不良地質(zhì)和瓦斯綜合影響下的隧道施工方案

任海鵬

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100000）

隧道施工受區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等影響較大，當(dāng)隧道設(shè)計埋深較大，隧道施工穿越應(yīng)力集中區(qū)、軟質(zhì)巖體和破碎帶，以及其他地質(zhì)異常區(qū)時，容易造成隧道圍巖加大變形，斷面成型較差等現(xiàn)象，導(dǎo)致隧道施工質(zhì)量下降、施工進(jìn)度緩慢、施工困難增加、圍巖維護(hù)成本提升等系列問題[1-2]。如果巷道內(nèi)瓦斯等有害氣體集聚，隧道施工的安全風(fēng)險更為突出[3]。為了有效保證在不良地質(zhì)條件及有害氣體侵蝕下隧道的安全穩(wěn)定施工，必須提升工程施工的安全管控，采取更為合理可靠的技術(shù)對策，強(qiáng)化隧道施工的安全技術(shù)管理，提升隧道承壓能力，有效封堵和外排有害氣體，保證隧道施工的平穩(wěn)有序開展，以及后期運(yùn)營的安全[3-6]。

1 工程概況

某隧道全長4 373 m，施工里程為DK94+360-DK98+733。隧道進(jìn)口段位于半徑8 000 m 的左偏曲線上，其余段落位于直線上。隧道縱坡為“L”字坡，進(jìn)口至出口依次為140 m 的25‰下坡，1 250 m 的29‰下坡，2 150 m 的25‰下坡，833 m 平坡。最大坡度29‰。隧道進(jìn)口海拔約956 m，出口海拔約908 m。平行導(dǎo)坑位于隧道線路前進(jìn)方向左側(cè)，平導(dǎo)與線路左線線間距為30 m。平導(dǎo)起始里程PD97+980=正洞DK97+980，終點(diǎn)里程為PDK98+826，全長846 m。平導(dǎo)采用單車道運(yùn)輸，內(nèi)凈空尺寸為5 m（寬）×6 m（高）。洞身設(shè)2 處錯車道，錯車道內(nèi)凈空尺寸為7.5 m（寬）×6.2 m（高）。該隧設(shè)置1 平導(dǎo)的輔助坑道方案，按進(jìn)口、出口平導(dǎo)2 個工區(qū)2 個工作面組織平行施工。隧道穿越地層為粉砂質(zhì)頁巖、凝灰質(zhì)砂巖、炭質(zhì)頁巖等。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)為重力不良地質(zhì)（危巖落石、巖堆、滑坡、巖爆、邊坡順層），且為低微瓦斯隧道，安全風(fēng)險高，施工難度大，是本標(biāo)段的重難點(diǎn)工程。

2 施工方案及安排

隧道施工按照新奧法組織施工，但為了保證隧道施工的安全穩(wěn)定，將超前的地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作作為工藝施工的首個環(huán)節(jié)，并堅持以地質(zhì)探測和預(yù)報為前提、新奧法施工為主、強(qiáng)化現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控為依據(jù)的施工原則，并基于此構(gòu)建科學(xué)完善的信息化施工管理體系，通過對信息、數(shù)據(jù)的綜合分析和處理，實(shí)行動態(tài)管理信息化施工。隧道工程施工一般流程：①進(jìn)口工區(qū)，斜井洞口天溝→斜井洞口邊仰坡→斜井洞口大管棚套拱施工→斜井洞口大管棚→DK94+360～DK96+825 段。②出口平導(dǎo)工區(qū)，平導(dǎo)洞口天溝→平導(dǎo)洞口邊仰坡→平導(dǎo)洞口抗滑樁施工→平導(dǎo)洞口大管棚套拱施工→平導(dǎo)洞口大管棚→暗洞PDK98+826～PDK98+380 段→2#橫洞（挑頂）→車站大跨斷面DK98+350～DK98+290 段（PDK98+380～PDK97+980 段）→車站大跨斷面大里程方向DK98+350～DK98+733 段→小里程方向DK98+290～DK96+825 段（1#橫洞）。強(qiáng)化環(huán)節(jié)管控、重點(diǎn)管控，突出施工主線、以點(diǎn)帶面兼顧，對隧道施工的整體程序和流程進(jìn)行更為科學(xué)合理的設(shè)計安排。

