多級圍堰條件下隧道不同開挖方法對圍巖穩(wěn)定性影響關(guān)鍵技術(shù)研究

文／王磊 中國水利水電第四工程局有限公司 青海西寧 810000

郭旺 中國水利水電第四工程局有限公司 青海西寧 810000

引言：

我國疆域遼闊，地形類型較為多元，其中山川眾多。在山區(qū)地帶修建高速隧道之時(shí)，勢必會(huì)需要大量修建隧道。截至目前，我國并未形成非常完善、先進(jìn)的地下結(jié)構(gòu)理論，所以無法對于隧道工程的整體性設(shè)計(jì)以及施工過程提供指導(dǎo)，且在施工過程之中難以避免會(huì)發(fā)生一些工程事故。為此，工程管理工作人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件特征，選定適宜的施工技術(shù)，最大化降低對于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性所造成的影響，確保隧道在施工建設(shè)與應(yīng)用的過程中可以保持較高的安全性。

1.隧道圍巖的基本特性

高速公路隧道的建設(shè)十分關(guān)鍵。在實(shí)際的施工過程中要對其安全性問題進(jìn)行詳細(xì)排查。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，高速公路隧道的安全穩(wěn)定性也得到很大的提升，相關(guān)的施工單位與相關(guān)的技術(shù)人員也需要對此進(jìn)行進(jìn)一步的研究和分析，高速公路隧道安全性和我們的生活息息相關(guān)。技術(shù)人員在實(shí)際的工作過程中有必要就隧道不同圍巖施工技術(shù)進(jìn)行分析與提高。要想實(shí)際的施工技術(shù)得到一定的提升，那么從工作中進(jìn)行分析是十分重要的，同時(shí)，相關(guān)的技術(shù)人員應(yīng)該從當(dāng)前所面臨的建設(shè)問題出發(fā)，制定相關(guān)的詳細(xì)的施工方案與解決問題的對策，進(jìn)一步提升相關(guān)工作人員的施工技術(shù)，同時(shí)工作過程中工藝的優(yōu)化也需要進(jìn)一步研究和分析。只有這樣，在實(shí)際的工作過程中才能實(shí)現(xiàn)我國高速公路隧道建設(shè)能夠長期并穩(wěn)定的發(fā)展和進(jìn)步，進(jìn)而能夠可以保證工程的安全性，最大的經(jīng)濟(jì)效益也能長期保證。在實(shí)際的施工過程中，通過采取不同的加固的辦法以及不同施工的不同對策，其能夠有效地解決隧道圍巖在掌子面前方所有能夠發(fā)生失穩(wěn)和破壞的問題。但在實(shí)際的過程中由于其破壞的過程、變形的機(jī)制以及實(shí)際的發(fā)展程度和相關(guān)范圍具有一定的差異性，因此，相關(guān)的施工人員需要考慮對隧道施工安全，因?yàn)楦鞣N因素的不同，最終產(chǎn)生的影響同樣具有差異性[1]。

1.1 隧道圍巖在掌子面前方變形的現(xiàn)象比較嚴(yán)重

隧道的開挖過程中導(dǎo)致原始的平衡出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象，在應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整的過程中，隧道周圍的地層逐漸的也會(huì)發(fā)生一定的變化，在實(shí)際的發(fā)展過程中逐漸向前方和地表的方向進(jìn)行相關(guān)移動(dòng)，超前的變形范圍和變形量也會(huì)發(fā)生一定的變化，在變化的過程中主要是受到地層的條件、開挖尺度以及開挖的方法的變化，超前變形的范圍逐漸擴(kuò)大。一般情況下。超前變形的過程一般可分為3 個(gè)不同的階段，即起始的變形階段、加速變形階段以及急劇變形階段。如在廈門翔安海底隧道陸域段（開挖跨度約14m），在實(shí)際的發(fā)展過程中，因?yàn)橛惺┕さ臄_動(dòng)，在掌子面前方40m 即監(jiān)測到地表的變形問題，而在30m 的地方監(jiān)測出現(xiàn)的是拱頂下沉的現(xiàn)象，拱頂部位的超前變形量在60mm 的位置處，隧道圍巖在掌子面前方變形的現(xiàn)象需高度重視。

