特殊地質(zhì)圍巖隧道施工技術(shù)及安全管理

趙明飛

（云南省昭通市交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，云南 昭通 665000）

一、工程概況

某隧道工程，左幅起止樁號為z5k59+562～z5k60+873.801，全長1311.801m；右幅起止樁號為k59+556～k60+877.372，全長1321.372m。隧道施工現(xiàn)場有Ⅲ級、IV級、V級圍巖。其中，左線zk59+766～zk59+961（195m）、右線k59+753～k60+000（247m）為軟弱粉砂板巖大變形段落，地質(zhì)條件特殊，對施工技術(shù)及施工安全管理水平均提出了較高的要求。

二、軟弱粉砂板巖隧道施工的特殊性

軟弱粉砂板巖隧道施工期間易遇到軟巖大變形問題，與破碎帶松弛變形、圍巖遇水膨脹軟化、地下水侵蝕等原因有關(guān)。

軟弱粉砂板巖施工時，由于巖層的穩(wěn)定性不足，易發(fā)生掌子面掉塊、塌方事故，局部有不同程度的滲流水、涌水，存在諸多安全隱患。

軟弱粉砂板巖隧道的初期支護結(jié)構(gòu)易變形，具體體現(xiàn)在拱頂下沉、仰拱回填結(jié)構(gòu)開裂等方面。初支變形量普遍較大，且發(fā)生迅速，若未及時予以處理，易誘發(fā)坍塌事故；而在初支變形處理時需投入較多的時間與資源，影響工程進度及經(jīng)濟效益。

圍巖遇水膨脹，穩(wěn)定性大幅下降，明顯加大了隧道掘進的施工難度。

三、開挖、支護的施工技術(shù)分析

（一）開挖施工工藝流程

開挖施工工藝流程如圖1所示。

圖1 開挖施工工藝流程圖

（二）開挖施工技術(shù)

1.鉆爆開挖的方法雖然具有效率高的突出特點，但爆破時破壞性較強，可能會因爆破方法不當而誘發(fā)圍巖塌方等安全事故發(fā)生，因此洞身開挖不宜采用鉆爆的方法，應(yīng)采用機械破碎錘開挖。

2.中、下臺階兩部分，采取左右先后行導坑的方法，可有效減小上下臺階的沉降收斂量；對于洞身部分，則由專員操作機械破碎錘進行精細化開挖，由挖掘機輔助作業(yè)，清理開挖過程中產(chǎn)生的棄碴，而后再由人工用風鎬修整。

3.首先開挖拱部，此部分預留核心土，每循環(huán)開挖進尺取1榀鋼架間距。上臺階縱向長度控制在3m內(nèi)，達到3m及以上時，安排中臺階開挖，繼續(xù)開挖至拱墻頂面。中臺階先施工一側(cè)與拱部掌子面距離不超過6m。

4.在下臺階開挖至拱墻底部的過程中，嚴格控制每循環(huán)的開挖進尺，均在2榀內(nèi)。下臺階先行導坑與拱部掌子面距離不超過25m，下臺階長度在15m以內(nèi)，并在開挖時同步挖除中臺階預留的核心土。

5.仰拱開挖過程中，每循環(huán)開挖進尺不超過3m，及時檢測仰拱的開挖位置并判斷其與下臺階、拱部掌子面的距離，分別不超過3m、30m。

6.開挖期間加強現(xiàn)場協(xié)調(diào)，盡可能縮短拱部、中下臺階的距離。從整個開挖施工情況來看，各臺階每循環(huán)進尺以1榀鋼拱架較為合適，正常施工狀態(tài)下平均日進尺約1.5m。

7.開挖后及時噴設(shè)混凝土，厚度為10cm，用于封閉掌子面，以免因防護不當發(fā)生掌子面突泥、坍塌事故。

（三）支護施工技術(shù)

