復(fù)雜地質(zhì)條件下那立隧道快速施工技術(shù)

肖春名 廖盛榮 劉文金 周志彬

(1.中交路橋建設(shè)有限公司 北京 100027； 2.中交路橋華南工程有限公司 中山 528405； 3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 焦作 454003)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的陸上交通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上為了貫徹落實(shí)國(guó)家戰(zhàn)略，滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的需要，新一輪具有區(qū)域特點(diǎn)的高速公路網(wǎng)規(guī)劃被提上日程，實(shí)現(xiàn)以高速公路的優(yōu)先發(fā)展引領(lǐng)作用，帶動(dòng)偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。新時(shí)期的高速公路網(wǎng)多穿行于山嶺地帶，為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、節(jié)省造價(jià)的目的，山嶺公路隧道發(fā)展了起來(lái)。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：從2009—2020年的公路隧道分布情況來(lái)看，山嶺隧道增長(zhǎng)數(shù)量最多[1-3]。不同于城市地鐵隧道，山嶺隧道地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、施工條件惡劣、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等，大大增加了山嶺隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)隧道施工安全的要求也更為嚴(yán)格[4-5]，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)隧道的快速施工，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作。

梅源等[6]將三臺(tái)階三步法結(jié)合“兩緊跟”技術(shù)，及滑槽逐窗入模澆筑技術(shù)和帶模注漿及監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于蒙華運(yùn)煤專線隧道群，大大提高了黃土長(zhǎng)大隧道快速開(kāi)挖施工的可靠性。譚忠盛等[7]在東天山特長(zhǎng)公路土質(zhì)隧道大斷面開(kāi)挖時(shí)采用超長(zhǎng)小導(dǎo)管超前支護(hù)配合預(yù)留核心土開(kāi)挖方法，實(shí)現(xiàn)了土質(zhì)圍巖隧道掌子面穩(wěn)定，對(duì)比臺(tái)階法施工可顯著提升工效。戴潤(rùn)軍等[8]將“三臺(tái)階七步”開(kāi)挖法應(yīng)用于軟巖條件下的隧道，重點(diǎn)研究了仰拱施工，以促進(jìn)其他工序的順利實(shí)施。李自強(qiáng)等[9]以實(shí)際工程為背景，采用數(shù)值模擬方法從循環(huán)進(jìn)尺和施工通風(fēng)兩個(gè)方面研究了松動(dòng)圍巖的發(fā)展和變形，提出了最合理的爆破進(jìn)尺和送風(fēng)管長(zhǎng)度，取得了良好的快速掘進(jìn)效果。歐陽(yáng)艷等[10]以西北高原地區(qū)長(zhǎng)大隧道施工中巖爆段為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法研究了柔性網(wǎng)對(duì)隧道的防護(hù)能力，促進(jìn)了隧道的快速施工。鄧勇[11]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等方法進(jìn)行研究，提出通過(guò)注漿加固方法可以實(shí)現(xiàn)良好的隧道排水。何英南[12]結(jié)合大臨鐵路某軟巖段隧道，采用玻纖維桿新型加固技術(shù)，配合“三臺(tái)階七步”施工法，設(shè)置合理的爆破參數(shù)，對(duì)隧道快速施工起到了良好的作用。王猛等[13]以實(shí)際工程為背景，提出了新的“三導(dǎo)洞加聯(lián)絡(luò)通道法”，對(duì)隧道快速施工起到了積極作用。

以上成果通過(guò)研究隧道襯砌支護(hù)技術(shù)、掌子面開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)、循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度控制、地質(zhì)災(zāi)害處理、爆破方案設(shè)計(jì)以及施工組織優(yōu)化等因素來(lái)控制隧道掘進(jìn)進(jìn)度，但并未系統(tǒng)地研究隧道開(kāi)挖全流程的方案設(shè)計(jì)及施工組織管理。因此，為了研究隧道在開(kāi)挖過(guò)程中全流程的方案設(shè)計(jì)，本文以巴馬—憑祥公路巴馬至田東段No2合同段那立隧道工程為背景，從洞口開(kāi)挖支護(hù)到拱頂和墻身二襯完成及仰拱回填施工完畢，全流程系統(tǒng)地研究隧道施工技術(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況和隧道參數(shù)以及施工過(guò)程中可能遇到的突發(fā)情況，提出合理的技術(shù)方案，提出一套可為類似工程借鑒的復(fù)雜條件下隧道的快速施工技術(shù)。

