貴南高鐵軟弱圍巖隧道關(guān)鍵施工技術(shù)

高海亮

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

0 引言

貴南高鐵（貴陽至南寧）九萬大山2 號(hào)隧道全長(zhǎng)6 199 m，穿越荔波世界自然遺產(chǎn)地，處于中低山巖溶峰叢洼地地貌，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，地形起伏較大（絕對(duì)高程為390～880 m， 最大相對(duì)高差為490 m），坡陡（自然坡度一般為20°～60°）、深溝，山頂孤峰多為陡崖。 洞身斷面大多為槽谷、洼地和峰叢，隧道最大埋深為446 m。 本標(biāo)段隧道巖溶、斷層、褶皺等不良地質(zhì)條件發(fā)育。除降水豐富外，山體排水系統(tǒng)四通八達(dá)，地下暗河、天坑、溶洞、溶蝕裂隙十分發(fā)育。 由于存在垂直滲流帶、地表巖溶帶、水平徑流帶等，隧道涌水量增加，初步預(yù)測(cè)：?jiǎn)喂ぷ髅孀畲笥克恳殉^12 萬m3。 由于地質(zhì)情況復(fù)雜，該工程為貴南高鐵全線重難點(diǎn)工程。針對(duì)這種復(fù)雜的地質(zhì)情況，施工方制訂了科學(xué)的施工組織方案。 筆者試對(duì)其關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行分析。

1 不良地質(zhì)條件下的掘進(jìn)方法

隧道開挖采用鉆爆法施工，其中，Ⅲ、Ⅳ主洞圍巖采用臺(tái)階法施工， Ⅴ主洞采用臺(tái)階法＋臨時(shí)仰拱法施工［1］。斜井Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面法開挖，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開挖［2］。

1.1 臺(tái)階法

臺(tái)階法施工就是將結(jié)構(gòu)斷面分成兩個(gè)或幾個(gè)部分，分步開挖。它是最基本、運(yùn)用最廣泛的施工方法，而且是實(shí)現(xiàn)其他施工方法的重要手段。 臺(tái)階法施工的優(yōu)點(diǎn)為：靈活多變、適用性強(qiáng)；臺(tái)階有利于掘進(jìn)面的穩(wěn)定，尤其是上部開挖支護(hù)后，下部作業(yè)相對(duì)安全；臺(tái)架掘進(jìn)法初期，設(shè)備投資?。?］。 臺(tái)階法施工的缺點(diǎn)為：上下部作業(yè)有干擾，臺(tái)階開挖會(huì)增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)等。

臺(tái)階法施工流程如圖1 所示，具體施工步驟為：（1）先弱爆破，開挖①部分，然后在①部分臺(tái)階周圍進(jìn)行初期支護(hù)。支護(hù)方法為：先噴混凝土，再掛網(wǎng)、搭設(shè)鋼拱架（設(shè)置鎖腳錨管或錨桿）、復(fù)噴混凝土，最后進(jìn)行系統(tǒng)錨桿施工，并使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 （2）對(duì)②－1 部分進(jìn)行弱爆破開挖， 然后對(duì)其進(jìn)行初期支護(hù)。 支護(hù)方法為：先噴混凝土，再掛網(wǎng)、搭設(shè)鋼架（設(shè)鎖腳錨管或錨桿）、復(fù)噴混凝土，最后進(jìn)行徑向錨桿施工。（3）對(duì)②－2 部分進(jìn)行開挖和支護(hù)，其工序與第②－1 部分相同。（4）對(duì)第③部分進(jìn)行弱爆破開挖，采用濕噴法進(jìn)行初期支護(hù)。 （5）在第③部分拉開一定間距后，澆筑④部分的仰拱邊墻。 （6）仰拱混凝土初凝后，灌注仰拱，填充⑤部分，使其達(dá)到設(shè)計(jì)高度。（7）進(jìn)行防排水工程施工，對(duì)第⑥部分拱墻進(jìn)行襯砌施工。

1.2 臺(tái)階法＋臨時(shí)仰拱法

臺(tái)階法＋臨時(shí)仰拱法是在采用臺(tái)階法施工的同時(shí)，采用臨時(shí)仰拱方法將每個(gè)小單元及時(shí)封閉成環(huán)，形成環(huán)向受力，以有效阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。該方法主要應(yīng)用于Ⅴ級(jí)圍巖強(qiáng)風(fēng)化帶或極破碎帶的施工。

