三線大跨軟弱圍巖隧道快速掘進施工技術

摘要:結合昆明三環閉合工程西、北段崗頭隧道工程實際情況淺述三線大跨軟弱圍巖隧道快速掘進施工。隧道均為Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖，施工采用超前小導管支護、預留核心土三臺階法、短進尺、弱爆破等具體措施，保證施工安全、質量的同時，快速掘進。

關鍵詞:三線大跨 軟弱圍巖 管棚施工 預留核心土三臺階法

0 引言

崗頭隧道位于昆明市五華區崗頭村與小普吉之間，橫穿長蟲山尾段，是昆明市三環閉合工程(西、北段)的重點控制性工程之一。由于是市政工程，建設工期僅為12個月，如何實現快速掘進施工是關鍵，本文結合崗頭隧道施工過程中采用的一些施工方法和技術參數淺談三線大跨隧道在軟弱圍巖中快速掘進施工技術方法。

1 工程概況

崗頭隧道為分離式三線大跨軟弱圍巖隧道，隧道左線長2742m(K0+596-K3+338)，右線長2717m(K0+623-K3+340)，最大開挖高度11.52m，最大開挖寬度16.906m，最大斷面達158.55m2。崗頭隧道地質結構復雜，依次通過寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、侏羅系、第四系等地層，巖性包括粉質黏土、黏土、砂礫碎石土、強風化泥巖、砂巖、頁巖、白云巖、灰巖、泥灰巖、火山角礫巖、玄武巖、礫石層等，同時受滇中經向構造體系的影響，隧道穿越兩大斷層(即鐵峰庵斷層及萬里號逆斷層)及一地層倒轉段(K2+990～K3+270)，受大斷層的影響全線發育有大量小斷層，巖層巖性變化頻繁，圍巖破碎，巖體風化嚴重，節理裂隙發育，地下水豐富，均為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，其中Ⅴ級圍巖占全隧70%以上。設計荷載為公路—Ⅰ級，計算行車速度80km/h;建筑限界寬14.0m，高5.0m。隧道襯砌內輪廓為扁平三心圓曲墻式結構，內凈空面積94.30m2。隧道襯砌支護采用復合式襯砌，初期支護以錨、網、噴為主，并輔以超前小導管/超前錨桿及鋼支撐支護，二次襯砌為模筑混凝土(鋼筋混凝土)。

2 施工原則

三線大跨隧道，斷面大，圍巖破碎，隧道開挖快速掘進的關鍵在于縮短各工序作業循環時間，同時確保初期支護結構不變形，不因處理變形造成停工。在施工技術層面主要做好以下幾點:①管超前:軟弱圍巖段，圍巖松散，開挖后極易產生掉塊造成大面積超挖。在開挖前及時施做超前支護，以確保開挖后形成平順的開挖輪廓，減少超挖量，保證施工安全。②短進尺:在軟弱圍巖地段，人工配合挖掘機嚴格按短進尺開挖，局部堅石采用弱爆破掘進。③快初支:尤其在軟弱圍巖段，圍巖應力增長快，自穩時間短。錨、網、噴及鋼支撐架設工作在爆破、排險后馬上施作，基本與出碴同時或交錯進行，尤其在地層破碎或構造帶地段更要緊跟，以保證圍巖穩定。④緊封閉:根據本隧道地質情況，拱、墻部初期支護形成之后要盡早施設仰拱，以使初期支護盡快形成封閉受力結構。一般仰拱與三臺階下部開挖面保持距離為30～40m左右，以保證開挖、裝碴機具活動場地。

2.5 早襯砌:根據本隧道的施工經驗來看，在初期支護施工完后，圍巖及初期支護變形在15天內變形基本穩定(收斂小于0.1～0.2mm/d及拱頂下沉小于0.07～0.15mm/d)，但超過30天圍巖及初期支護變形受應力變化的影響會出現新的增長，如不及時對初期支護進行加強處理，圍巖及初期支護變形將急劇增長，因此應及時施做二次襯砌，確保施工及結構安全。

