軟巖隧道初期支護設計與施工技術研究

楊 麗

（山西省公路局，山西 太原 030002）

0 引言

隧道施工現場的軟巖缺乏自穩(wěn)能力，加之隧道施工的擾動作用，可能存在變形破壞甚至塌方等隱患，若缺乏行之有效的控制措施，還易誘發(fā)大范圍的安全事故。為在安全的環(huán)境中高效完成隧道的建設工作，可從軟巖特性出發(fā)，采用合理的初期支護措施，提升圍巖的穩(wěn)定性。本文就軟巖隧道初期支護的設計與施工技術進行分析研究。

1 工程地質概況

1.1 隧道工程簡介

某標段重點工程為黃巖隧道，隧道左線里程為ZK17+083～ZK20+375，全長3292m；右線里程為K17+085～K20+350，全長3265m，其中Ⅲ級圍巖580m，Ⅳ級圍巖3550m，Ⅴ級圍巖2427m，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖占隧道全長的91.2%。黃巖隧道為標段內最長隧道，也是本標段項目的控制性工程，該隧道主要施工內容包括主線隧道、人行橫通道、車行橫通道、洞內路面、配套附屬設施等。隧道進出口的便道較長，地勢陡峭，不易修筑，場站建設難度較大。

1.2 工程地質條件

隧道圍巖主要以奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）灰?guī)r、白云質灰?guī)r以及奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組（O2x）泥灰?guī)r、含白云質石膏巖和灰?guī)r為主。圍巖中的含白云質石膏巖強度較低，取樣試驗軟化系數為0.78，飽和抗壓強度試驗結果12～20MPa，為軟巖或較軟巖，穩(wěn)定性較差。隧道圍巖巖性變化大，圍巖整體破碎。隧道內水文地質較為簡單，主要水文控制因素為地形起伏、風化殼厚度以及隧道埋深等。

2 軟巖隧道初期支護設計思路與設計方案

2.1 初期支護設計思路

根據隧道圍巖的具體情況，初期支護主要采用打設錨桿和噴射混凝土聯合支護的方式。局部圍巖性質明顯較弱時，采用打設錨桿加鋼筋網和噴射混凝土聯合支護的方式，設計完善的支護結構體系，強化支護效果。噴錨支護結構穩(wěn)定性好，可承受源自于圍巖的變形壓力，提高圍巖的自承能力，維持圍巖的穩(wěn)定性。但噴錨支護存在特定的適用范圍，需根據現場施工條件適時優(yōu)化支護方案，例如噴錨支護在軟弱破碎嚴重的Ⅴ級圍巖中缺乏可行性，為確保開挖后早期支護結構有足夠的剛度，可采用鋼筋格柵加噴錨支護的綜合支護方案，其中鋼筋格柵可抵抗巖石塌落，維持圍巖的穩(wěn)定性，并承受沖擊荷載，避免圍巖過度變形。

2.2 初期支護設計方案

在本標段隧道施工中，采用“中空注漿錨桿+藥卷錨桿+砂漿錨桿+鋼筋網片+型鋼鋼架+噴射混凝土”的初期支護方案。根據開挖進度及時施作初期支護，盡快封閉圍巖，以防圍巖長時間在環(huán)境中暴露而松弛剝落。于洞外構件加工廠提前加工初期支護所需的鋼架、鋼筋網、錨桿，鋼架構件進場后由人工安裝成型并掛設鋼筋網，于現場適配風洞鑿巖機，用于打設錨桿，待各類基礎構件均設置到位后，用濕噴機噴射混凝土。

3 軟巖隧道初期支護施工技術分析

3.1 初期支護施工流程

初期支護施工流程如圖1所示。

圖1 初期支護噴錨工藝流程圖

3.2 初期支護施工技術要點

3.2.1 錨桿施工技術要點

（1）藥卷錨桿施工技術要點。

本標段隧道SFH5a和SFH5b段，錨桿均采用Ф25藥卷錨桿，具體布置形式根據圍巖不同縱向和環(huán)向間距均不同，嚴格按照設計圖紙要求進行施作。

藥卷錨桿嚴格按設計要求進行施工，于圍巖上確定錨桿孔位，設置清晰的標記；根據孔位測放結果安排鉆機就位，調整好鉆機的作業(yè)姿態(tài)，使鉆機按照特定的鉆孔角度進行鉆進作業(yè)。圍巖較完整時，沿著與開挖輪廓線垂直的方向鉆孔；圍巖完整性欠佳、節(jié)理較發(fā)育時，沿著垂直于巖面的方向鉆孔，同時還需做到與巖層面保持垂直。在保證錨桿間距無誤的前提下，視現場鉆孔情況調整錨桿孔位和方向，盡可能避開裂隙以及軟弱夾層。鉆孔期間加強對孔位、鉆孔深度、鉆孔方向各項指標的檢測與控制，鉆孔后清理孔內雜物，檢查成孔質量，不達標者及時安排補鉆。檢查孔達到標準后，裝入藥卷，安插錨桿。