臺(tái)階法＋臨時(shí)仰拱法的施工工序如圖2 所示，具體施工步驟為：（1）前循環(huán)超前支護(hù)完成后，對(duì)①部分進(jìn)行弱爆開挖和初期支護(hù)。 支護(hù)時(shí)， 先噴混凝土，再掛網(wǎng)、立拱架（設(shè)鎖腳錨管或錨桿）和復(fù)噴混凝土，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，及時(shí)鉆徑向錨桿。（2）弱爆開挖②－1 部分，并對(duì)其進(jìn)行初期支護(hù)。支護(hù)時(shí)，先噴混凝土，再掛網(wǎng)、立拱架（設(shè)鎖腳錨管或錨桿）和復(fù)噴混凝土，待復(fù)噴混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，及時(shí)進(jìn)行徑向錨桿施工，噴混凝土封閉臨時(shí)仰拱。 （3）進(jìn)行②－2 部分掘進(jìn)。 施工工序與②－1 部相同。 （4）對(duì)③部分采用弱爆破開挖，進(jìn)行③－1 部分邊墻初期支護(hù)施工，即初噴混凝土、布網(wǎng)、架設(shè)、復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度、鉆徑向錨桿。（5）掘進(jìn)及支護(hù)③－2 部分，施工工序同③－1 部分。（6）弱爆破開挖④部分，進(jìn)行④部分仰拱初期支護(hù)施工。 （7） 對(duì)⑤部分仰拱與邊墻基礎(chǔ)進(jìn)行灌注，等混凝土凝固后，填充⑥部分到設(shè)計(jì)高度。（8）根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定二次襯砌的施工時(shí)間，即用襯砌模板臺(tái)車鋪設(shè)防水板，澆筑⑦部分（拱墻）。

圖1 臺(tái)階法施工工序橫斷面示意圖Fig.1 Cross section of construction procedure of bench method

圖2 臺(tái)階法＋臨時(shí)仰拱法施工工序橫斷示意圖Fig.2 Cross section of construction procedure of bench method and temporary inverted arch method

2 爆破設(shè)計(jì)

光面爆破是通過選擇最佳爆破參數(shù)和合理的施工方法，在不同地段進(jìn)行微差爆破，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的控制爆破技術(shù)［4］。 與普通爆破方法相比，光面爆破具有可以減緩超欠挖、 爆破面質(zhì)量高、 支護(hù)工作量小、支護(hù)效果好、材料消耗少、開挖速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 爆破方法和參數(shù)的確定

施工時(shí)，可以借助機(jī)械化鑿巖臺(tái)車、鉆孔臺(tái)架配YT28 型鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔，采用塑料導(dǎo)爆管非電起爆、毫秒微差控制法進(jìn)行有序起爆。 根據(jù)工程地質(zhì)環(huán)境、掘進(jìn)斷面、循環(huán)進(jìn)尺、鉆具、爆破材料等，采用工程類比法進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)， 并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定爆破參數(shù)［5］。

2.2 炮眼布置

通過斜眼進(jìn)行炮眼掏槽。 掏槽眼順著隧道掘進(jìn)斷面的輪廓線進(jìn)行布置。 內(nèi)圈炮眼布置必須滿足周邊眼抵抗線要求。 輔助眼交錯(cuò)均勻布置在光爆層內(nèi)圈眼與掏槽眼之間， 間距應(yīng)滿足爆破塊石塊度的需要。如果輔助眼與周邊眼在同一垂直面上，掏槽炮眼需加深10～20 cm。

全斷面光面爆破炮眼布置如圖3～圖5 所示。臺(tái)階法光面爆破炮眼布置如圖6～圖8 所示。臺(tái)階法＋加臨時(shí)仰拱法光面爆破炮眼布置如圖9 和圖10 所示。

圖3 全斷面爆破炮眼間距設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of shot hole space of full-face blasting

圖4 全斷面爆破剖面圖Fig.4 Profile of full-face blasting

圖5 全斷面爆破炮眼角度設(shè)計(jì)圖（單位：cm）Fig.5 Design of shot hole angle of full－face blasting （Unit： cm）

圖6 臺(tái)階法爆破炮眼間距設(shè)計(jì)圖Fig.6 Design of blasting shot hole space of bench method

圖7 臺(tái)階法爆破剖面圖Fig.7 Blasting profile of bench method

圖8 臺(tái)階法炮眼角度設(shè)計(jì)圖（單位：cm）Fig.8 Design of blasting shot hole angle of bench method （Unit： cm）

2.3 爆破質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）測(cè)量放線。在鉆孔前，進(jìn)行測(cè)量放線，精準(zhǔn)繪制開挖等高線及周邊孔、路塹孔、輔助孔位置，并采用激光鉛直儀對(duì)邊線進(jìn)行控制。放線時(shí)，每100 m 設(shè)一次臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，在距離掘進(jìn)面50 m 處，進(jìn)行中線樁埋設(shè)。在每次測(cè)量放線過程中，需要依據(jù)上次爆破的實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，確保滿足最佳掘進(jìn)斷面效果。

（2）鉆孔作業(yè)。 鉆孔前，司鉆工需要詳細(xì)了解炮孔布置圖。鉆孔時(shí)，應(yīng)定崗、定人、定位，安排有經(jīng)驗(yàn)、有責(zé)任心的司鉆工進(jìn)行周邊眼、掏槽眼施工；對(duì)鑿巖臺(tái)車鉆桿進(jìn)行精準(zhǔn)定位，確保鉆孔位置誤差在5 cm范圍內(nèi)，確保鉆孔方向平行，不出現(xiàn)相互交錯(cuò)現(xiàn)象；相同類型的炮眼鉆孔深度需滿足鉆爆設(shè)計(jì)。 周邊眼鉆孔外插角的控制為：在眼深小于3 m 時(shí)，要求外插角小于3°；眼深大于3 m 小于5 cm 時(shí)，要求外插角小于2°；兩茬炮接口處臺(tái)階小于15 cm［6］。

