水平層狀圍巖隧道預(yù)防拱頂坍塌施工技術(shù)

陳偉明 盧楨龍 劉小珂

1.中鐵十二局集團市政有限公司 廣東 廣州 511458 2.重慶交通大學(xué) 重慶 400074

在高速公路隧道工程施工過程中，發(fā)生拱頂坍塌事故時有發(fā)生，特別是水平層狀圍巖隧道，在開挖后拱頂變形、拱腳下沉、邊墻鼓脹和洞內(nèi)巖層出現(xiàn)局部剝落，嚴重時會造成整體坍塌，危及行車安全。因此，在水平層狀圍巖隧道施工過程中，應(yīng)注意以下幾個問題：（1）加強初期支護，控制圍巖變形、沉降和開裂；（2）加強洞內(nèi)監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報工作；（3）采取“短進尺、弱爆破、強支護、快封閉”的施工方法，及時處理拱頂坍塌病害；本文以國道G205線河源市熱水至埔前段改線工程第2標(biāo)段梧桐山隧道為例，闡述上述觀點。

1 工程概況

1.1 工程簡介

建設(shè)工程名稱：國道G205線河源市熱水至埔前段改線工程，第二標(biāo)段，業(yè)主：河源市公路事務(wù)中心，設(shè)計單位：廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，監(jiān)理單位：中咨公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，梧桐山隧道左線，正洞：ZK16+034～ZK17+874，長度：1840m；梧桐山隧道右線，正洞：K16+026～K17+854，長度：1828m；工程地點：廣東省河源市，開工時間，以監(jiān)理工程師批復(fù)的開工時間為準(zhǔn)，總工期，預(yù)計27個月，完工時間，合同范圍：國道G205線梧桐山隧道土建及相關(guān)配套工程的施工，工程質(zhì)量要求：工程一次驗收合格率100%，確保全部工程質(zhì)量達到國家、交通廳現(xiàn)行的工程質(zhì)量規(guī)范和驗收標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 隧道概況

梧桐山隧道小凈距隧道。左線隧道起迄里程ZK16+034～ZK17+874，長1840m，隧道最大埋深約2 5 0 m，熱水端洞門采用端墻式，埔前端洞門采用削竹式，洞內(nèi)縱坡0.754%/-1.450%；右線隧道起迄里程K16+026～K17+854，長1828m，隧道最大埋深約255m，熱水端洞門采用端墻式，埔前端洞門采用削竹式，洞內(nèi)縱坡0.750%/-1.450%[1]。

2 水平層狀圍巖隧道預(yù)防拱頂坍塌施工技術(shù)

2.1 優(yōu)化爆破工藝技術(shù)

2.1.1 炮眼直徑

炮眼直徑的大小，直接影響到整個炮眼的鉆眼效率，炮眼總裝藥量，炸藥單耗，爆破巖塊的塊度和井壁的平整度等。

在隧洞施工中，炮眼直徑的確定主要是根據(jù)斷面尺寸、炸藥性能和鉆速等因素來確定；在明挖區(qū)進行爆破開挖時，也要考慮到周圍建筑的安全。在本工程爆破鉆孔施工中，應(yīng)針對不同爆破點采用不同孔徑的鉆孔。

隧洞斷面：采用φ40 mm鉆孔，在隧洞斷面各爆破孔及臨時支護錨桿孔進行鉆孔施工。

2.1.2 炮眼深度

就鉆爆綜合工作而言，炮眼深度是影響爆破效果的主要因素。這是因為它不僅影響到每個掘進周期內(nèi)各工序的工作量、工期及掘進速度，還影響到爆破效果及材料消耗。本項目擬根據(jù)不同的圍巖類型、開挖方式和爆破環(huán)境對炮眼深度進行調(diào)整，炮眼深度范圍從1.2m到3.5m。在具體的爆破施工中，根據(jù)后面設(shè)計的爆破說明所提供的參數(shù)，根據(jù)前幾次爆破效果，可以適當(dāng)?shù)卦錾罨驕p小炮眼深度（同時，還需要對其他爆破參數(shù)如孔距、裝藥量等進行調(diào)整），以加快循環(huán)進度。