（2）中空注漿錨桿施工技術要點。

本標段隧道SF5a和SF5b段，錨桿均采用Ф25中空注漿錨桿，具體布置形式根據圍巖不同縱向和環(huán)向間距均不同，嚴格按照設計圖紙要求進行施作。

中空注漿錨桿制作不低于設計要求，且所有錨桿端頭均設置墊板，錨桿注漿達到設計要求，墊板采用A3鋼。中空注漿錨桿與藥卷錨桿鉆孔要求一致，施工方法基本相同，只不過藥卷錨桿清孔后先裝入藥卷再安插錨桿，而中空注漿錨桿是清孔后先安插錨桿，再進行錨桿注漿。但需注意以下事項：第一，施工現場存在軟巖時，可能會因巖體注水過多而導致圍巖面失穩(wěn)甚至滑坍，為此需環(huán)向隔開一定距離隔孔鉆進，減小鉆孔產生的擾動作用；第二，按照配合比取用材料，保證原材質量和用量的合理性，漿液隨拌隨用；第三，止?jié){塞打入孔口的深度不少于10cm，周邊孔隙在排氣結束后用快凝水泥砂漿封閉，避免漿液經由縫隙竄出；第四，注漿壓力應嚴格按照設計要求，注漿飽和。

（3）砂漿錨桿施工技術要點。

本標段隧道SF4b和SF4c段，錨桿采用長度為3m的Ф22早強砂漿錨桿，環(huán)向間距100cm×120cm，縱向間距120cm×120cm。

鉆孔前，根據設計圖紙確定錨桿孔位，在圍巖上設置清晰的標記；安排鉆機就位，調整鉆機的姿態(tài)，保證鉆孔角度的合理性。鉆進范圍內存在裂隙或軟弱夾層時，在不影響錨桿間距的前提下對錨桿鉆孔和方向進行調整，以便鉆進作業(yè)的順利進行。鉆孔過程中加強檢查，加強動態(tài)管控。鉆孔期間產生的粉塵及其它雜物將堆積在孔內，鉆孔完成后及時清理干凈，并檢查錨桿孔徑、孔深、鉆孔方向，某項或多項指標不滿足要求時盡快安排補鉆。確認各鉆孔均無質量問題后，向其中灌注砂漿。注漿遵循連續(xù)性原則，由于材料供應中斷、注漿設備異?；蚱渌驅е轮型鹃g歇時間超過30min時，用水潤滑灌漿罐及管路，避免裝置內的漿液發(fā)生固結。灌漿采取壓力注漿的方法，孔口壓力不超過0.4MPa，注漿管與孔底的距離保持在5～10cm。根據漿液灌注進度緩慢拔出注漿管，注漿結束后，隨即將配套的錨桿安插到位。

3.2.2 鋼筋網片施工技術要點

于洞外加工廠制作Ф8@20×20和Ф8@25×25兩種類型的鋼筋網。鋼筋原材料需經過冷拉調直處理，使用鋼筋前檢查表面是否存在油污、裂紋、銹蝕等雜物，做好清理、除銹等相關準備工作，確認無誤后方可投入使用。

現場安裝時，采取焊接的連接方法，搭接長度取1～2個網格。根據受噴面的形態(tài)調整鋼筋網，保證兩者的間隙始終不超過3cm。鋼筋網與錨桿穩(wěn)固連接，確保噴射混凝土時無偏位現象?；炷羾娚涑跗?，噴頭與受噴面保持較近的距離，噴射完成后，成型的鋼筋混凝土保護層厚度不小于5cm。噴射期間遇到混凝土被鋼筋網卡住的情況時，需及時清理，以免影響噴射施工的順利進行。

3.2.3 型鋼鋼架施工技術要點

（1）施工工藝流程。

型鋼鋼架施工集多道流程于一體，如圖2所示。

圖2 型鋼鋼架施工工藝流程圖

（2）型鋼鋼架加工要點。

在洞外規(guī)劃加工廠鋼板作業(yè)平臺，在此平臺上放出鋼架的大樣圖，焊接短鋼筋以形成鋼架加工大樣，再向其中置入提前彎制成型的鋼架單元。鋼架加工涉及到較多的焊接作業(yè)，需統(tǒng)一由具有資質的焊工負責，焊接后不出現裂紋、虛焊等問題。每結束一榀鋼架的加工后，轉至平整、穩(wěn)定的地面試拼，要求平面翹曲＜2cm、拼裝誤差不超過±3cm。待開挖完成或混凝土噴射結束后，將成型鋼架架設到位。

（3）鋼架架設要點。

底腳處的雜物需被清理干凈，以便平穩(wěn)安裝鋼架。鋼架的垂直度誤差不超過±2°，鋼架間距、橫向位置和高程的偏差均不超過±5cm。在開挖面以外的區(qū)域拼裝鋼架，相鄰兩節(jié)鋼架用螺栓連接，保證連接的緊密性與穩(wěn)定性。鋼架底腳置于堅實且平整的基礎上，鋼架之間按設計縱向連接，布設到位的鋼架盡可能與圍巖緊密貼合，確認鋼架布設位置無誤后與錨桿焊接至一體。多步開挖施工時，為避免拱架下沉，在拱腳部位打設鎖腳錨桿，強化支護效果。鋼架與圍巖間存在不同程度的間隙，以噴射混凝土的方法做填充處理，經過混凝土噴射作業(yè)后，鋼架不可裸露至外界。