1 工程概況

那立隧道進(jìn)洞口位于廣西壯族自治區(qū)百色市田東縣朔良鎮(zhèn)那立村附近，為雙洞分離式短隧道，隧道走向約153°，近直線分布。左線起止樁號(hào)ZK24+170～ZK24+515，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為345m，進(jìn)口路基設(shè)計(jì)高程為247.732m，最大埋深約為67.747m(位于ZK24+380處)；右線起止樁號(hào)YK24+168～YK24+520，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為352m，進(jìn)口路基設(shè)計(jì)高程為247.756m，最大埋深約72.466m(位于YK24+380處)。

隧道區(qū)屬低山丘陵深切割地貌，地形地貌主要受到地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造控制，圍巖類型為Ⅳ類和Ⅴ類，相對(duì)高差257m。隧址區(qū)山體植被較發(fā)育，部分為基巖裸露，進(jìn)洞口斜坡地帶多為第四系殘坡積層覆蓋。進(jìn)洞口位于斜坡下部，斜坡坡向327°左右，坡角25°～35°，線路走向147°。隧道進(jìn)口仰坡開(kāi)挖后為順層坡，不利于整體穩(wěn)定。隧道進(jìn)口橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 隧道進(jìn)口橫斷面圖

2 進(jìn)洞及洞口段施工

2.1 邊仰坡施工及防護(hù)

洞門施工前設(shè)置C20混凝土現(xiàn)澆截排水溝，位于仰邊坡3～5m外，并于刷坡前澆筑好，避免坡頂?shù)乇硭疀_刷邊坡，造成洞門損壞。

采用挖掘機(jī)對(duì)洞口進(jìn)行開(kāi)挖，本工程隧道進(jìn)口仰坡開(kāi)挖后為順層坡，進(jìn)洞仰坡穩(wěn)定性較差，按照設(shè)計(jì)坡率1∶1.5進(jìn)行放坡，仰邊坡分層開(kāi)挖，隨之在設(shè)計(jì)洞門邊坡范圍內(nèi)垂直坡面打入小導(dǎo)管，采用M30水泥砂漿注漿加固，坡面掛Φ8@250mm鋼筋網(wǎng)，噴射10cm厚的C20素混凝土防護(hù)層。熱軋無(wú)縫鋼管小導(dǎo)管規(guī)格為：直徑Φ=42mm，壁厚t=4mm，長(zhǎng)度l=3.5m，間距@1m×1m，布置為梅花形。

2.2 超前大管棚施工

軟弱圍巖淺覆大跨隧道暗挖施工，管棚可起到防塌、控制地層變形的作用[14]。本工程隧道進(jìn)口段為三疊系中統(tǒng)百逢組(T2b)砂巖，超前大管棚超前進(jìn)洞支護(hù)。大管棚支護(hù)斷面見(jiàn)圖2。

圖2 大管棚超前支護(hù)布置圖

鋼管規(guī)格為：壁厚t=6mm，長(zhǎng)度l=28m。鋼管內(nèi)插入三根Φ22mmHRB400級(jí)鋼筋組成的鋼筋束，鋼管前部設(shè)置為尖錐狀以便于施工，尾部設(shè)加勁箍，沿著鋼管周邊設(shè)置Φ=15mm壓漿孔，0.5°～1°外傾角施工，鉆孔的位置、方向、直徑要嚴(yán)格控制，孔眼要平直順暢，孔眼鉆完后須用壓縮空氣清孔，接著注入M30水泥砂漿。管棚環(huán)向Φ50cm，注漿過(guò)程中管棚每管端焊一止?jié){閥。將水灰比1∶1的水泥漿注入鋼管中，壓力初始0.5～1.0MPa，終止2.0MPa，將壓力穩(wěn)定1～5min，漿液擴(kuò)散半徑不小于0.5m，施工前應(yīng)進(jìn)行測(cè)試取得最優(yōu)的注漿形式。大管棚工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 大管棚施工工藝