2.1.3 炮眼數(shù)目

炮眼數(shù)量的多少，直接關(guān)系到鑿巖工作量及爆破效果?？讛?shù)太少，大塊巖石增加，井壁外形不規(guī)則，甚至出現(xiàn)爆破無法進行的情況；如果孔數(shù)過多，鉆孔的工作量就會增大。如何選擇炮眼個數(shù)，主要取決于爆破斷面、巖體性質(zhì)和炸藥性能。在保證爆破效果的同時，盡量減少炮眼個數(shù)，是確定炮眼個數(shù)的基本原則[2]。

2.1.4 炮眼利用率

炮眼利用率是合理選擇爆破參數(shù)的重要依據(jù)。通常用爆破全斷面炮眼利用率來定義并計算，即全斷面炮眼利用率=每周期掘進進尺/炮眼深度；

試驗結(jié)果表明：單位裝藥量、炮眼直徑、炮眼個數(shù)、炮眼數(shù)量、炮眼深度對炮眼利用率有較大影響。巷道掘進最佳炮眼利用率在0.85～0.95之間。

在本項目的設(shè)計中，由于隧洞斷面較大，炮眼利用率一般為0.7～0.9，因此，隧道爆破施工是一項十分重要的工作。

2.1.5 炮眼布置

（1）炮眼布置要求

對于隧道爆破，除合理選擇掏槽方式和爆破參數(shù)外，為保證安全，提高爆破效率和質(zhì)量，還需合理布置工作面上的炮眼。其合理的炮眼布置應(yīng)能保證：

①有較高的炮眼利用率。

②先爆炸的炮眼不會破壞后爆炸的炮眼，或影響其內(nèi)裝藥爆轟的穩(wěn)定性。

③爆破塊度均勻，大塊率少。

④爆破后斷面和輪廓符合設(shè)計要求，壁面平整并能保持隧道圍巖本身的強度和穩(wěn)定性。

（2）炮眼布置的方法和原則

工作面上各種炮眼的布置順序是：先掏槽孔，然后是周邊孔、底孔，最后是輔助孔。為了加強切割效果。鉆孔中心深度20cm，裝藥采用1級即發(fā)雷管，保證爆破效果。

①槽孔一般位于斷面中心，其位置對拋擲距離及破碎塊度均有影響。

②周邊孔，也就是靠近最外側(cè)的輪廓線，通常設(shè)置在輪廓線上。但實際施工時，應(yīng)視巖石性質(zhì)而定，如果巖石較硬，可以接近或布置在輪廓線上，并向外傾斜，使爆破后周邊距設(shè)計輪廓線約100mm；如果巖體比較軟，可以離開等高線100-200mm左右，這樣爆破周圍就不會出現(xiàn)欠挖或過挖過多的情況。

③為了保證開挖面周圍不發(fā)生或較小的破壞，爆破時按照光面爆破的要求，各孔間距一致，使孔底落在同一平面內(nèi)。

④挖槽孔及周邊孔布置完畢后，再進行輔助眼的布置。輔助眼由炮孔空腔作為自由面，分層布置，按斷面尺寸及形狀確定最小抗力及相鄰系數(shù)[3]。

2.2 系統(tǒng)錨桿（管）、鋼筋網(wǎng)施工作業(yè)

（1）初噴混凝土后，應(yīng)及時施作錨桿，錨桿應(yīng)加墊板。巖石巷道拱部系統(tǒng)錨桿須設(shè)置排氣裝置，并采取沿錨桿孔注漿的施工技術(shù)；根據(jù)設(shè)計要求，對黃土隧道系統(tǒng)錨桿進行選型。

（2）鋼筋網(wǎng)采用H P B 2 3 5 鋼φ 8 制成，網(wǎng)孔尺寸20cm×20cm，搭接長度為1-2個網(wǎng)孔，網(wǎng)片之間采用焊接連接。

（3）鋼筋網(wǎng)應(yīng)沿噴射面起伏鋪設(shè)，間距不超過3cm，鋼筋網(wǎng)應(yīng)與錨桿和鋼結(jié)構(gòu)牢固連接，鋼筋保護層不少于4cm。

2.3 安裝鋼架

（1）安裝拱起構(gòu)件的工序為：放樣決定鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位置，施做定位錨，架設(shè)鋼結(jié)構(gòu)，布置縱向加勁肋。

（2）墻體構(gòu)件的安裝工序為：在墻腳鋪設(shè)槽道墊板→安裝定位錨桿→在相應(yīng)的拱體內(nèi)安裝墻體鋼構(gòu)件→布置縱向鋼筋。拱與墻之間的鋼結(jié)構(gòu)單元宜采用栓接方法。

