高海拔地區(qū)公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護(hù)施工質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

張新明

（中國水利水電第十二工程局有限公司 浙江杭州 310004）

為防止隧道塌陷對(duì)公共設(shè)施及民眾造成傷害，在隧道開挖作業(yè)實(shí)施期間必須要做好支護(hù)工作，特別是隧道施工范圍有軟弱圍巖地區(qū)的工程項(xiàng)目，支護(hù)工作的作用更是不言而喻［1］。我國許多隧道因地形條件惡劣，地表軟弱堆積，風(fēng)化嚴(yán)重，圍巖軟弱，在施工中不易形成承拱，嚴(yán)重影響隧道安全和施工質(zhì)量［2］。在具體施工中，要按照隧道技術(shù)要求進(jìn)行支護(hù)施工，才能確保隧道的穩(wěn)定性和安全性，使隧道施工質(zhì)量得到顯著提升，為后續(xù)工程竣工投入使用提供基本保障。本文以高海拔地區(qū)公路隧道工程——大雪山隧道工程為例，對(duì)其軟弱圍巖區(qū)段的支護(hù)工作開展情況進(jìn)行分析，為工程順利實(shí)施提供幫助。

1 工程概況

1.1 隧道工程簡(jiǎn)介

大雪山隧道位于滇川藏邊界的云南省香格里拉中甸縣，洞室凈高8.5m×6.5m，起止樁號(hào)K125+830～K12 7+950，長(zhǎng)2120m。該隧道的垂直坡度大約與地面形成30°的夾角，入口設(shè)計(jì)高度為3931.23m，出口高度為3977.61m，隧道最大深度為453m，在K126+926 處。該隧道的最小埋設(shè)深度在14m左右。該隧道的入口和出口附近沒有道路，交通不便。

該隧道位于構(gòu)造侵蝕剝蝕的高山上，穿越山體最高標(biāo)高4409m，隧道入口處3944m，相對(duì)高差465m。該隧道的走向與K127 處的山脊線方向呈60°左右的夾角，隧道進(jìn)出口的斜坡坡度相對(duì)平緩，一般為15°～25°。植物生長(zhǎng)程度低。在隧道建設(shè)中，環(huán)保問題也應(yīng)受到重視。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)狀態(tài)

1.2.1 地層巖性和地質(zhì)鉆探

據(jù)實(shí)地考察，隧道區(qū)的巖性特征以云母片巖為主，其主要成分為綠泥石、絹云母，灰綠色或銀灰色，變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀存在一定差異，層面多呈舒緩波狀。

1.2.2 B址區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造

該隧洞區(qū)位于青藏高原南東緣，屬于滇藏地槽區(qū)。構(gòu)造活動(dòng)主要是由南北向和西北向的構(gòu)造系統(tǒng)組成，雖然也有東北向和東西向的斷層，但它們大多都是小規(guī)模的，除了一些東西方向的斷層以外，還有大量的南北向斷層是由西北向或南北向斷層的衍生產(chǎn)物。

由于隧道兩側(cè)山體的構(gòu)造作用，出露巖體節(jié)理裂縫極多，節(jié)理裂縫發(fā)育導(dǎo)致隧道的穩(wěn)定性較差，使其后續(xù)應(yīng)用的安全系數(shù)大幅下降。利用赤平法對(duì)隧道入口天然巖質(zhì)和已開挖的巖石邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，如圖1所示。

圖1 隧道入口斜坡赤平投影圖

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 地表水

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)資料分析，該段峽谷常年有水流，主要是山頂冰雪融水。隧道進(jìn)、出口均位于斜坡中、低矮處，其分布高度較高，入口和出口附近的低洼區(qū)域具有很大的斷面，因此正常排水不受隧道施工影響。在暴雨過程中，須重視地面水流對(duì)隧洞的侵蝕和破壞，建議采用統(tǒng)一排水系統(tǒng)。

1.3.2 地下水

（1）種類及特征。

隧址區(qū)的地下水主要有兩種類型，分別是基巖裂隙水和第四系疏松孔隙水。

基巖裂隙水主要產(chǎn)于基巖的風(fēng)化裂隙、節(jié)理裂隙、巖層層面、破碎帶和裂隙中，水量的多少取決于風(fēng)化裂隙、節(jié)理裂隙、斷層構(gòu)造發(fā)育和儲(chǔ)水狀況，其特征是：沒有連續(xù)統(tǒng)一的自由水面，不均勻，多為網(wǎng)狀、脈狀、枝狀，儲(chǔ)水量相對(duì)少，且隨季節(jié)的不同而有很大的變化。在隧洞開挖時(shí)，局部洞段的圍巖會(huì)出現(xiàn)“滴漏”或“線性”滲流，這對(duì)隧道施工沒有太大的影響，但會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響（由于襯砌會(huì)改變儲(chǔ)水狀態(tài)）。