1.2 隧道圍巖在掌子面的前方出現(xiàn)嚴(yán)重性破壞

應(yīng)力的釋放以及變形問題的發(fā)生，急劇變形的范圍逐漸擴(kuò)大，在實(shí)際的施工過程中圍巖也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的的破壞，隧道和開挖面的距離并不遠(yuǎn)，因?yàn)閷?shí)際的空間正在不斷的擴(kuò)大，圍巖破壞的程度變得越來越大，上方出現(xiàn)冒頂以及開挖面出現(xiàn)鼓出的情況，如果在實(shí)際的施工過程中不能更好的進(jìn)行控制，開挖面前方大范圍的破壞現(xiàn)象將會(huì)出現(xiàn)，這也就是超前破壞。因?yàn)閷?shí)際的破壞程度的大小是不相同的，所以接近開挖面也會(huì)出現(xiàn)不同的區(qū)域，例如原巖應(yīng)力區(qū)、土拱承載區(qū)和松動(dòng)破碎區(qū)。松動(dòng)破碎區(qū)的范圍對工作面的狀況起到很大的決定作用。隧道圍巖在掌子面的前方出現(xiàn)嚴(yán)重性破壞的問題需要高度重視，這樣在實(shí)際的施工過程中才能夠保證實(shí)際施工的安全，進(jìn)一步保證施工單位的經(jīng)濟(jì)效益。相關(guān)的工作人員需要重視此方面的問題，在日常的施工中，將問題不斷進(jìn)行排查，避免出現(xiàn)不必要的損失。

2.多級圍堰條件下隧道不同開挖方法

2.1 全斷面開挖法

這種方法是指按照設(shè)計(jì)輪廓通過一次性爆破成形，之后進(jìn)行襯砌修建。其應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)端面的整體性作業(yè)空間相對較大，受到的干擾較小，能夠?qū)τ跈C(jī)械展開充分利用，減少人員工作量。其工序較小，方便對于施工過程進(jìn)行施工和管理。這種方法對于隧道結(jié)構(gòu)的影響性相對較小，對于圍繞的擾動(dòng)較少，有助于維持圍巖穩(wěn)定。

2.2 臺(tái)階法

在軟弱圍巖之中應(yīng)當(dāng)以其一為主，同時(shí)兼顧后者，以此來保證施工過程的安全性。在圍巖地條件整體較好之時(shí)，則主要需要對于機(jī)械的作業(yè)效率進(jìn)行考量，縮短施工工期，降低施工成本，因此只需考慮其二。應(yīng)用臺(tái)階開挖法時(shí)，上、下部開展作業(yè)之時(shí)通常會(huì)互相干擾，且臺(tái)階開挖法雖能夠增加對圍巖所產(chǎn)生的擾動(dòng)次數(shù)，但其臺(tái)階有助于隧道結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。尤其是在上部完成開挖支護(hù)以后，下部作業(yè)開展之時(shí)就較為安全，需要注意的是，在進(jìn)行下部作業(yè)之時(shí)，會(huì)對于上部的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。臺(tái)階法的施工工藝到現(xiàn),如今來說對于整個(gè)圍巖隧道施工都是一種核心的施工技術(shù),其中的工藝流程就是先將隧道的開挖階段作業(yè)劃分為六個(gè)開挖面,然后根據(jù)這六個(gè)開挖面進(jìn)行區(qū)分,進(jìn)行平行的施工,然后根據(jù)部分支護(hù)使其得到一個(gè)整體。采用臺(tái)階法進(jìn)行軟弱圍巖地質(zhì)隧道的建設(shè),需要對于技術(shù)方法進(jìn)行有效控制,以避免出現(xiàn)廣角變形的情況,可有效提升工程質(zhì)量,不僅工程效率的提高,也能夠?yàn)橐院蟀踩熊噹磔^大的便利[2]。

2.3 環(huán)形開挖法

此方法的進(jìn)尺最好控制在0.5～1m 之間，核心土的面積應(yīng)當(dāng)大于等于整個(gè)斷面面積的一半。在開挖之后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行施工噴錨支護(hù)以及安裝鋼架支撐，且相鄰的鋼架必須是由鋼筋進(jìn)行連接，并應(yīng)當(dāng)按照施工要求對于施工鎖腳錨桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。若圍巖的地質(zhì)條件相對差，其自穩(wěn)時(shí)間相對較短，則應(yīng)當(dāng)在開挖之前按照設(shè)計(jì)要求做出超前性支護(hù)。