2.3 明洞施工

施工前先復(fù)核導(dǎo)線樁點(diǎn)，然后邊仰坡開(kāi)挖整理，接著澆筑洞頂截水溝。明洞襯砌施工完待強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后，明洞對(duì)稱回填兩邊?；靥钕炔捎肅15混凝土回填，混凝土回填至設(shè)計(jì)高程后接著采用碎石土，每層碎石土填筑高度小于300mm，填筑完成最后施工隔水層。轉(zhuǎn)角平臺(tái)施工前夯實(shí)地基至壓實(shí)度≥90%，洞口段地基容許承載力若<300kPa，應(yīng)采用C15素混凝土換填地基土至設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，工藝流程如圖4所示。

圖4 明洞施工工藝

3 洞身開(kāi)挖及支護(hù)

洞身部分施工初期設(shè)置全斷面錨噴支護(hù)與鋼架支撐，根據(jù)圍巖巖性的不同和隧道埋深及隧道設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，洞身分別采用不同的襯砌型式。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力[15]。本隧道工程經(jīng)過(guò)物探、鉆探以及地質(zhì)調(diào)繪，根據(jù)圍巖性質(zhì)及應(yīng)力分布情況和地下水分布，確定圍巖綜合劃分為V級(jí)，施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。導(dǎo)坑開(kāi)挖上弧段主要使用挖掘機(jī)進(jìn)行，減小振動(dòng)效應(yīng)，配合裝載機(jī)和運(yùn)渣車運(yùn)渣，下半斷面采用左右跳槽開(kāi)挖，兩邊留足臺(tái)階土，接著及時(shí)進(jìn)行混凝土初噴工作，使初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)。圍巖襯砌斷面見(jiàn)圖5。

圖5 襯砌斷面圖

超前小導(dǎo)管采用數(shù)控小導(dǎo)管沖孔機(jī)鉆孔，待掌子面混凝土噴射工作完成后進(jìn)行注漿。熱軋無(wú)縫鋼管小導(dǎo)管規(guī)格：直徑Φ=50mm，壁厚t=5mm，長(zhǎng)度l=4.5m，導(dǎo)管周邊鉆孔Φ=6mm，尾端0.95m范圍內(nèi)保持原狀不進(jìn)行鉆孔需焊接Φ=6mm加勁箍，前端為了便于施工需要制作為錐形并封焊密實(shí)，之后圍巖鉆孔并安設(shè)小導(dǎo)管注漿。開(kāi)挖隧道一側(cè)，洞身錨桿、鋼架及橫撐和鋼筋網(wǎng)安裝，噴射混凝土?xí)r需減小噴頭到工作面的距離并且控制好風(fēng)壓，鋼筋網(wǎng)保護(hù)層厚度不小于2cm。采用相同方法重復(fù)第一段開(kāi)挖工作，最后澆筑仰拱。初襯完成后鋪設(shè)土工布、防水板，采用臺(tái)車整體一次澆筑完成二襯。雙側(cè)壁導(dǎo)坑橫斷面見(jiàn)圖6，縱斷面見(jiàn)圖7。

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法橫斷面圖

圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法縱斷面圖

4 不良地質(zhì)段施工措施

根據(jù)地質(zhì)勘探資料及物探推測(cè)，本工程部分地段節(jié)理裂隙發(fā)育，相對(duì)富水，巖體較破碎，易產(chǎn)生塌方、淋雨出水等地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，提前做好施工組織預(yù)案，采取合理的施工技術(shù)措施。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)斷面示意見(jiàn)圖8。

圖8 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)斷面示意圖

4.1 隧道塌方

隧道塌方常發(fā)生于地質(zhì)復(fù)雜多變、地質(zhì)較差、地下水豐富的地區(qū)，隧道塌方通常是隧道-圍巖-環(huán)境相互作用的結(jié)果[16]。對(duì)此，施工現(xiàn)場(chǎng)在施工至危險(xiǎn)地段時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)探測(cè)預(yù)報(bào)，提前做好超前支護(hù)，制定有效應(yīng)對(duì)措施。遇到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)單位，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