采用鉆爆法和機(jī)械開挖施工。明洞段施工均采用明挖法，暗洞段均按新奧法組織施工。按大型和常規(guī)機(jī)械化配套組織，根據(jù)圍巖類別和地質(zhì)情況采用臺階法、臺階法加臨時仰拱法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。采用風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔爆破和機(jī)械開挖，濕噴機(jī)械手噴射混凝土，拱架多功能臺架安裝拱架，裝載機(jī)和挖掘機(jī)裝渣，大型自卸汽車出渣；仰拱及填充采用自行液壓仰拱棧橋施工工裝；防水板采用防水板鋪設(shè)臺車鋪設(shè)、二襯混凝土采用二次襯砌智能臺車施工，自動噴淋養(yǎng)護(hù)作業(yè)臺架與霧炮養(yǎng)護(hù)，組成鉆爆、裝運(yùn)、噴錨支護(hù)、襯砌等機(jī)械化施工作業(yè)線。

2.1 臺階法開挖

1）為了減少對不良地質(zhì)影響下圍巖的施工擾動，首先采用弱爆或人工風(fēng)鎬支的方式對①部進(jìn)行開挖施工，并對斷面進(jìn)行混凝土噴筑和支護(hù)。安裝時必須設(shè)置墊板，墊板應(yīng)與基面密貼施作→下一循環(huán)超前支護(hù)（適用超支護(hù)情況）。

2）①部施工完成后，分段施工②部，工藝采用同上述方法。

3）一般情況下，鎖腳錨桿（管）施作角度為20～60°，根據(jù)監(jiān)控量測情況，當(dāng)向沉降較大時取大值，當(dāng)水平收斂較大時，取小值。

4）采用同樣弱爆破的方式施工③部，并進(jìn)行混凝土噴筑。

5）①②③部施工完成后，持續(xù)推進(jìn)隧道開挖，待開挖一定距離后，開始對前段弱爆破施工斷面進(jìn)行仰拱和邊墻基礎(chǔ)施工，完成隧道設(shè)計全斷面開挖、注漿和支護(hù)。

6）根據(jù)監(jiān)控量測分析，確定二次襯砌施作時機(jī):施工防排水工程；一次性灌筑Ⅳ部（拱墻）襯砌。

臺階法工序橫斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 臺階法工序橫斷面示意圖

2.2 三臺階加臨時橫撐法開挖

1）按照臺階法施工工藝完成相應(yīng)臺階施工和支護(hù)。

2）弱爆破開挖②-1→施作②-1 部初期支護(hù):初噴混凝土，鋪鋼筋網(wǎng)。架立鋼架（設(shè)鎖腳錨桿），復(fù)噴至設(shè)計厚度。①部②-1 部系統(tǒng)錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設(shè)置鋼板，墊板應(yīng)與基面密貼。施作臨時橫撐:架設(shè)I18 臨時橫撐A（每2 榀初支鋼架設(shè)一處）。

3）同②-1 部施工工序，開挖及支護(hù)②-2。①部及②-2 部系統(tǒng)錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設(shè)置墊板，墊板應(yīng)與基面密貼。施作臨時橫撐:架設(shè)1I18 臨時橫撐A（每2 榀初支鋼架設(shè)一處）。

4）一般情況下，鎖腳錨桿（錨管）施作角度為20～60°，根據(jù)監(jiān)控量測情況，當(dāng)豎向沉降較大時，取大值，當(dāng)水平收斂較大時，取小值。

5）弱爆開挖Ⅳ部→施作Ⅳ部仰拱初期支護(hù)。

6）對支護(hù)后的圍巖進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析控制拆除臨時橫撐的時間。

2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖

1）以上一循環(huán)的超前支護(hù)已經(jīng)施工到位為前提，按照臺階法施工順序弱爆破對①部進(jìn)行開挖施工，并對①部導(dǎo)坑圍巖進(jìn)行支護(hù)提升應(yīng)力支撐，必須嚴(yán)格按照工藝施工流程確保鋼筋網(wǎng)、鋼架、混凝土噴筑等各項流程按照設(shè)計施工到位，系統(tǒng)錨桿在噴射混凝士完成后及時施作，安裝時必須設(shè)置墊板，墊板應(yīng)與基面密貼。

2）為了保證施工的穩(wěn)定性，①部施工完成后持續(xù)進(jìn)入下一循環(huán)，待超前①部施工與現(xiàn)有循環(huán)拉開一定距離后，進(jìn)行②部斷面開挖施工，采用開挖方式和支護(hù)方式同①部，系統(tǒng)錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設(shè)置墊板，墊板應(yīng)與基面密貼。

3）以此類推，②部施工完成后持續(xù)進(jìn)入下一循環(huán)，待超前②部施工與現(xiàn)有循環(huán)拉開一定距離后，進(jìn)行③部斷面開挖施工，采用開挖方式和支護(hù)方式同①部，系統(tǒng)錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設(shè)置墊板，墊板應(yīng)與基面密貼。