（3）加強鋼框架拱（墻）腳鎖腳錨桿（管）的施工，在每一級鋼框架的拱（墻）腳以上30 cm的位置，按下傾角30°，在鋼框架的兩側(cè)邊緣，打4根以上鎖腳錨（管），鎖腳錨桿（管）與鋼架牢固焊接，鎖腳錨桿直徑不小于22mm，鎖腳錨桿直徑不小于42mm，長度不小于3.5m，以控制地基變形。

2.4 超前支護

根據(jù)梧桐山隧道水平層狀圍巖隧道的地質(zhì)條件和施工中發(fā)現(xiàn)的問題，為確保隧道開挖和初期支護順利完成，在開挖前對圍巖進行超前支護是非常必要的。超前支護是指在隧道開挖之前，為防止或減輕圍巖失穩(wěn)坍塌，采取一定的措施，對巖層進行加固并進行預(yù)支護。其主要目的是防止或減輕圍巖變形過大，為隧道開挖提供安全保障。根據(jù)梧桐山隧道地質(zhì)條件和施工經(jīng)驗，超前支護主要采用長管棚支護和小導(dǎo)管預(yù)加固法。在梧桐山隧道施工中，主要采用長管棚和小導(dǎo)管預(yù)加固法進行超前支護，其具體參數(shù)如下：

長管棚的直徑為φ108 mm；小導(dǎo)管直徑為φ50 mm；超前支護的長度為40～80m。在施工中，如遇較大斷層破碎帶、巖層軟弱帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)情況時，為確保施工安全，必須采用超前錨桿或超前小導(dǎo)管等預(yù)支護措施[4]。

注漿小導(dǎo)管是將注漿材料按一定的工藝要求制成管狀，利用注漿泵將漿液注入圍巖空隙，并向周圍擴散，通過漿液在圍巖與管壁之間形成一個加固層，使圍巖得以加固并起到止水的作用。

超前小導(dǎo)管是在巖層中鉆出一排直徑為φ50的小導(dǎo)管，再向四周鉆出一排直徑為φ108的小導(dǎo)管，形成一個環(huán)形空間。小導(dǎo)管內(nèi)采用水泥砂漿填充。其作用：一是增大了圍巖與管棚的接觸面積；二是使圍巖形成一個整體；三是提高了圍巖的自穩(wěn)能力。

2.5 控制施工循環(huán)進尺

在水平層狀圍巖中，水平層狀圍巖受力狀態(tài)類似于單向板，各層巖層受力較均勻，在隧道開挖過程中，隨著開挖高度的增加，巖層受力逐漸改變，應(yīng)力重分布的規(guī)律為先變大再變小。本項目在隧道開挖過程中采用了“短進尺、多循環(huán)”的施工方法?！岸踢M尺”是指每循環(huán)開挖長度控制在2.0m以內(nèi)，“多循環(huán)”是指根據(jù)隧道斷面大小，采用上、下臺階交替作業(yè)的方式進行循環(huán)掘進。在本項目中，上臺階開挖采用氣腿式鑿巖機鉆眼，使用3～4臺氣腿式鑿巖機鉆眼，弱爆破，或人工配合機械開挖，下臺階開挖采用人工配合機械開挖，每循環(huán)進尺按照設(shè)計鋼架的間距確定。除此之外，在本工程項目中，上臺階開挖作業(yè)高度為一般控制2.0m左右，使用3～4臺氣腿式鑿巖機鉆眼，弱爆破，或人工配合機械開挖，每循環(huán)進尺按照設(shè)計鋼架的間距確定。下臺階開挖一次到仰拱，也使用3～4臺氣腿式鑿巖機鉆眼，弱爆破，或人工配合機械開挖，每循環(huán)進尺控制按照設(shè)計鋼架的間距確定。初支及時成環(huán)。

2.6 安全步距控制

在水平層狀圍巖中，圍巖的整體強度差異較大，在隧道開挖過程中，若每循環(huán)開挖進尺過快，容易造成拱頂沉降、拱腰下沉及拱頂塌方等情況；若每循環(huán)開挖進尺過慢，則不利于控制拱頂塌方。因此，在進行隧道開挖時，應(yīng)根據(jù)圍巖情況進行分級開挖，并對每循環(huán)進尺進行嚴格控制，并應(yīng)根據(jù)隧道拱頂坍塌風(fēng)險大小的不同采取不同的安全步距。