遇到隧道局部塌方時(shí)，首先應(yīng)停止掌子面施工，沿拱頂和腰墻采用外傾角60°打設(shè)長(zhǎng)度l=250cm、直徑Φ=22mmHRB400級(jí)鋼筋藥卷錨桿進(jìn)行加固，環(huán)向@120cm；縱向@120cm,接著架設(shè)I16工字鋼架，縱向@75cm，梅花形打設(shè)；之后掛設(shè)20×20cmΦ=50mm鋼筋網(wǎng)，采用C25混凝土噴射工作面，預(yù)留5cm變形縫施工防水層；最后采用C35防水混凝土進(jìn)行二次襯砌，厚度35cm。隧道塌方措施斷面情況如圖9。

圖9 塌方措施斷面圖

4.2 隧道突水涌泥

隧道穿越斷層破碎帶突水涌泥機(jī)理復(fù)雜，涉及地下水流動(dòng)、圍巖弱化、開(kāi)挖擾動(dòng)等，嚴(yán)重會(huì)造成人員財(cái)產(chǎn)損失，甚至停工改建[17]。本工程圍巖節(jié)理發(fā)育段，地下水富集地帶可能出現(xiàn)突水涌泥情況，需要采取工程措施，加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)。

突水涌泥地段原則上以堵為主、限量排放，可以采取超前預(yù)注漿處理，注漿采用深淺組合方式，外層注漿管長(zhǎng)度l=20m，內(nèi)層注漿管長(zhǎng)度l=30m。注漿管外插角5°～25°，矩形@1.0m×1.0m施工，漿液采用水泥水玻璃，壓力為0.3～0.8MPa。按照從短管到長(zhǎng)管的順序注漿，接著由外到內(nèi)、由上到下鉆檢查孔，鉆完后根據(jù)設(shè)計(jì)要求判斷檢查孔是否需要注漿。注漿施工分前期單孔注漿和后期終壓控制，在涌水量大的地方可以先進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐潘缓笤僮{，注漿孔布置如圖10。

圖10 注漿孔布置斷面圖

5 掌子面控制爆破

爆破施工是隧道工程的重點(diǎn)，爆破安全控制是施工的重難點(diǎn)，爆破過(guò)程中要控制好振動(dòng)效應(yīng)對(duì)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的損傷，包括飛石對(duì)施工人員安全的威脅。炸藥爆炸破碎巖石的過(guò)程中，對(duì)隧道保留巖體會(huì)產(chǎn)生傷害，施工不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生失穩(wěn)，誘發(fā)地質(zhì)危害[18]。本次隧道施工采用光面爆破，可有效解決隧道開(kāi)挖爆破中的超欠挖問(wèn)題，使得隧道周壁平順光滑[19]。好的光面爆破能使爆破影響得以有效的控制，降低圍巖的壓力，提高自穩(wěn)定能力，使得隧道掘進(jìn)施工取得較好的效果。本工程根據(jù)地質(zhì)情況采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑鉆爆法，炮孔布置見(jiàn)圖11。

圖11 炮孔布置斷面圖

采用手風(fēng)鉆配合潛孔鉆機(jī)，期間要根據(jù)巖性的變化做好記錄。上斷面①③⑤部位：炮眼直徑Φ=42mm，利用率90%；現(xiàn)場(chǎng)采用斜眼掏槽，傾斜角度為63°，孔深0.8m；崩落孔垂直于掌子面，孔深0.7m；周邊孔與掌子面成87°斜角，孔深0.7m；現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)進(jìn)尺為0.6m。掏槽孔裝藥Q=0.45kg；崩落孔0.30kg；周邊孔0.15kg，堵塞長(zhǎng)度l=300mm。下斷面②④⑥部位炮孔利用率、傾斜角度、孔深、循環(huán)進(jìn)尺、裝藥量及堵塞長(zhǎng)度與上斷面①③⑤部位一樣，但下斷面炮眼直徑為42mm。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法鉆爆經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 鉆爆經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

表2 隧道爆破參數(shù)

6 監(jiān)控量測(cè)

每次開(kāi)挖結(jié)束后，需對(duì)掌子面地質(zhì)類別、巖層走向、節(jié)理產(chǎn)狀、地下水情況做好記錄。在隧道周邊埋設(shè)測(cè)點(diǎn)固定桿，對(duì)周邊位移做好測(cè)量記錄；拱頂測(cè)點(diǎn)用風(fēng)槍打眼埋設(shè)測(cè)量桿并設(shè)置掛鉤通過(guò)水平儀測(cè)量；地表處，在隧道中線位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)；洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)安置在距離工作面1m范圍內(nèi)，且不大于一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，通過(guò)測(cè)點(diǎn)了解圍巖受力性質(zhì)。