3.2.4 噴射混凝土施工技術要點

根據噴射施工要求在洞外拌制混凝土，運至現場后進行濕式噴射混凝土，此方法可減少混凝土的回彈量，保證噴射的有效性，同時避免混凝土噴射過程中產生過量的粉塵，對生態(tài)環(huán)境和施工人員的身心健康均較為友好。濕噴混凝土施工流程，如圖3所示。

圖3 濕噴混凝土施工工藝流程圖

（1）噴射支護前，用高壓風清理雜物，局部水量較大時加強引排水，以防水的混入而影響混凝土的性能。

（2）噴射前檢查待使用的噴射設備，同時要求通風、照明等輔助設施均配置到位。

（3）為控制噴射混凝土的厚度，在巖面上打入鋼筋，標出刻度。為避免超粒徑的粗骨料被投入使用而引發(fā)堵管問題，拌和前進行過篩；細骨料到場后存放于指定位置，采取防雨措施，避免含水量異常。

（4）噴射機就位，于料斗上安裝篩孔為10mm的振動篩，攔截超粒徑的骨料。

（5）噴射混凝土時，開啟計量泵后再送風，風壓穩(wěn)定在0.45～0.70MPa，風壓過小將導致噴射動能不足，局部難以被混凝土有效填充，粗骨料由于無法進入砂漿層而脫落；風壓過大，有明顯的粗骨料回彈現象。噴射壓力的控制遵循動態(tài)化原則，根據現場施工情況而定，但必須確?；炷粱貜椥?、易粘著、表面濕潤且光澤。噴射方向與受噴面垂直，噴頭與巖面方向垂直，噴射距離維持穩(wěn)定。噴射角度可根據受噴面的情況靈活地調整，例如鋼架、鋼筋網覆蓋受噴面時，可適當偏斜噴射，但不可小于70°?；炷羾娚湟匝驖u進的方式進行，單次噴射厚度不大于5～6cm。若噴射厚度過小，粗骨料易被彈回，影響噴射結構的質量；噴射厚度過大時，拱頂噴層與圍巖面存在明顯的空隙，密實性不足，或由于自重作用而導致局部脫落。分多層有序噴射，直至達到設計厚度為止，相鄰兩層的噴射間隔時間控制在15～20min。

（6）噴射作業(yè)分片進行，針對各部分采取質量控制措施。按照自下而上的順序噴射，噴射料束呈“S”形運動。為保證噴射的有效性，先找平受噴面的凹陷部位，再以螺旋形運動的方式操控噴頭，保證噴射面層的密實性與平整性。

（7）緊跟開挖掌子面進行混凝土的噴射，部分區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性欠佳且圍巖破碎時，為兼顧開挖有效性和圍巖穩(wěn)定性的要求，采取小藥量松動爆破的方法，連續(xù)進行初噴、錨桿打設、鋼筋網鋪設、鋼架布設、復噴等施工作業(yè)。鋼架架設成型后，盡快噴射混凝土，通過鋼架和混凝土的聯合應用，有效發(fā)揮出支護作用?，F場的圍巖完整同時穩(wěn)定性較佳時，先將初噴、錨桿打設、鋼筋網鋪設等工作落實到位，再開挖，隨施工進程的推進，到達下一循環(huán)初期支護時再安排復噴，直至達到設計厚度要求為止。每層間隔為一循環(huán)時間，在下一次混凝土噴射時恰好可填充前一次爆破產生的裂紋，有效維持開挖的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 初期支護施工要求

（1）根據隧道初期支護施工要求做好基礎設施的配置工作，包含消防供電、照明等設施，為正式施工打下良好的基礎。

（2）全面清理邊墻基底虛碴、基坑積水，避免混凝土干拌和物中存在積水。按設計要求控制邊墻基底的埋置深度，維持邊墻的穩(wěn)定性，期間根據邊墻施工進度適時完成基礎擴大部分的施工（一次施作成型）。

（3）復合式襯砌施工前、初期支護基本穩(wěn)定后，開始鋪設防水層、頂埋排水管?；炷翝仓r注重防護，以免防水層受損。

（4）襯砌施工應適時進行，具體根據支護布設情況和圍巖穩(wěn)定程度而定。開挖爆破時加強防護，確保已成型的襯砌結構不出現損傷。

4 結束語

綜上所述，初期支護是維持隧道圍巖穩(wěn)定、保障施工安全的重要結構，設計人員和施工人員需予以高度重視，應根據圍巖特性、隧道質量要求等選擇合適的初期支護方案，有序施工，保證初期支護的有效性。實踐證明，初期對支護結構合理科學的設計與實施，能營造出安全的施工環(huán)境，能確保隧道施工的順利推進。