4）上述3 部完成施工后，按照順序依次對Ⅳ部、Ⅴ部、Ⅵ部仰拱區(qū)域進(jìn)行施工并進(jìn)行支護(hù)和臨時加強(qiáng)支護(hù)，待隧道開挖持續(xù)推進(jìn)至一定距高后，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控結(jié)果及圍巖支護(hù)強(qiáng)度對臨時支護(hù)的鋼架等進(jìn)行拆除，并進(jìn)行混凝土澆筑。

5）對支護(hù)后的圍巖進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析控制拆除臨時橫撐的時間，并根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行防排水工程施工，以及全斷面混凝土澆筑。

6）一般情況下，鎖腳錨桿（錨管）施作角度為20～60°，根據(jù)監(jiān)控量測情況，當(dāng)豎向沉降較大時，取大值，當(dāng)水平收斂較大時，取小值。

2.4 圍巖量測

應(yīng)根據(jù)該隧道施工所處的施工地形地質(zhì)條件、選用的支護(hù)方法，已經(jīng)施工工藝等因素進(jìn)行綜合考慮，所選擇的監(jiān)控量測項目主要包括：洞內(nèi)、外的巡查測量，圍巖注漿前的凈空變化，隧道圍巖變形量，沉降縫兩側(cè)底板的沉降變化以及洞口段與隧道過渡段存在的不均勻沉降變化觀測等，見表1。

表1 監(jiān)控量測項目

量測斷面間距及斷面布置，主要參照圍巖級別進(jìn)行選擇，并根據(jù)現(xiàn)場施工條件進(jìn)行適當(dāng)間距縮小，但每個斷面選擇后，量測點(diǎn)的布置均滿足一個拱頂下沉測點(diǎn)和一條水平凈空收斂量測基線（臺階法開挖時，在拱腳以上0.5 m 加測一條）。各項監(jiān)測項目的量測頻次，根據(jù)監(jiān)測項目的變化速度以及現(xiàn)場隧道開挖進(jìn)度進(jìn)行綜合考慮確定。為了確保量測信息的及時獲取，選擇先進(jìn)的無接觸圍巖量測技術(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行及時記錄和分析，并判斷量測項目的變化值是否超出閾值，是否需要進(jìn)行及時支護(hù)或工藝調(diào)整，與此同時，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制相應(yīng)的圍巖變形時態(tài)曲線，應(yīng)力分布圖、孔隙水壓力曲線等。

監(jiān)控量測信息反饋應(yīng)根據(jù)量測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對工程安全性進(jìn)行評價，并提出相應(yīng)工程對策與建議。監(jiān)控量測信息反饋方法采用經(jīng)驗(yàn)類比法或理論分析法，施工現(xiàn)場以經(jīng)驗(yàn)類比法為主，重要工程綜合以上2 類方法。信息反饋應(yīng)以位移反饋為主，主要依據(jù)時態(tài)曲線的形態(tài)對圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)、對周圍環(huán)境的影響程度進(jìn)行判定，驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，指導(dǎo)施工。工程對策主要包括：穩(wěn)定開挖工作面措施；調(diào)整開挖方法；調(diào)整初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度并及時支護(hù)；調(diào)整不同圍巖的預(yù)留變形量；降低爆破振動影響；圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間回填注漿；輔助施工措施為地層預(yù)處理，包括注漿加固、降水等方法；超前支護(hù)，包括超前錨桿（管）、管棚等。

3 低瓦斯隧道施工

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

受隧道開挖圍巖擾動影響，巖層中賦存的瓦斯向隧道施工的有限空間內(nèi)釋放，瓦斯的超前探測和預(yù)報工作應(yīng)當(dāng)從時間上、空間上動態(tài)進(jìn)行，對圍巖內(nèi)瓦斯的賦存情況及不良地質(zhì)體存在等進(jìn)行管控。低瓦斯隧道應(yīng)按先探后掘的原則組織施工，將煤層及瓦斯超前地質(zhì)預(yù)報納入施工工序進(jìn)行嚴(yán)格管理，根據(jù)預(yù)報成果動態(tài)調(diào)整設(shè)計、施工方案。低瓦斯工區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)、超前鉆探法為主，結(jié)合物探、洞內(nèi)地質(zhì)素描、參數(shù)測試等進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報。

3.2 隧道開挖

隧道通過低瓦斯地層的原則：加強(qiáng)通風(fēng)、快噴錨。隧道通過有瓦斯溢出地層，采用臺階法開挖，保證每次開挖面積小，瓦斯溢出量不大，開挖輪廓能夠迅速得到支護(hù)。