2.4 交叉中隔壁法

這一方法適用于在軟弱圍巖的大跨隧道施工過程中進(jìn)行應(yīng)用，先對于隧道的單側(cè)的一部分或是二部分進(jìn)行開挖，待對于部分中隔壁以及橫隔板完成施作之后，再對于隧道的另一側(cè)的一部分或是二部分進(jìn)行開挖，之后完成橫隔板的施工過程；在此之后，再對于最先施工一側(cè)的其余部分進(jìn)行開挖，并對于中隔壁進(jìn)行演唱，最后再對于另一側(cè)的其余部分進(jìn)行開挖。

3.項(xiàng)目概括

甬臺(tái)溫高速至沿海高速溫嶺聯(lián)絡(luò)線PPP 項(xiàng)目全線位于臺(tái)州溫嶺市，總體自西向東走向，起于臺(tái)州溫嶺市大溪鎮(zhèn)，起點(diǎn)位于甬臺(tái)溫高速大溪互通北側(cè)2.0 公里附近，起點(diǎn)樁號(hào)K0+000。本工程填方77 萬m3，路基挖方119 萬m3，隧道開挖49.5 萬m3，軟基處理長度主線1.78 公里，主要采用預(yù)應(yīng)力管樁、素混凝土樁與泡沫混凝土處理。

4.圍巖穩(wěn)定性影響關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 開挖

在隧道開挖作業(yè)過程中，要確保圍巖保護(hù)工作落實(shí)到位，減少誤操作對整體工程項(xiàng)目安全效果造成的影響，規(guī)避變形問題產(chǎn)生的安全隱患，并且，每一層開挖的深度要貼合設(shè)計(jì)要求。

4.2 工序

在開挖操作開展過程中要按照基礎(chǔ)工序落實(shí)具體作業(yè)內(nèi)容，維持整體操作的規(guī)范性和科學(xué)性。

（1）進(jìn)行上部環(huán)形土的開挖作業(yè)，并且完成初期支護(hù)準(zhǔn)備工作。（2）在左側(cè)進(jìn)行導(dǎo)坑的開挖處理，準(zhǔn)備初期支護(hù)。（3）在右側(cè)進(jìn)行導(dǎo)坑的開挖處理，準(zhǔn)備初期支護(hù)。（4）預(yù)留核心土并準(zhǔn)備支護(hù)。（5）仰拱開挖。（6）仰拱部支護(hù)。（7）仰拱回填澆筑。（8）拱墻防水板搭設(shè)以及二次襯砌。

4.3 要點(diǎn)

在開挖作業(yè)中，主要是借助機(jī)械設(shè)備完成開挖處理作業(yè)，因?yàn)楣こ添?xiàng)目并且屬于軟弱圍巖，因此，積極踐行“弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則，如需必要才使用爆破處理。

4.4 初期支護(hù)

依據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況選擇適宜的支護(hù)處理機(jī)制，保證支護(hù)作業(yè)的綜合效果。

4.4.1 錨桿支護(hù)處理

按照梅花形布置錨桿結(jié)構(gòu)，并且設(shè)置對應(yīng)的墊板，確保錨桿墊板和基面處于服帖狀態(tài)。要依據(jù)地下水靜水壓力完成注漿壓力的控制處理，本工程項(xiàng)目中，注漿壓力是地下水靜水壓力的2 倍，同時(shí)關(guān)注巖層裂隙阻力參數(shù)，將瞬時(shí)最高壓力數(shù)值控制在0.5MPa 以下。

4.4.2 工字鋼拱架

在整個(gè)施工項(xiàng)目中，鋼支撐采取的是工字鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求完成加工焊接作業(yè)，并配合標(biāo)準(zhǔn)下料作業(yè)。要按照分節(jié)加工的方式，確保各節(jié)鋼拱架結(jié)構(gòu)兩端均設(shè)置在連接板位置，配合高強(qiáng)螺栓連接作業(yè)，拼裝成指定模式，并完成鋼拱架結(jié)構(gòu)單元的編號(hào)處理，分節(jié)分批次運(yùn)輸?shù)剿淼朗┕^(qū)域。

第一,要對整個(gè)結(jié)構(gòu)的斷面進(jìn)行檢查,在保證沒有損耗的基礎(chǔ)上完成安裝作業(yè),針對局部欠挖區(qū)域要利用人工或者是設(shè)備開展挖掘作業(yè)。