1.鋼筋網(wǎng)施工

錨桿施作后開始掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，根據(jù)被支護巖體的實際形態(tài)合理將鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)到位，間隙約3cm，同時應(yīng)加強鋼筋網(wǎng)之間、鋼筋網(wǎng)與錨桿之間的連接，宜采取點焊的處理方法，保證鋼筋網(wǎng)的穩(wěn)定性，以免在混凝土噴射時發(fā)生晃動。巖面平整時鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，可加工成片，于洞內(nèi)以焊接的方法將鋼筋連接于一體；遇不平整巖面時，則在洞內(nèi)現(xiàn)場安設(shè)鋼筋網(wǎng)。為有效防護鋼筋網(wǎng)，需設(shè)置厚度不小于2cm的保護層。

2.錨桿施作

錨桿是提高圍巖抗剪強度和內(nèi)摩擦角的關(guān)鍵構(gòu)件，且在軟質(zhì)巖層隧道中具有更為突出的應(yīng)用優(yōu)勢。合理設(shè)置錨桿有利于優(yōu)化巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其保持相對緊密的狀態(tài)，保障結(jié)構(gòu)完整性，減小對初期支護的作用力。通常，在各類形式的錨桿中，徑向長錨桿在控制軟巖大變形方面具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢。

該工程采用3.5m長的中空注漿錨桿，用TY28氣腿式風鉆配Φ42鉆頭施工錨桿孔。鋼架的間距較小，為充分發(fā)揮出錨桿的支護作用，統(tǒng)一將系統(tǒng)錨桿設(shè)置為鎖腳錨桿，兼具控制變形、提高效率等多重優(yōu)勢于一體。鉆進施工時，應(yīng)盡可能調(diào)整錨桿角度，使其與巖面呈垂直的位置關(guān)系，此時可取得較大的錨固范圍。在合理鉆進錨桿孔并將錨桿設(shè)置到位后，抗拔力不小于150kN。

3.噴射混凝土施工

噴射混凝土時，應(yīng)著重考慮混凝土前期強度和密實度兩個方面，提高兩項參數(shù)對于改善噴射混凝土應(yīng)用效果具有重要意義。隨著混凝土早期強度的提高，可承受的圍巖壓力增大；隨著密實度的提高，抗變形效果更好。其中，4h噴射混凝土強度需達到設(shè)計強度的50%，24h需完全達到設(shè)計強度。從密實度的角度來看，需盡可能減小孔隙率，使混凝土構(gòu)成完整、致密的結(jié)構(gòu)體，為充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)體的抗?jié)B優(yōu)勢，通常密度需超過2400kg/m3。

噴射混凝土的重點部位包含拱部和邊墻兩處，設(shè)備選用濕噴機，由專員操作，在上臺階或下臺階噴射，在不影響噴射效果的前提下，應(yīng)盡可能縮短噴射施工時間，以免圍巖因長時間外露而出現(xiàn)變形、坍塌等異常狀況[1]。

四、超前小導管的施工

上部弧形開挖前，先以噴射混凝土的方法覆蓋開挖面，發(fā)揮防護作用；而后，從鋼拱架斷面腹部穿過小導管，使其到達預先設(shè)置好的鉆孔內(nèi)，小導管到位后將外露部分的長度控制在35cm，以焊接的方法連接小導管尾部和鋼拱架，組成結(jié)構(gòu)完整、受力穩(wěn)定的支護體系。而后，借助小導管向圍巖內(nèi)注漿，在小導管和漿液的聯(lián)合作用下，增強保護效果，以便安全開挖。

超前小導管的施工技術(shù)要點有：

材料方面，選擇的是外徑42mm、壁厚3.5mm的熱軋無縫鋼管，每排縱向搭接長度不小于1m。

鉆孔設(shè)備選用的是鑿巖機，適配Φ50鉆頭，形成合適尺寸的鉆孔，鋼管以10°～15°外插角打入圍巖。

超前小導管施工中，應(yīng)嚴格控制包含孔位、孔深、小導管長度在內(nèi)的各項參數(shù)，確保各自均滿足要求。以孔位為例，其偏差不應(yīng)超過±50mm。

