用的機械設(shè)備與超前導(dǎo)管一樣；鉆孔直徑比鋼管直徑大2 cm，長度6 m，鉆孔方向為隧道斷面徑向、與環(huán)向開挖面垂直，縱向間距50 cm、環(huán)向間距120 cm。第三，環(huán)向?qū)Ч馨惭b，成孔后，將導(dǎo)管按設(shè)計要求插入孔中，或用潛孔鉆機將導(dǎo)管頂入，尾端外露10 cm作注漿堵塞用。第四，環(huán)向?qū)Ч茏{與超前導(dǎo)管注漿方法相同。

3.3 安裝上臺階鋼拱架

鋼架按設(shè)計要求安裝，安裝尺寸允許偏差不得大于5 cm；鋼架安裝前清除拱腳虛碴，拱腳高程不足時，采用I20工字鋼接長墊至設(shè)計高程，保證拱腳不懸空；開挖面超挖采用噴射混凝土回填密實；欠挖采用補炮或風槍鑿除超挖部分,開挖至設(shè)計斷面。各節(jié)鋼架用螺栓連接，連接板密貼，保證各節(jié)鋼架在全環(huán)封閉之前置于穩(wěn)固的地基上，鋼架基腳處安裝混凝土墊石以增加基底承載力。安裝鋼拱架連接鋼筋為Φ20螺紋鋼筋，環(huán)向間距100 cm兩榀鋼拱架交錯布設(shè)。

3.4 安裝鋼架附拱

第一，鋼架制作，鋼架采用I18工字鋼，制作方法與上臺階鋼架相同。第二，鋼架安裝，鋼架按設(shè)計要求安裝，安裝尺寸允許偏差不得大于5 cm；鋼架安裝前清除拱腳虛碴，保證拱腳不懸空。各節(jié)鋼架用螺栓連接，連接板密貼，保證各節(jié)鋼架在全環(huán)封閉之前置于穩(wěn)固的地基上，鋼架基腳處安裝混凝土墊石以增加基底承載力。第三，附拱鎖腳導(dǎo)管施工，附拱閉合成環(huán)，安裝附拱斜撐。

3.5 混凝土施工

第一，待附拱噴射混凝土達到設(shè)計強度的85%，短進尺開挖下導(dǎo)坑，下導(dǎo)坑每循環(huán)施工長度1.3 m(兩榀鋼架長度)，不得超過兩榀鋼架。第二，仰拱施工，仰拱鋼架安裝、鋼筋安裝，噴射仰拱混凝土。第三，完成填充層混凝土施工后，實施短進尺拆除附拱，采用人工輔助挖掘機拆除，每循環(huán)拆除長度為4 m，不得大于4 m，拆除后清理拱弧面的松散塊、易掉物等。第四，二次襯砌施工，采用二襯臺車澆注，二襯每模長度根據(jù)附拱破除的長度分段施工，每模澆注4 m。

3.6 注意事項

第一，超前支護注漿導(dǎo)管施工前掌子面就進行初噴混凝土，確保不漏漿，同時也避免施工過程中掌子面松散體坍，確保安全。第二，超前支護注漿導(dǎo)管尾端應(yīng)穿于最后一榀打孔的鋼架上，并與鋼架固定形成受力體系。第三，上臺階、下臺階及仰拱開挖進尺最大長度控制為1.3 m(兩榀鋼架長度)，不得大于兩榀鋼架，減少開挖臨空面，減小對圍巖擾動，避免坍塌。第四，鋼拱架安裝后及時加強小導(dǎo)管鎖腳，及時漿鋼架閉合成環(huán)，加強穩(wěn)定。第五，附拱拆除長度不得大于4 m，破除后及時施工二次襯砌，二次襯砌按附拱拆除的長度分段施工，每模施工不得大于4 m。

3.7 驗收標準

表1 隧道鋼拱架安裝驗收標準

表2 隧道超前導(dǎo)管驗收標準

4 總 結(jié)

綜上所述，炭質(zhì)泥巖地質(zhì)極差，經(jīng)常性發(fā)生坍塌，因此在隧道工程中需要著重優(yōu)化炭質(zhì)頁巖軟巖段施工技術(shù)。通過超前圍巖導(dǎo)管注漿預(yù)支護、上臺階環(huán)向系統(tǒng)注漿導(dǎo)管施工、安裝上臺階鋼拱架、安裝鋼架附拱等施工工序的落實，實現(xiàn)了隧道炭質(zhì)泥巖段施工工法的構(gòu)建，提升了施工區(qū)域地質(zhì)的硬度，促進了隧道炭質(zhì)頁巖軟巖段施工質(zhì)量與安全性的提高。