軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工技術(shù)及應(yīng)用

林航

（核工業(yè)華東建設(shè)工程集團有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

隨著城市化建設(shè)進程不斷加快，交通基礎(chǔ)設(shè)施得到進一步完善，公路規(guī)模也逐漸復(fù)雜化。其中，隧道工程施工是公路施工中的重點和難點。隧道工程施工受地質(zhì)因素影響較大，其中軟弱圍巖大斷面開挖施工的難度和危險系數(shù)更高。因此，施工前需要掌握軟弱圍巖地質(zhì)的特征，了解大斷面隧道開挖支護施工技術(shù)的相關(guān)要求，并制訂高可行性施工方案，以推動后續(xù)施工的有序開展。

1 工程概況

以海滄疏港通道工程C 標段施工為例，系統(tǒng)化分析和研究開挖支護施工技術(shù)和具體施工方法。工程基本情況如下：施工路線長度為1.625km，包含互通隧道、道路土建工程項目。C 匝道設(shè)計為兩車道分離式隧道，設(shè)計速度為40km/h，隧道單洞限界10.5m，行車高度界限5m，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級為一級。C 匝道工程開挖方法包含短臺階法、長臺階法、全斷面法等，并采用超前錨桿支護方法。通過實地勘察和查閱相關(guān)資料可知，施工地點位于低山丘陵地帶，最高點海拔322.83m，隧道段地表水較為豐富，地下水依據(jù)水理性質(zhì)、特征可分為孔隙裂隙水、基巖裂隙水。

2 工程施工風險

施工單位經(jīng)過詳細研究招標文件與實地考察后，發(fā)現(xiàn)該工程施工存在一些重大挑戰(zhàn)，如構(gòu)建大斷面、開挖支護施工質(zhì)量控制等都具有一定的難度，同時隧道工程存在大量交叉作業(yè)內(nèi)容，且作業(yè)空間有限，對施工組織的順利推進構(gòu)成了挑戰(zhàn)。此外，由于該工程作業(yè)地點附近分布著大小不一的采石坑，隧道出口段極有可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。如果隧道圍巖拱頂穩(wěn)定性較差，可能會增加施工事故的發(fā)生率。此外，隧道中段施工會穿越花崗巖地層，該地層巖體嚴重破碎，加之受地下水影響，使得施工風險性顯著提升。

為有效應(yīng)對上述工程問題，提高軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工技術(shù)的運用效果，必須加強對前期測量工作的重視。具體包括標定測量儀器、導(dǎo)線點閉合控制等工作，并編制完整的超前支護地質(zhì)勘探報告，為開挖支護作業(yè)提供可靠的資料。另外，在大斷面隧道施工過程中應(yīng)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法，設(shè)計完整的初期支護方案，并根據(jù)工程任務(wù)量嚴格控制隧道爆破炸藥使用量[1]。

3 隧道開挖支護施工方案

由于隧道被花崗巖全面覆蓋，圍巖等級為Ⅱ～Ⅳ級，巖質(zhì)堅硬，可優(yōu)先采用光面爆破方法。根據(jù)工程項目設(shè)計文件，選用全斷面法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD 法等開挖方式。在隧道爆破作業(yè)方面，應(yīng)委派專人對圍巖基本情況進行動態(tài)化監(jiān)測，并結(jié)合圍巖狀態(tài)變化特征，針對性地制訂和選擇施工方法[2]。

在隧道支護階段，應(yīng)增設(shè)錨、網(wǎng)、噴初支系統(tǒng)，并利用超前小導(dǎo)管、錨桿支護系統(tǒng)進行超前支護作業(yè)。對于框架支撐，可以選擇型鋼鋼架、格柵鋼架。C 匝道施工噴射C25 普通混凝土。

隧道開挖支護施工流程如下：先進行交叉口段支護，利用高精度儀器測量，再按照施工圖紙開挖洞身，之后進行初期支護。其中初期支護作業(yè)流程為：開挖洞身并排險—噴射混凝土—鋼筋網(wǎng)施工—超前支護—錨桿作業(yè)—檢查并驗收工程質(zhì)量—混凝土噴射—完成隧道開挖支護。若遇到特殊情況，可根據(jù)施工現(xiàn)場情況調(diào)整初支施工順序，設(shè)計局部注漿段。此外，進行隧道二襯混凝土施工時，應(yīng)在拌和站集中拌制混凝土，利用6～8m3混凝土攪拌車進行運輸。

4 軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工方法

4.1 超前支護施工技術(shù)要點

現(xiàn)階段，在軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工過程中，超前大管棚、超前小導(dǎo)管支護方式的運用較為廣泛。