本隧道工程距離村莊不遠(yuǎn)，在隧道施工期間同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，防止爆破地震波對(duì)居民及構(gòu)筑物造成傷害。過(guò)大的爆破地震響應(yīng)也會(huì)對(duì)圍巖造成損傷，不利于圍巖的自身穩(wěn)定。采用北斗實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握隧道情況，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行爆破參數(shù)核算，遇到突發(fā)情況及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，嚴(yán)格按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[20]控制爆破振速，保證隧道安全施工，提高掘進(jìn)效率。

7 施工組織與質(zhì)量控制措施

為了使隧道施工順利、快速進(jìn)行，工程配備施工、現(xiàn)場(chǎng)、協(xié)調(diào)、測(cè)量等具有豐富施工經(jīng)驗(yàn)的管理人員5人，主要負(fù)責(zé)施工調(diào)度、組織、技術(shù)、環(huán)保、檢查；開(kāi)挖班52人，負(fù)責(zé)機(jī)械保障；支護(hù)班60人，負(fù)責(zé)鋼筋、拱架加工裝配和襯砌構(gòu)件安裝施工；調(diào)度長(zhǎng)4人，負(fù)責(zé)工作協(xié)調(diào)；測(cè)量員3人，負(fù)責(zé)隧道所有測(cè)量和資料；襯砌班37人，負(fù)責(zé)混凝土拌和、運(yùn)輸、襯砌施工；保障班10人，負(fù)責(zé)施工現(xiàn)場(chǎng)電器件安裝、保障。

項(xiàng)目部實(shí)行二級(jí)質(zhì)量管理制度。項(xiàng)目部設(shè)專職質(zhì)量檢查工程師，班組設(shè)兼職質(zhì)檢員。同時(shí)建立質(zhì)量自檢體系，施工中自下而上按檢查、復(fù)檢、抽檢三個(gè)等級(jí)實(shí)施檢查任務(wù)，接受來(lái)自建設(shè)單位和監(jiān)理單位的監(jiān)督。定期進(jìn)行質(zhì)量教育，嚴(yán)格實(shí)行一票否決權(quán)制度，嚴(yán)格做好三級(jí)交底工作，加強(qiáng)施工過(guò)程控制，責(zé)任落實(shí)到人。保障隧道施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全、快速施工。質(zhì)量保證體系見(jiàn)圖12。

圖12 質(zhì)量保證體系

8 結(jié)論

(1)隧道施工進(jìn)洞前，預(yù)先澆筑截水溝，保證隧道頂?shù)乇硭潘〞?，邊仰坡開(kāi)挖支護(hù)，挖至洞面時(shí)預(yù)留核心土。

(2)洞口軟弱圍巖區(qū)采用大管棚超前支護(hù)措施，防止圍巖塌陷，控制過(guò)大變形，保證后續(xù)施工。明洞采用模板臺(tái)車整體一次澆筑成型，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后兩側(cè)對(duì)稱分層洞頂回填至設(shè)計(jì)高程。

(3)Ⅴ級(jí)圍巖新奧法隧洞開(kāi)挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，超前小導(dǎo)管加固，充分發(fā)揮圍巖的自身穩(wěn)定性。初期支護(hù)設(shè)置全斷面錨噴與鋼架支撐復(fù)合式襯砌。

(4)不良地質(zhì)段采用物探加鉆探加強(qiáng)超前預(yù)測(cè)，對(duì)可能出現(xiàn)的隧道塌陷、突水涌泥地段，采用深淺孔組合注漿加固技術(shù)，加強(qiáng)封堵，實(shí)現(xiàn)快速施工。

(5)根據(jù)圍巖地質(zhì)情況及隧道參數(shù)，隧道斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑光面爆破環(huán)形預(yù)留核心土法開(kāi)挖，采用掏槽孔+崩落孔+周邊孔法分段設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，嚴(yán)格控制藥量，臺(tái)車鉆眼，非電毫秒雷管微差起爆。

(6)優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，建立健全組織機(jī)構(gòu)，采用二級(jí)質(zhì)量管理制度，三級(jí)交底工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下隧道快速施工。