1）低瓦斯工區(qū)鉆孔作業(yè)應(yīng)符合下列規(guī)定：開挖工作面附近20 m 以內(nèi)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?%；必須采用濕式鉆孔；炮眼深度不宜小于0.6 m。

2）低瓦斯工區(qū)采用電雷管起爆時，嚴(yán)禁反向裝藥，采用正向連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時，雷管以外不得裝藥卷，瓦斯區(qū)段炮眼封泥必須使用水炮泥。

3）瓦斯區(qū)段爆破嚴(yán)禁使用導(dǎo)爆管或普通導(dǎo)爆索、火雷管，應(yīng)使用煤礦許用瞬發(fā)電雷管、煤礦許用毫秒延期電雷管或者煤礦許用數(shù)碼電雷管，低瓦斯區(qū)段的巖層掘進(jìn)應(yīng)使用不低于三級的煤礦許用炸藥。

3.3 通風(fēng)

隧道出口平導(dǎo)工區(qū)采用壓入式通風(fēng)，設(shè)2 臺SDF（C）-NO12.5 型軸流風(fēng)機(jī)，配以Φ1 800 mmPVC 拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管，風(fēng)管軟質(zhì)雙抗（抗燃燒、抗靜電）風(fēng)管，并預(yù)留置1 臺SDF（C）-NO12.5（110 kW）型軸流風(fēng)機(jī)備用，通風(fēng)中還選用了2 臺K125-4P 型射流風(fēng)機(jī)。根據(jù)通風(fēng)設(shè)計要求，以及消除污風(fēng)循環(huán)等，通風(fēng)機(jī)安裝在洞口外距離30 m 左右的位置，并且設(shè)置專人對通風(fēng)機(jī)及周邊范圍進(jìn)行維護(hù)，確保風(fēng)機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，為了保證有效通風(fēng)，瓦斯隧道內(nèi)的通風(fēng)機(jī)必須設(shè)置兩路電源，并設(shè)置風(fēng)電閉鎖，確保在一路電源斷電的情況能夠保證短時間內(nèi)另一路電源接替供電。

3.4 瓦斯檢測

為了保證瓦斯檢測的準(zhǔn)確性，采用人工與自動相結(jié)合的檢測方法。人工檢測由專職瓦斯檢查員執(zhí)行檢查瓦斯，專職瓦斯檢查員必須現(xiàn)場使用專用檢測設(shè)備同時對隧道內(nèi)的甲烷含量及二氧化碳含量進(jìn)行檢測，并做好檢測記錄。同時，在隧道內(nèi)安置自動檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道有限空間內(nèi)有害氣體、通風(fēng)情況的實(shí)時監(jiān)測，并做好有害氣體超出閾值的預(yù)警，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至主控計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時分析。

3.5 低瓦斯隧道支護(hù)及襯砌

1）低瓦斯區(qū)段開挖后應(yīng)及時噴錨支護(hù)，在軟弱破碎巖層或煤層中掘進(jìn)，宜加強(qiáng)初期支護(hù)、超前支護(hù)，防止坍塌。

2）瓦斯區(qū)段鋼架宜采用裝配式鋼架；二次襯砌主筋宜采用綁扎或套筒連接，其余鋼筋可采用綁扎連接。

3）瓦斯區(qū)段二次襯砌施工工藝、養(yǎng)護(hù)應(yīng)滿足下列要求：拱墻襯砌混凝土應(yīng)采用模板臺車，拱墻一次整體連續(xù)澆筑完成；仰拱施作應(yīng)各段一次成型，不得分幅澆筑；混凝土應(yīng)分層對稱、邊澆筑邊振搗，應(yīng)采用機(jī)械振搗；二次襯砌應(yīng)預(yù)留注漿孔，二次襯砌完成后應(yīng)及時注漿，充填空隙，封閉瓦斯；二次襯砌混凝土澆筑后應(yīng)根據(jù)氣候條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。氣溫低于5℃時不得灑水養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)束語

不良地質(zhì)段及低瓦斯隧道施工，施工工序較正常隧道施工復(fù)雜，難度高、危險性大，為此要提升安全管理要求，堅持隧道施工的超前地質(zhì)預(yù)報，及時掌握不良地質(zhì)段特征及瓦斯溢出量，盡可能采取對原有地構(gòu)擾動小的施工工藝，強(qiáng)化有效通風(fēng)，對已施工區(qū)段進(jìn)行有害氣體監(jiān)測和圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測，做好地質(zhì)災(zāi)害和有害氣體超標(biāo)應(yīng)急預(yù)警管理。