鋼花管結(jié)構(gòu)及注漿工藝如圖2所示。

圖2 鋼花管結(jié)構(gòu)及注漿工藝示意圖

正常情況下選用純水泥漿注漿，局部地下水作用較強時，按照水泥漿：水玻璃=1：0.8（體積比）的要求制備水泥—水玻璃漿，水漿比1.0，濃度為35Be'～40Be'。漿液制備完成后，若滿足質(zhì)量要求，則隨即應(yīng)用于注漿施工中，在孔口處設(shè)止?jié){塞，注漿壓力穩(wěn)定在0.5MPa～1.0MPa，在壓力作用下將漿液推送到位[2]。

滿足如下條件時，可結(jié)束注漿：注漿壓力上升至設(shè)計終壓（約為1MPa），并在該壓力條件下穩(wěn)壓持續(xù)注漿超過10min；注入量與設(shè)計注入量基本相當，結(jié)束時進漿量控制在20L/min～30L/min以下。

五、特殊地質(zhì)圍巖隧道的施工安全管理措施

（一）建立隧道安全責任管理體系

隧道施工環(huán)境復雜，受地質(zhì)、水文等多重條件的影響，施工期間存在諸多安全隱患，必須加強現(xiàn)場管理，從源頭上消除安全隱患，以免誘發(fā)安全事故。特殊地質(zhì)圍巖隧道的安全管理具有系統(tǒng)性與復雜性，難度較大，需建立一套明確的規(guī)章制度，引導安全管理工作的開展：

1.因地制宜，從特殊地質(zhì)圍巖隧道的實際情況出發(fā)，制定一套與實際環(huán)境相適應(yīng)的安全責任管理體系，將責任和義務(wù)明確到個人。

2.由專員以安全責任管理體系為引導，推動安全管理工作開展，提升作業(yè)規(guī)范性。

3.定期總結(jié)過去某階段的安全管理工作狀況，識別其中的問題，探尋合適的解決措施，由此逐步提高安全管理工作水平。

（二）多途徑開展安全管理工作

為切實保證隧道施工的安全性，還需制定施工組織計劃并確定一系列具有可行性的安全防范措施，使各員工根據(jù)特定標準開展工作，提升規(guī)范性[3]。具體而言，需制定具有可行性的施工組織方案，合理規(guī)劃施工進度，營造有條不紊的施工環(huán)境。各單位之間應(yīng)加強溝通，結(jié)合隧道施工實際情況采取科學的協(xié)調(diào)措施，共同形成工作合力。對于夜間施工，應(yīng)提前制定風險應(yīng)急機制，構(gòu)筑安全防護屏障。隧道施工對技術(shù)應(yīng)用水平提出了較高的要求，需選擇適宜的施工技術(shù)，規(guī)避異常狀況的發(fā)生。

作為施工單位，應(yīng)從可操作性、安全性等方面做出系統(tǒng)分析，挑選綜合應(yīng)用效果較佳的施工技術(shù)，由專員將技術(shù)落到實處，以免因施工方法不合理而誘發(fā)安全事故。此外，還有必要設(shè)立監(jiān)督部門，由其負責與隧道有關(guān)的各項監(jiān)督工作，例如監(jiān)督設(shè)備的使用情況、流程的變更情況，及時識別其中的問題并妥善處理。

六、結(jié)語

綜上所述，復雜地質(zhì)條件下的隧道施工難度較大，施工單位需要緊扣實際環(huán)境，一方面選擇合適的施工技術(shù)，發(fā)揮出優(yōu)質(zhì)施工技術(shù)對于隧道工程發(fā)展的推動性作用；另一方面需加強現(xiàn)場安全管理，從制度的建立與運行、技術(shù)優(yōu)化、日常監(jiān)管等方面著手，營造安全的隧道施工環(huán)境。在多種途徑并行的模式下，全面提升特殊地質(zhì)圍巖隧道的施工質(zhì)量。