劉家隧道軟弱圍巖段開挖施工處治技術(shù)

歐 健

(中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫 214000)

隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，隧道的修建越來越多。隧道開挖施工因受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響,一直是交通建設(shè)中的重點和難點問題，而隧道軟弱圍巖段開挖又是隧道施工的關(guān)鍵。因此，對隧道軟弱圍巖段開挖施工問題開展研究，為解決軟弱圍巖隧道開挖施工提供經(jīng)驗和技術(shù)借鑒，具有重要的工程價值和社會價值。劉家隧道軟弱圍巖段存在局部軟弱夾層、斜向?qū)盈B、圍巖極度軟弱、巖體均質(zhì)性極差、產(chǎn)狀紊亂等問題，嚴重影響其隧道開挖施工，因此，對其軟弱圍巖段開挖施工處治進行研究是十分必要的。

1 工程概況

劉家隧道全長2505m，起訖里程為K140+300～K142+805，埋深大。隧道地表沖溝發(fā)育，但地下水發(fā)育不明顯，干旱季節(jié)隧道內(nèi)滲水很少。隧道穿越地層主要是夾千枚巖灰?guī)r、夾灰?guī)r千枚巖。隧道圍巖設(shè)計分布情況為：K140+300～+380 段是V類圍巖；K140+380～+ K141+640段是產(chǎn)狀接近直立的夾灰?guī)r千枚巖，存在明顯片理與發(fā)育的節(jié)理；K141+640～+920段是V類圍巖斷層帶，斷層是扭曲嚴重的擠壓千枚巖，存在斷層角礫及碎裂灰質(zhì)；K141+920～K142+805段是Ⅱ類圍巖，巖體是夾千枚巖灰?guī)r，產(chǎn)狀接近直立，灰?guī)r風(fēng)化嚴重，存在明顯層理，中間厚，逐漸遞減成薄層狀。隧道開挖后發(fā)現(xiàn)，從K141+376開始，圍巖出現(xiàn)突變，為IV～V圍巖，長850 m，為斷層角礫及千枚巖夾泥鈣質(zhì)薄層，存在嚴重扭曲褶皺，節(jié)理發(fā)育，云母含量高，巖層擠壓面明顯，破碎嚴重，結(jié)合差，難以自穩(wěn)。隧道設(shè)計為復(fù)合式二次襯砌，由于斷層帶內(nèi)結(jié)構(gòu)紊亂，圍巖自穩(wěn)能力極差，局部地段二次襯砌加厚。初期支護為：IV類圍巖采用錨網(wǎng)噴，噴10 cm厚混凝土；V類圍巖采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固，設(shè)錨桿鋼筋網(wǎng)與1榀/m I16工字鋼，噴15 cm厚混凝土。

2 軟弱圍巖對隧道開挖施工的不利因素

2.1 隧道存在局部軟弱夾層

隧道開挖施工中發(fā)現(xiàn)，在隧道開挖方向存在連續(xù)貫通的軟弱破碎帶，開挖施工時局部單側(cè)出現(xiàn)嚴重滑坍塌，使得隧道初期支護受力不均，拱腳出現(xiàn)坍方，局部出現(xiàn)壓裂，大大增加了施工處治難度。

2.2 隧道軟弱圍巖段存在斜向?qū)盈B圍巖

隧道開挖施工中發(fā)現(xiàn)，隧道軟弱圍巖段存在斜向?qū)盈B圍巖，采用臺階法處理時，上臺階的拱部開挖時，會發(fā)生順層滑塌，塌方超出拱頂2～3 m，造成開挖面拱部出現(xiàn)斜面，給拱部開挖與鋼支架架立帶來很大的困難；下臺階的邊墻開挖時，由于巖體節(jié)理被切割會順節(jié)理面發(fā)生滑坍，造成開挖面出現(xiàn)斜面，給邊墻開挖與鋼支架架立帶來很大的困難。

2.3 隧道存在極度軟弱圍巖

隧道開挖施工中發(fā)現(xiàn)，隧道軟弱圍巖段存在遇水易軟化、手捏可成粉狀、有滑膩感、節(jié)理面光滑、薄層狀、灰黑色的泥鈣質(zhì)千枚巖，造成初期支護受到軟弱圍巖松散體產(chǎn)生的巨大壓力、不均勻巖質(zhì)造成的不均勻受力，使得間距較大的初期支護鋼支撐出現(xiàn)彎折、內(nèi)移，造成初期支護侵限。此外，因邊墻為10 m高的曲墻，高度大，在拱腳、邊墻部位均會有不同程度的變形產(chǎn)生。