超前大管棚支護方式適用于斷層破碎、洞口堆積等工程，施工時選擇長度在10～100m 之間、直徑在7～75.9cm 之間的鋼管，具體規(guī)格可根據(jù)工程實際情況選定?；谲浫鯂鷰r的特性，施工過程中必須掌握超前大管棚支護技術(shù)的要點，并設(shè)置循環(huán)管道及管棚作業(yè)區(qū)域。然而，隨著隧道大斷面的增加，開挖難度會大幅提升，若采用擴挖斷面方法，會增加工程資金投入和任務(wù)量[3]。為解決以上施工難點，應(yīng)根據(jù)工程基本情況，采用無工作間管棚技術(shù)，正確操作頂進器。

運用超前小導(dǎo)管技術(shù)時，支撐設(shè)備的設(shè)置是關(guān)鍵。此外，施工人員需參考相關(guān)標準和規(guī)定，科學配比漿液，并重點觀察漿液初凝時間。在注漿期間，施工人員需持續(xù)攪拌漿液，以避免漿液沉淀，再由專業(yè)技術(shù)人員檢查泵機狀態(tài)。施工中要求砂漿標號超過M20，并進行配合比試驗，參考試驗結(jié)果調(diào)整配合比和注漿壓力，其中泥漿壓力應(yīng)在0.5～1MPa 之間。超前小導(dǎo)管施工工藝如圖1 所示。

圖1 超前小導(dǎo)管施工工藝

進行超前小導(dǎo)管施工時，技術(shù)人員要嚴格遵守工程控制標準，合理控制工藝參數(shù)。在材料方面，應(yīng)優(yōu)先選用無縫鋼管，并將雙側(cè)布置成梅花形；超前管棚應(yīng)選擇10m 鋼管，最佳搭接長度為200cm；漿液應(yīng)選擇純凈水泥砂漿。鋼管直徑、壁厚匹配如表1 所示。

表1 鋼管直徑、壁厚匹配表

在前期準備階段，需按照設(shè)計標準精準標注循環(huán)小導(dǎo)管孔位，再利用風鉆進行鉆孔作業(yè)。之后將小導(dǎo)管送入孔內(nèi)并穿過鋼架，在鋼管尾部漏出適宜長度，以滿足鋼架焊接作業(yè)要求。另外，超前小導(dǎo)管插入和孔口密封處理也是重點。應(yīng)利用特殊頂頭將小導(dǎo)管頂進，頂進長度不超過管長的90%。之后將膠泥麻筋經(jīng)纏箍后堵塞在末端管口。

進行頂進作業(yè)時，應(yīng)保證管口不變形，以免影響焊接質(zhì)量。進行注漿作業(yè)前，要仔細檢查導(dǎo)管密封性，防止后期漏漿。進行注漿作業(yè)時，需將管棚注漿水灰比控制在0.6～1 左右，并加入適量氯化鈣。達到終壓15min 后且進漿量未達到終量，即可停止注漿。此時應(yīng)立刻封堵管口，避免漿液倒流。相關(guān)參數(shù)計算公式如下：

漿液擴散半徑計算：

單根導(dǎo)管注漿量計算：

總注漿量計算：

式（1）～式（3）中：L0為導(dǎo)管中心間距；n 為圍巖空隙率；l 為導(dǎo)管長度；A 為注漿范圍巖層體積；a 為漿液填充系數(shù)；β 為注漿材料損耗系數(shù)。

4.2 交叉口加強段施工

根據(jù)相關(guān)資料可知，工程C 匝道圍巖等級為Ⅱ級，故支護結(jié)構(gòu)采用ZD4 型襯砌類型，并采用全斷面控制爆破方式，其中具體預(yù)留變形量根據(jù)實際情況確定，以保證不影響結(jié)構(gòu)厚度和內(nèi)部空間為準。隧道洞內(nèi)交叉結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，需要采取合理措施加固圍巖，將托梁作為載體進行鋼架支頂作業(yè)，以打造安全的施工環(huán)境。另外，進行交叉口加強段襯砌類型支護施工時，C 匝道開挖作業(yè)需在橫洞支護穩(wěn)定后開展，并增設(shè)豎向支撐和橫梁。支護成型且處于封閉狀態(tài)后，按照全斷面開挖方案內(nèi)容完成后續(xù)作業(yè)[4]。

4.3 ZD4 型襯砌斷面施工

進行大斷面隧道開挖支護施工時，需深入分析隧道作業(yè)地點和圍巖特征，確定混凝土噴射厚度等參數(shù)，制訂完整的支護施工方案。采用超前支護技術(shù)時，混凝土噴射厚度應(yīng)為20cm，并采用長度為3.5m的中空注漿超前錨桿，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ6.5，環(huán)縱向間距1m×1m，縱向間距100cm。進行ZD4 型襯砌斷面設(shè)計時，采用臺階法作業(yè)方式，臺階長度控制在1～5B之間，其中B 為洞寬。具體施工流程如下：測量放線—超前錨桿注漿、提前支護—上下臺階開挖支護施工—鋪設(shè)底部澆筑—展開二次襯砌。