（1）對于Ⅰ級圍巖段或淺埋偏壓段的隧道，在進行下行線開挖時，應(yīng)采用“短進尺、弱爆破、強支護”的原則進行開挖，即保證拱頂沉降和拱腰下沉不大于1 cm/d（天）；根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況和支護結(jié)構(gòu)情況確定隧道仰拱開挖寬度。（2）對于Ⅱ級圍巖段的隧道，在進行下行線開挖時，應(yīng)采用“弱爆破、強支護”的原則進行開挖，即保證拱頂沉降和拱腰下沉不大于1 cm/d （天）；在拱部區(qū)域可進行超前支護，在下行線開挖完成后，及時對上行線的仰拱進行封閉，保證拱部不產(chǎn)生坍塌[5]。

3 水平層狀圍巖隧道預(yù)防拱頂坍塌施工技術(shù)應(yīng)用的保障措施

3.1 通信與信息保障

為確保隧道施工中的通信與信息保障，在隧道掌子面施工前應(yīng)按照隧道施工標(biāo)準(zhǔn)化的要求，將無線通訊系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等配套通信與信息設(shè)備進行安裝，并按照計劃進行試驗和試運行。在隧道施工過程中應(yīng)按照已建立的通訊與信息保障系統(tǒng)，確保設(shè)備運行正常。隧道內(nèi)應(yīng)配備一名專職通信值班員，負責(zé)對本工程的通信與信息保障系統(tǒng)進行管理和維護，及時檢查和更換設(shè)備，確保通信暢通。并且為提高通訊與信息保障效率，在梧桐山隧道采用光纜與隧道內(nèi)現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)相連接，以提高通訊信號傳輸速度和效率。

3.2 應(yīng)急支援與保障

（1）根據(jù)《公路橋梁隧道工程施工安全風(fēng)險評估制度與指南》，梧桐山隧道工程采用的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)、監(jiān)控量測技術(shù)和信息化施工技術(shù)，是基于隧道施工過程中出現(xiàn)的地質(zhì)異常變化而預(yù)先編制的施工預(yù)案。當(dāng)隧道出現(xiàn)地質(zhì)異常變化時，應(yīng)及時補充或更新該預(yù)案。

（2）針對水平層狀圍巖隧道預(yù)防拱頂坍塌施工中出現(xiàn)的風(fēng)險問題，可提前編制水平層狀圍巖隧道預(yù)防拱頂坍塌施工應(yīng)急預(yù)案，并結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)、監(jiān)控量測技術(shù)和信息化施工技術(shù)等，制定相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)措施，以保障隧道在出現(xiàn)風(fēng)險問題時能及時響應(yīng)和開展救援工作。

（3）針對水平層狀圍巖隧道預(yù)防拱頂坍塌施工中出現(xiàn)的風(fēng)險問題，應(yīng)按“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則，建立隧道施工安全風(fēng)險評估制度。通過對隧道施工過程中存在的風(fēng)險因素進行全面、系統(tǒng)和準(zhǔn)確的評估，制定風(fēng)險應(yīng)對措施，并對施工安全風(fēng)險進行控制和管理。

（4）根據(jù)水平層狀圍巖隧道預(yù)防拱頂坍塌施工中出現(xiàn)的風(fēng)險問題，應(yīng)制定相應(yīng)的應(yīng)急支援措施。例如，當(dāng)隧道發(fā)生突泥、突水、瓦斯爆炸、塌方、落石等災(zāi)害時，應(yīng)立即停止施工作業(yè)，組織人員進行緊急疏散，同時向上級報告有關(guān)情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生安全事故時，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，防止事故擴大。

4 結(jié)束語

總而言之，水平層狀圍巖隧道拱頂坍塌是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不僅涉及到地質(zhì)條件，還涉及到施工方法和工藝等多方面問題。如果在施工中不能嚴格按照設(shè)計要求進行施工，就容易引起拱頂坍塌。因此，在水平層狀圍巖隧道施工中，必須對可能發(fā)生拱頂坍塌的不良地質(zhì)進行詳細分析，采取切實有效的預(yù)防措施，才能保證隧道施工安全和質(zhì)量。在水平層狀圍巖隧道施工中，初期支護和仰拱是施工的重點和難點。