2.4 隧道軟弱圍巖段巖體均質(zhì)性極差，產(chǎn)狀紊亂

開挖隧道時，開挖輪廓切割圍巖褶曲節(jié)理及軟弱部分，順交滑節(jié)理面，局部巖體出現(xiàn)滑坍；隧道沿開挖方向，局部破碎灰?guī)r堆積，千枚巖夾灰?guī)r斜向?qū)盈B，千枚巖分層富集，較好巖體分布極不規(guī)則，犬牙狀交錯，造成隧道開挖時軟弱圍巖局部滑坍，形成大坑，嚴重影響隧道初期支護施工。

3 隧道軟弱圍巖段開挖施工處治方法

(1)開挖。根據(jù)隧道軟弱圍巖情況，開挖施工采用拱部、邊墻分開開挖的正臺階法。臺階長度控制在3～5 m，上、下臺階每茬炮掘進深度1.5～2 m。拱部開挖采用斜眼掏槽，弱爆破施工，四周炮孔盡量少裝藥，采取間隔裝藥的方式。邊墻開挖采取梯形起爆、單層打眼的方法。炸藥采用Φ22 mm藥卷。開挖鑿眼采用 YT28 風(fēng)鉆，采取光面爆破，盡量避免對圍巖擾動，盡快開挖，盡快封閉[1]。

(2)支護。軟弱地層采用小導(dǎo)管預(yù)注漿法超前加固，導(dǎo)管為Φ25 mm鋼管，管壁梅花型開孔，開孔孔徑為8 mm，間距為15 cm。注漿孔深為4～5 m，擴散半徑為2 m，間隔距離為0.4 m。漿液為早強型高標(biāo)號水泥砂漿，配合比為水∶砂∶水泥=3∶1∶1。水為檢測合格的河水，水泥采用425號普通硅酸鹽水泥，并加入3%～5%的CaCl2高效速凝劑。注漿壓力控制在0.6～0.9 MPa范圍內(nèi)，注漿應(yīng)嚴格按注漿規(guī)范要求操作，并通過采取注漿巖芯進行抗壓強度試驗的結(jié)果對最終注漿質(zhì)量進行控制，保證注漿效果達到規(guī)定要求。待穩(wěn)固地層12 h后，再進行開挖作業(yè)。開挖完工后，先濕噴5 cm厚混凝土，再出碴。出完碴后，架立型鋼鋼架、施工鋼筋網(wǎng)、錨桿，濕噴混凝土至初期支護規(guī)定厚度。

(3)出碴。隧道拱部上臺階開挖出碴采用人工進行，用手推車配合。隧道邊墻下臺階開挖出碴采用拔碴機。隧道碴土采用5 t自卸汽車運輸至棄碴場。為提高運輸效率，隧道內(nèi)每隔300 m處加寬開挖作會車用。

(4)襯砌。采用小塊拼裝式“2015”鋼模板先墻后拱法施工，緊跟施作仰拱，以盡早封閉成環(huán)，形成受力結(jié)構(gòu)。襯砌混凝土采用后傾式拖拉機和2.5 t農(nóng)用汽車運輸。

(5)通風(fēng)。距離掌子面30 m設(shè)50 kW通風(fēng)機1臺，洞口設(shè)“88-1”55 kW通風(fēng)機1臺，采用混合式通風(fēng)，洞口為壓入式通風(fēng)，掌子面為吸出式通風(fēng)。

(6)加強隧道施工監(jiān)測。為控制隧道軟弱圍巖段施工安全，對隧道軟弱圍巖段加強施工監(jiān)測。隧道開挖并完成錨桿打設(shè)后，進行監(jiān)控點布設(shè)和測量[2]。隧道每個監(jiān)測斷面布設(shè)5個監(jiān)控點，分別為拱頂、起拱線上1.2 m兩側(cè)、起拱線下1.25 m位置兩側(cè)。施工中監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該隧道軟弱圍巖段拱頂監(jiān)測收斂值一般為60～80 mm，起拱線上收斂值一般為100～130 mm，起拱線上收斂值一般為100～140 mm，局部弱圍巖段長時間不能達到穩(wěn)定，對初期支護采取進一步加強處理后才趨于穩(wěn)定。隧道軟弱圍巖段開挖施工中通過加強圍巖監(jiān)測，保證了軟弱圍巖段隧道支護的穩(wěn)定，避免了坍方的發(fā)生。