施工期間，上臺階每循環(huán)進尺大于2m，下臺階每循環(huán)大于1.5m，左右側(cè)開挖支護間隔距離應(yīng)為2～3m。上臺階拱架拱腳采用墊木，下設(shè)鋼墊板的臨時支撐，下臺階開挖后，及時將拱架連接，以便及時封閉受力。另外，依據(jù)軟弱圍巖監(jiān)控測量結(jié)果，調(diào)整和優(yōu)化開挖預(yù)留變形量，修正支護參數(shù)，確保洞室的安全性和穩(wěn)定性。鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)時，需依據(jù)巖層特征，適當調(diào)整鋪設(shè)方向和具體位置，并通過焊接方式連接格柵鋼架鋼筋，以提高連接的牢固性。

4.4 臺階法開挖技術(shù)

參考C 標段圍巖特征與具體設(shè)計標準，采用隧道臺階法開挖施工技術(shù)時，下臺階兩側(cè)開挖深度應(yīng)大于10m，還應(yīng)嚴格管控臺階長度，并將其分成三種類型，具體為：微臺階，長度3～5m；長臺階，長度≥50m；短臺階，長度5～50m。

通過勘察隧道內(nèi)地質(zhì)環(huán)境、斷面大小、施工設(shè)備儲備情況等，可將微臺階長度控制在2.5m。搭設(shè)上臺階鋼拱架時，為防止初期支護變形，應(yīng)采取擴大鎖腳錨管、拱腳等方式[5]。上臺階混凝土噴射強度超過設(shè)計強度70%，才可展開下臺階開挖作業(yè)，且施工過程中需觀察其他結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況。若巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)適當減小進尺長度，或者分開進行臺階兩側(cè)挖設(shè)作業(yè)。下臺階作業(yè)階段，初支鋼架應(yīng)處于順接平直狀態(tài)，并確保螺栓連接牢固緊密。另外，隧道開挖施工時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有工程資料，利用相關(guān)公式計算隧道開挖方量，針對性地制訂施工方案，以避免出現(xiàn)重大安全事故。相關(guān)計算公式如下：

梁段計算：

彎道計算：

T 形交叉計算：

式（4）～式（6）中：V 為開挖方量；L 為梁段長度；b 為基線寬 度；σ 為開挖 斷面積；θ 為角度；R1 和R2 為半徑。

4.5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)

該工程C 匝道大斷面隧道施工采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)，先分別開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，再展開初期支護，隨后分別開挖其他位置。施工期間，施工人員可根據(jù)圍巖變化情況調(diào)整雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工內(nèi)容。對Ⅳ～Ⅴ級圍巖設(shè)置臨時支撐體系時，隨著施工的不斷深入，導(dǎo)坑逐漸變成完全封閉狀態(tài)；Ⅱ～Ⅲ級圍巖，參照仰拱回填面，通過臨時支撐設(shè)施使導(dǎo)坑與回填面高度一致。施工作業(yè)流程如下：施工前期準備—量測隧道地質(zhì)—拱部超前支護，按順序完成注漿作業(yè)—側(cè)壁、中槽超前小導(dǎo)管支護，分別從兩側(cè)入手挖出導(dǎo)坑，初次噴射混凝土—拆除臨時支撐設(shè)施—支護表面處理—拱墻復(fù)合襯砌[6]。

此環(huán)節(jié)施工重點如下：第一，開挖作業(yè)前應(yīng)檢查隧道排水情況，挖設(shè)符合要求的排水溝，確保積水能夠快速排出。第二，進行排水溝鋪砌抹面施工，避免鋼支撐體系嚴重軟化。第三，重視測量、監(jiān)控工作，技術(shù)人員應(yīng)實時掌握圍巖狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化支護參數(shù)，適當調(diào)整工程施工方案，具體監(jiān)測內(nèi)容如表2 所示。第四，進行圍巖開挖作業(yè)時，應(yīng)優(yōu)先采用無爆破作業(yè)方法，靈活運用人力資源和機械設(shè)備，充分保證地層的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

隨著時代的快速發(fā)展，隧道工程規(guī)模不斷擴大，其中軟弱圍巖大斷面隧道工程開挖支護難度高，因此需要施工團隊深度解讀工程資料，利用現(xiàn)代化儀器設(shè)備勘察工程地點，了解工程施工主要影響因素。同時，應(yīng)立足工程基本情況，選擇合適的支護方式和開挖方法，如臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，以進一步強化軟弱圍巖的承載能力，為后續(xù)施工提供堅實的保障。