第四系孔隙水：以潛水形態(tài)存在于滑體和周圍的第四系孔隙水，由大氣降雨供給，沿斜坡向前緣移動(dòng)，局部在堆積前緣或地形發(fā)生急劇的變動(dòng)，以下降泉的形式露出地表，井泉流量較小，水流動(dòng)力不穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)有3 個(gè)下降泉，流量在1～4L/min。第四系孔隙水主要分布在各主要河段，以中粗砂、砂質(zhì)粘性土和碎石土為主，屬于沖洪積物，具有豐富的地下水和良好的滲透性能。在靠近河道的地方，由于地下水豐富，砂層對(duì)區(qū)間隴道開挖和排水的影響較大。

該隧道位于高山侵蝕地形中，穿越大雪山中部，經(jīng)勘測(cè)數(shù)據(jù)分析，該隧洞不屬于全飽和帶，但有部分洞區(qū)可能位于地下水季節(jié)變化區(qū)。因此，在開挖過程中，部分洞口會(huì)出現(xiàn)涌流，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

（2）補(bǔ)給、徑流、排放條件與動(dòng)力特性。

補(bǔ)給條件與動(dòng)力特性：隧址區(qū)為裸露巖溶區(qū)。由于補(bǔ)給渠道多為縱向裂縫，因此，補(bǔ)給量因季節(jié)的不同而不同，且供給模式通常比較集中，但不太穩(wěn)定。

徑流條件與動(dòng)力特性：隧址區(qū)屬厚層緩斜帶，其徑流狀況良好。根據(jù)縱向分帶性，可以將徑流劃分為四大循環(huán)帶：①含氣帶；②地下水季節(jié)變化帶；③完全飽和帶（處于水系排水系統(tǒng)）；④深層循環(huán)帶（不受鄰近水文網(wǎng)直接影響）。除垂直方向的水流動(dòng)力分帶外，在水平方向上也表現(xiàn)出明顯的分帶性。當(dāng)接近山谷時(shí)，水流條件越好，越接近分水嶺，水位越高，水動(dòng)力條件越差。地下徑流的橫向和縱向的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：壓流與氣流共存，滲流與層流、素流共存，且相互作用的因素之間由于一方發(fā)生變化也會(huì)導(dǎo)致另一方產(chǎn)生變化。

（3）地下水影響。

該隧道水文地質(zhì)狀況十分復(fù)雜。通過對(duì)工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為該隧道圍巖不屬于水文網(wǎng)絡(luò)排水全飽和帶，但由于地下水會(huì)受到季節(jié)影響產(chǎn)生些許變化，從而使有部分洞區(qū)的地質(zhì)性質(zhì)有所改變。在開挖過程中，部分溪段會(huì)出現(xiàn)涌流，嚴(yán)重影響隧道的建設(shè)。在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮外部水壓對(duì)項(xiàng)目的負(fù)面影響，并采用疏、導(dǎo)、排等方法降低外水壓力對(duì)工程的影響。

2 高海拔地區(qū)公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護(hù)施工的主要方法

2.1 臺(tái)階法

臺(tái)階法是由一次開挖全剖面法發(fā)展而來，它通常是將整個(gè)開挖到支護(hù)前期的圍巖維持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的一種重要施工手段［3］。臺(tái)階法按臺(tái)階長(zhǎng)度可劃分為長(zhǎng)臺(tái)階法、短臺(tái)階法、超短臺(tái)階法。在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮兩個(gè)因素：一是在初期支護(hù)形成封閉段的時(shí)間上；二是在圍巖條件不佳時(shí)，要縮短封閉時(shí)間。而在開挖、支護(hù)等工程中，對(duì)施工場(chǎng)地的要求是：設(shè)備和場(chǎng)地的比例。對(duì)于軟弱圍巖，應(yīng)以前者為主，后一項(xiàng)為重點(diǎn)，以保證工程的安全；對(duì)于總體較好的圍巖，重點(diǎn)是如何使機(jī)械的效率得到最大限度的發(fā)揮。

2.2 全斷面開挖法

全斷面開挖法是按照公路隧道施工的設(shè)計(jì)要求，在一次爆破成形后，采取錨固和二次襯砌的施工工藝［4］。全斷面掘進(jìn)法適用于整體良好的I～Ⅱ級(jí)圍巖［5］。同時(shí)，在施工現(xiàn)場(chǎng)，全斷面開挖法的實(shí)施需要大量的機(jī)械設(shè)備，并確保隧道與工程區(qū)段的間隔。通常，機(jī)械設(shè)備之間的間隔不能少于1km，否則難以獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 高海拔地區(qū)公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護(hù)施工要點(diǎn)分析

3.1 掘進(jìn)機(jī)開挖施工要點(diǎn)