第二,在首次噴面工作結(jié)束后,安裝對應(yīng)的鋼支撐結(jié)構(gòu),與錨桿完成焊接處理,在實(shí)際安裝作業(yè)中,要確保鋼支撐單元的垂直度、高程以及中線結(jié)構(gòu)單元。最關(guān)鍵的是,每榀鋼支撐結(jié)構(gòu)之間要確保在環(huán)向位置設(shè)置連接鋼筋,長度為1m、尺寸為22mm，并且，相鄰榀鋼拱架的環(huán)形結(jié)構(gòu)要按照梅花型予以設(shè)置。在完成工字鋼架處理工序后,才能噴射混凝土。

第三,為了維持整體工序施工的規(guī)范性和合理性,要在鋼架安裝作業(yè)前對安置面進(jìn)行清潔處理,并完成固定操作。鋼架的4 面均瑤安裝鎖腳錨管結(jié)構(gòu),底部開挖則要將安全性和質(zhì)量作為核心,完成后立即進(jìn)行底部的初期支護(hù),確保鋼架結(jié)構(gòu)處于完全密封的狀態(tài)。要對隧道塌方予以集中預(yù)控。不僅要完善超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,也要落實(shí)全過程施工監(jiān)控量測分析工作,利用信息化技術(shù)完成相關(guān)情況的分析,在每一處開挖區(qū)域開挖和支護(hù)操作時(shí)都要進(jìn)行地址分析。因?yàn)槭褂玫氖侨_(tái)階開挖處理,要結(jié)合開挖作業(yè)和支護(hù)作業(yè),避免拱腳偏位等問題,維持工程項(xiàng)目的整體效果。當(dāng)前,中國在建隧道數(shù)量和運(yùn)營數(shù)量均為世界之最[3]。

5.圍巖穩(wěn)定性影響關(guān)鍵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

5.1 對超前小導(dǎo)管灌注

從隧道本身的特性研究，可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用灌漿加固法對圍巖的加固處理是比較科學(xué)的方法，在實(shí)際的施工過程中，施工方需要在施工中對超前小導(dǎo)管等進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用。該隧道的實(shí)際支護(hù)施工中，小導(dǎo)管的選擇是十分講究的。施工方應(yīng)選用3m 長、42mm 外徑的小導(dǎo)管，導(dǎo)管之間的距離應(yīng)該是0.4m，環(huán)形套管內(nèi)部應(yīng)該使用的是37 支導(dǎo)管，在對環(huán)形的套管實(shí)際設(shè)置的過程中，兩管之間需要間隔為1.5m，而最低縱向連接的距離必須是1m，10°-15°為外插的角度，在實(shí)際的施工中，鋼筋架上焊接導(dǎo)管末端這項(xiàng)工作是必不可少的。同時(shí)，在實(shí)際的施工過程中還需要對水泥砂漿進(jìn)行配置。在實(shí)際的配置過程中，施工方應(yīng)該保證相同的用量存在于石灰與水泥之間，同時(shí)，在其中要加上5%總重的水玻璃。壓漿的過程開始前應(yīng)科學(xué)設(shè)置注漿孔，在實(shí)際的施工中巖體才能夠快速吸收受壓后的漿液，從而能夠充分保證黏結(jié)巖體破碎結(jié)構(gòu)，最終整體的結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力得到一定的提升。

5.2 初期的支護(hù)工作

在實(shí)際的噴射的過程中26cm 厚度的C20 混凝土需要應(yīng)用在施工中。施工方需要安裝鋼拱架，安裝的過程中，應(yīng)分節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的制作，制作中有一定的依據(jù)，主要依據(jù)的是每榀五節(jié)，其中三節(jié)需要在上層的臺(tái)階中，剩下的都是一節(jié)。

5.3 底部的仰拱工作

為了在實(shí)際的施工過程中有效地杜絕避收斂以及沉降現(xiàn)象的產(chǎn)生，施工方需要應(yīng)用的方法是微臺(tái)階法，在實(shí)際的應(yīng)用的過程中，為了能夠早日成環(huán)，同時(shí)還想要快速構(gòu)建穩(wěn)定的早期的結(jié)構(gòu)，施工方實(shí)施的過程中應(yīng)保證封閉成環(huán)的過程是在落地中形成。另外，在施工的過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的是，開挖掌子面需要同仰拱初期的支護(hù)施工的時(shí)間是同時(shí)的，不允許產(chǎn)生較大的單次開挖的長度，在實(shí)際的開挖的工作結(jié)束完成以后，施工方應(yīng)將鋼拱架設(shè)置在開挖后的路段。