(7)隧道初期支護破壞處治。對于隧道軟弱圍巖段的初期支護出現(xiàn)的鋼支撐變形、局部開裂、拱腳內(nèi)移侵限等問題，采取的處治方法為：①用強度、變形性能更好的型鋼支架代替格柵鋼架，并在拱腳位置用鋼筋補強；②根據(jù)開挖圍巖實際情況對型鋼支架進行加密，間距由1 m調(diào)整為0.5 m或0.75 m；③嚴格控制好型鋼支架、鋼支撐及其排間的連接和焊接質(zhì)量；④在拱腳橫向增加對口支撐和鎖腳錨桿。

(8)開挖面光面效果差。該隧道軟弱圍巖較差的巖體，順光滑節(jié)理面局部滑坍，產(chǎn)生大坑；較好巖體因均勻性差，產(chǎn)狀紊亂，造成隧道開挖后，出現(xiàn)極不規(guī)則的犬牙交錯，使得開挖面光面效果差。施工中采取的處治方法為：①隧道開挖完成后馬上進行噴射砼施工，封閉圍巖，保證軟弱巖體穩(wěn)定，不出現(xiàn)掉塊、落碴，再在出碴時，繼續(xù)進行初期支護的噴射砼施工；②施工完成鋼支撐、錨桿后，對較少超挖的地段按設(shè)計厚度噴混凝土，超挖較大地段回填漿砌片石后按設(shè)計厚度噴混凝土[3]。

(9)軟弱圍巖段順層滑坍處治。該隧道軟弱圍巖段存在斜向?qū)盈B圍巖，拱部上臺階開挖后會發(fā)生順層滑塌，塌方超出拱頂2～3 m，造成開挖面拱部出現(xiàn)斜面。下臺階的邊墻開挖時，由于巖體節(jié)理被切割，順節(jié)理面發(fā)生滑坍，造成開挖面出現(xiàn)斜面，在隧道出碴時，會造成拱部初期支護出現(xiàn)變形，拱腳支護懸空。針對這一問題采取的處理措施為：①采用超前加強小導(dǎo)管預(yù)注漿對地層進行加固；②對拱頂出現(xiàn)的坍方，采用短工字鋼架設(shè)棚架，防止塌方進一步擴大；③初期支護的噴射砼厚度加厚，保證支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；④拱腳位置根據(jù)實際情況設(shè)置1～2榀橫撐梁，同時橫向用鋼橫撐梁支撐，縱向用工字鋼托梁支撐[4-5]；⑤在隧道出碴前，對拱腳巖體、邊墻坍塌處進行噴射砼處理，以保證其穩(wěn)定，并在出碴過程中繼續(xù)噴；⑥對出現(xiàn)坍塌的鋼架，重新設(shè)置隧道拱部的錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼支架。對超挖嚴重的部位回填漿砌片石后，再次噴射混凝土，以保證其初期支護的整體性。

(10)支護侵限處理。因斷層帶圍巖自穩(wěn)性差，隧道局部出現(xiàn)支護侵限高達0.3 m。施工采取先對圍巖進行壓漿加固，再對侵限支護鑿除后，重新施作支護與襯砌。

(11)二次襯砌開裂處理。K141+620～+626邊墻出現(xiàn)受壓型開裂，多發(fā)生在直墻襯砌地段。K141+340～+346邊墻下沉，主要原因是基底未處理好。處理措施為：①對在襯砌開裂裂縫兩邊布設(shè)間距0.7～1.4 m梅花形錨桿，錨桿可以采用普通錨桿或邁式錨桿，對裂縫進行開槽處理后加設(shè)墊板；②對裂縫位置采用壓漿進行加固，壓漿液配合比為水泥∶砂=1∶2(體積比)，水灰比1∶2；③在裂縫位置鑿槽后嵌補環(huán)氧砂漿；④對個別侵限部位作表面鑿除。

4 結(jié)語

(1)對于隧道軟弱圍巖段，超前施工仰拱或鋪底，可以有效加強初期支護，減少開裂，改善洞內(nèi)運輸條件，使襯砌盡早封閉成環(huán)。

(2)隧道軟弱圍巖段開挖施工時，應(yīng)充分考慮軟弱圍巖對開挖施工造成影響的不利因素，針對這些不利因素，提出有針對性的處理措施；并在開挖施工中，采取有效的施工監(jiān)測措施，以保證軟弱圍巖段開挖施工安全與質(zhì)量。

(3)該隧道軟弱圍巖和病害整治工程經(jīng)過達半年之久的觀測，混凝土表面無重新開裂現(xiàn)象；軟弱圍巖和病害整治施工期間，除上導(dǎo)坑局部發(fā)生小坍方外，未發(fā)生安全事故，表明采用的施工方法是可行的，可在類似工程中推廣應(yīng)用。