在公路隧道施工中，常用的是盾構(gòu)法、TBM 法，在軟土地層中，一般采用盾構(gòu)法，而在巖性地層中，TBM法是最常用的。根據(jù)圍巖的單抽抗壓強(qiáng)度和耐磨性等因素，對(duì)軟質(zhì)圍巖進(jìn)行掘進(jìn)，既能保證圍巖的穩(wěn)定，又能防止崩塌，對(duì)圍巖的影響較小。而在公路隧道施工中，掘進(jìn)機(jī)的施工方式多為兩級(jí)臺(tái)階法，其開挖深度要根據(jù)工程地質(zhì)情況和掘進(jìn)機(jī)的選用來決定，臺(tái)階長(zhǎng)度通常為長(zhǎng)階梯，地質(zhì)情況較差的隧道，可以采取中長(zhǎng)階梯法或短階梯法。

3.2 鋼架施工要點(diǎn)

鋼架由工廠下料分節(jié)焊接而成，以確保各節(jié)段的弧度和尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，各節(jié)的端部采用焊盤，接頭之間用螺栓固定。鋼架安裝時(shí)，要對(duì)其內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并留出一定的沉降量，避免對(duì)襯砌的凈空造成破壞，鋼架與圍巖之間的空隙必須采用噴射混凝土，以確保與圍巖緊密結(jié)合，并控制圍巖的變形；采用縱向連接筋將兩列鋼架之間的連接鋼筋圈相間隔1m，從而構(gòu)成整體受力結(jié)構(gòu)。

3.3 大拱腳鋼架設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

采用正步法施工時(shí)，為了保證正臺(tái)階結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在正臺(tái)階拱腳處設(shè)一個(gè)大拱腳，大拱腳高1m，寬0.5m。大拱腳鋼框架施工是在上一步開挖后，利用風(fēng)鎬進(jìn)行人工修鑿，使拱腳支立成型后，進(jìn)行早期支護(hù)［6］。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在進(jìn)行大拱腳施工的過程中，其鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇尤為重要。對(duì)于該工程項(xiàng)目而言，由于黃土地區(qū)具有良好自穩(wěn)性，但薄層巖體等地質(zhì)條件不理想，可采用正階梯法進(jìn)行開挖，確保正臺(tái)階開挖的擴(kuò)孔工作具備充足的時(shí)間，做到及時(shí)支護(hù)，以防止圍巖的崩塌。

3.4 噴射混凝土施工要點(diǎn)

在隧道開挖后，應(yīng)盡快對(duì)圍巖進(jìn)行封堵，采用噴水混凝土噴射機(jī)分段、分層噴漿，并及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。然而，在實(shí)際工程中，由于隧道施工中開挖斷面并不平滑，增加了噴射混凝土的施工難度，并增加了噴射混凝土的工作量。因此隧道施工時(shí)，應(yīng)在噴漿之前，先用石棉板、木板等材料對(duì)凹坑進(jìn)行封堵，再進(jìn)行噴射混凝土，從而節(jié)省噴漿材料，降低噴砂作業(yè)的工作量［7］。

4 高海拔地區(qū)公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護(hù)施工管理

4.1 施工現(xiàn)場(chǎng)管理

在公路隧道工程施工中，要強(qiáng)化施工組織和管理，重點(diǎn)是強(qiáng)化施工的安全。施工期間需要進(jìn)行爆破、鉆孔、噴射混凝土、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，在施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體和粉塵，因此，為確保施工作業(yè)人員的生命健康，必須對(duì)其進(jìn)行通風(fēng)，以確保施工現(xiàn)場(chǎng)的新鮮空氣供應(yīng)，減少有害氣體、粉塵，確保施工作業(yè)人員在安全的條件下進(jìn)行施工，加快施工進(jìn)度。

4.2 施工風(fēng)險(xiǎn)管理

在隧道建設(shè)中，要特別注意對(duì)施工的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，通過科學(xué)、成熟的技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備，以防止地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、有害氣體和高溫慣性事故等發(fā)生。在確定了風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目和對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)后，就可以根據(jù)各種理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式規(guī)避和控制隧道建設(shè)中的各種風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地減少和控制安全事故，從而有效地減少工程造價(jià)，使隧道工程的施工質(zhì)量得到保障［8］。

5 結(jié)語

總而言之，隧道工程是國內(nèi)公路建設(shè)中非常重要的工程項(xiàng)目，其對(duì)國家整體建設(shè)水平具有很大的參考價(jià)值，因此必須投以更多的精力。在實(shí)際施工中，由于隧道圍巖具有不穩(wěn)定的可能性，會(huì)對(duì)隧道的施工產(chǎn)生很大的影響，要提高隧道的施工質(zhì)量，就需要對(duì)隧道的支護(hù)作業(yè)加以重視。在開工之前必須詳盡了解隧道的圍巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)等基本條件，明確支護(hù)地點(diǎn)、方式、技術(shù)等要素，并結(jié)合實(shí)際情況選取最佳的施工方案開展作業(yè)，從而有效提高隧道結(jié)構(gòu)的安全性能。