（3）周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)要求。周邊孔采取不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合裝藥系數(shù)控制在1.4～2.0 范圍內(nèi)。

（4）裝藥和起爆。 根據(jù)巖石的強(qiáng)度，選用不同的炸藥。乳化炸藥一般設(shè)置在含水地段，其他石質(zhì)條件下采用2 號(hào)巖石硝銨炸藥。 周邊眼選φ25×200 的小藥卷，不耦合裝藥；其余炮眼選用φ40×200 的藥卷，連續(xù)裝藥。 在裝藥過程中， 應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的裝藥量，由上而下進(jìn)行。 裝藥后，用炮泥將炮眼全部嚴(yán)實(shí)堵塞。 起爆時(shí)，選用塑料導(dǎo)爆管復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)。

圖9 臺(tái)階法＋臨時(shí)仰拱法光面爆破炮眼布置間距設(shè)計(jì)圖（單位：cm）Fig.9 Design of shot hole space of smooth blasting of bench method and temporary inverted arch method （Unit： cm）

圖10 臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱法光面爆破炮眼角度設(shè)計(jì)圖（單位：cm）Fig.10 Design of shot hole angle of smooth blasting of bench method and temporary inverted arch method （Unit： cm）

（5）微震爆破。 在不良地質(zhì)和淺埋地段，采取微震控制光面爆破技術(shù)施工。在施工過程中，根據(jù)爆破物與爆心距離計(jì)算最大裝藥量。

3 隧道支護(hù)方法

3.1 超前中管棚注漿支護(hù)

該工程掌子面為V 級(jí)圍巖，地下水發(fā)育，且圍巖自穩(wěn)能力較差。 為保證施工安全，采用φ76 超前中管棚注漿支護(hù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加固。 管棚導(dǎo)管為外徑76 mm、壁厚5 mm、長(zhǎng)度不小于6 m 的無縫鋼管，其環(huán)向間距為40 cm，每環(huán)50 根（9 m／根）。 中管棚搭接長(zhǎng)度不小于3 m。 導(dǎo)管管壁需鉆注漿孔，孔徑為8～10 mm，孔間距為10～20 cm，呈梅花型布置，前段加工成錐形，尾部大于30 cm 不鉆孔，作為止?jié){段。注漿材料為純水泥漿，水灰比為0.5∶1～0.8∶1。對(duì)于地下水豐富、軟弱圍巖地段，可采用水泥－水玻璃雙液漿封堵，加固漿液強(qiáng)度等級(jí)在M10 之內(nèi)，外插角范圍為10°～15°。注漿壓力通常為0.5～1.0 MPa，注漿壓力及漿液配合比可根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行設(shè)定， 中管棚具體布置如圖11 和圖12 所示。

注漿時(shí)， 當(dāng)滿足以下條件之一時(shí)， 結(jié)束單孔注漿。（1）壓力開始變大，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓時(shí)，保持穩(wěn)定10 min；（2） 超過設(shè)計(jì)注漿量80%；（3） 進(jìn)漿速度變?nèi)?，減少到開始進(jìn)漿速度的1／4。

3.2 中空注漿錨桿加固

中空錨桿結(jié)構(gòu)如圖13 所示。

施工時(shí)，為了節(jié)省時(shí)間，對(duì)中空注漿錨桿桿體、長(zhǎng)度檢測(cè)管、 可測(cè)長(zhǎng)錨頭進(jìn)行同時(shí)安裝。 安裝完畢后，需要通過扳手?jǐn)Q緊止?jié){塞。 安裝錨桿墊板時(shí)，要求墊板與錨桿垂直，并與初噴混凝土面密貼緊壓。錨桿安裝好后，不可隨意掰動(dòng)。

圖11 超前管棚正面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）Fig.11 Front design of advanced pipe shed （Unit： cm）

圖12 管棚超前支護(hù)縱向布置圖Fig.12 Vertical layout of advanced support of pipe shed

圖13 中空錨桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Hollow rock bolt structure

采取專用高壓注漿泵借助錨桿預(yù)留通道進(jìn)行注漿。 漿液水灰比為0.4∶1～0.5∶1。 為實(shí)現(xiàn)注漿飽滿，應(yīng)將隧道拱部多余空隙氣體排空。 當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，結(jié)束注漿。

4 結(jié)語

綜上所述， 貴南高鐵九萬大山2 號(hào)隧道穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖區(qū)域，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。 根據(jù)具體的地質(zhì)條件，該工程施工時(shí)，采用了臺(tái)階法＋臨時(shí)仰拱法施工；選用了光面爆破和分區(qū)分段微差爆破的爆破方式；選用超前管棚注漿支護(hù)和中空注漿錨桿加固方案，有效地保障了隧道的施工安全、進(jìn)度和質(zhì)量。