5.4 襯砌工作

防水設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是排水，排水和防水工作密不可分的，在實(shí)際的工作中需要提升結(jié)構(gòu)自身防水的功能，同時(shí)在此基礎(chǔ)上我們需要促使抗?jié)B的性能以及防水性得到一定的強(qiáng)化，變形縫和伸縮縫也就成為了重點(diǎn)防范的問題。一定的空隙中一定會(huì)出現(xiàn)在一襯與二襯的中間，透水管的設(shè)置應(yīng)該科學(xué)并合理，所以，這一縫隙中設(shè)置透水管，排水管在外墻側(cè)中設(shè)置。

5.5 高速公路隧道淺埋段特殊圍巖的施工

在實(shí)際的施工過程中如果使用TSP 超前地質(zhì)預(yù)測的辦法，能夠有效對不良的地質(zhì)體進(jìn)行檢測，這樣在實(shí)際的施工過程中能夠有效的防止對工程的安全問題產(chǎn)生影響，這樣才能夠保證隧道的地質(zhì)情況準(zhǔn)確判斷[4]。

5.6 下硬上軟的特殊部位

5.6.1 上臺(tái)階的開挖工作

圍巖段開挖的主要施工方法是上下臺(tái)階留核心土法施工，施工時(shí)全部使用機(jī)械的方法進(jìn)行工作，在實(shí)際的工作過程中絕對不能使用爆破的方法進(jìn)行施工，因?yàn)楸频姆椒〞?huì)出現(xiàn)一定影響。

5.6.2 施工上臺(tái)階錨桿工作

施工方如果能夠完成初噴，可以將中空注漿的錨桿進(jìn)行合理設(shè)置，可以設(shè)置在圍巖加強(qiáng)段的地方，在1m 左右的位置對環(huán)向的間距進(jìn)行控制，為了能夠有效的固結(jié)上層的土體，施工方可以用小導(dǎo)管來進(jìn)行施工。

5.6.3 施工上臺(tái)階的鋼筋網(wǎng)

施工方在實(shí)際施工的過程中要對鋼筋進(jìn)行選擇，選擇的過程也是十分重要的，可以選擇一定型號(hào)的鋼筋，在合適的范圍內(nèi)對間距進(jìn)行相應(yīng)的控制，通常為20cm×20cm，在30d 的范圍內(nèi)對網(wǎng)片的搭接的長度進(jìn)行控制，在注漿的小導(dǎo)管上進(jìn)行固定。

5.6.4 施工上臺(tái)階拱架

鋼架可以選擇I20b 工字鋼，縱向的間距可以是0.5，將兩個(gè)鋼架利用縱向的拉桿進(jìn)行鏈接，控制拉桿鋼筋的環(huán)向的距離應(yīng)該在1m 左右。對內(nèi)外緣的設(shè)置應(yīng)該是交錯(cuò)鏈接，在連接分節(jié)板鋼筋的過程中，施工方可以使用厚度15mm、27cm×24cm 的鋼板。原設(shè)計(jì)的過程中不將鎖腳錨桿設(shè)計(jì)在上臺(tái)階處。

5.7 未坍塌的施工處理

塌方流出來的雜物和泥漿需要進(jìn)行處理，清理的時(shí)候需要保證干凈，將4-6 根鋼管和6-8 根排水盲管放在塌腔的位置，并構(gòu)造一個(gè)坡，坡度需要低于45°。

5.8 對裂隙發(fā)育的地方進(jìn)行清理

5.8.1 合理地排水

地下水往往會(huì)存在于裂隙發(fā)育的階段，開挖掘的時(shí)候，施工方需要利用鉆機(jī)施工完成水平孔工作，將小導(dǎo)管放于之中，排水即可。

5.8.2 對注漿進(jìn)行處理

部分水在排水小導(dǎo)管中排出時(shí)，將小導(dǎo)管布置在掌子面中，在初始的壓力基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿，并且將填充物放于其中，在此基礎(chǔ)上可以保證圍巖的穩(wěn)固。

結(jié)語：

隧道的開挖環(huán)節(jié)在隧道建設(shè)施工過程中是一道非常重要的工序，開挖方法的合理性不僅能夠?qū)τ谒淼赖恼w施工進(jìn)度產(chǎn)生影響，還會(huì)嚴(yán)重影響到工程整體的施工安全，因此科學(xué)學(xué)、合理地選定隧道開挖方法非常重要。為此，今后的隧道工程在建設(shè)的過程中應(yīng)當(dāng)著力向著這一方向進(jìn)行轉(zhuǎn)化，促進(jìn)我國的交通運(yùn)輸領(lǐng)域朝向高速化以及重載化方向發(fā)展。