3 施工方案

3.1 施工方案簡述 崗頭隧道由于地質變化頻繁且均為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，因此采用預留核心土三臺階法施工，上臺階預留核心土，開挖后分臺階及時進行初期支護和施做仰拱。開挖支護過程中重點加強對隧道的周邊位移、拱頂下沉等監控量側工作，根據量測數據，及時調整施工方案。在施工過程中隧道防坍塌、圍巖及初期支護變形問題是本工程最大的施工控制重點。

3.2 關鍵施工技術

3.2.1 開挖方法 在軟弱圍巖的條件下，采用預留核心土三臺階法開挖。上半斷面開挖約5～7m后，開挖中部，中部左右兩側錯開開挖，嚴禁對稱開挖，錯開距離3～5m，中部開挖5～10m后，開挖下部，下部開挖方法同中部，各部開挖后應立即進行錨噴等初期支護。下部施工完后滯后后30～40m及時施工仰拱。圍巖非常破碎的情況下采用側壁導坑法施工，先開挖中夾巖側導坑上臺階，支護完成后開挖中夾巖側導坑下臺階及仰拱，并及時做好支護。導坑側壁安裝臨時鋼拱架支撐，保證隧道施工安全。其次開挖另側導坑上、下臺階及仰拱，及時支護，形成全斷面封閉支護環。仰拱開挖后及時進行仰拱、填充和邊墻基礎砼施工，與拱墻初期支護封閉成環。

崗頭隧道為三線大跨軟弱圍巖，受兩個大斷層段及穿越多個地層段的影響，隧道所經路線內發育有大量的小斷層，圍巖破碎且變化頻繁。由于開挖方法轉換頻繁對進度影響較大，且采用上下臺階法施工，上臺階距離太長，造成仰拱施做滯后，初期支護變形得不到有效控制，因此采用預留核心土三臺階法施工。施工中由于開挖跨度大，開挖后洞體容易變形，周邊穩定性較差，拱部極易坍塌。所以采用人工開挖，工人手持風鎬、鐵鍬配合挖掘機進行開挖，同時控制開挖進尺，開挖后及時進行初期支護。在人工無法開挖，確須爆破施工時，重點控制裝藥量，采取松動爆破，減少對周圍圍巖的擾動。隧道開挖時，要求施工淺孔爆破分部開挖，400m范圍內安全震動速度控制在1.2cm/s，相當于Ⅵ級以下地震烈度。

3.2.2 鋼支撐支護施工 三線大跨Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖施工中，鋼支撐支護是主要的受力結構，是控制圍巖及初期支護變形的關鍵工序。特別是在三臺階法施工中，確保鋼支撐施工質量是關鍵。

在本隧道施工中通過測量放樣定位，將鋼架按標準間距垂直架立的前提下，同時每個拱腳下墊48a型槽鋼墊板，采用φ42的鋼管每處拱腳施工至少2組鎖腳鋼管并注漿等方法，確保了鋼支撐施工質量，取得了很好的效果。施工控制鋼拱架受力情況的薄弱環節在于節點聯結螺栓，定位錨桿及縱向連結筋，因此，所有螺栓要上齊，旋緊、擰好，按設計焊連定位錨桿和縱向連接筋，確保安裝質量。

3.2.3 超前支護施工 崗頭隧道設計Ⅳ級圍巖超前支護采用Φ28超前錨桿支護，Ⅴ級圍巖采用φ42熱軋無縫鋼管超前小導管支護。按照傳統的先注漿待漿液強度達到設計要求再進行開挖，勢必增加工序循環作業時間，影響工程進度。由于工期緊，要求循環作業時間短，這就要求對各工序的作業方法提出改進。在施工中通過采用加密小導管間距，先施工超前小導管，待開挖、錨、噴、網支護完成后再進行注漿的方法，在確保開挖成型和施工質量的同時，也縮短了超前小導管支護工序的作業時間，加快了施工進度。超前支護施工控制的重點在于導管(錨桿)的方向和角度的控制，因此，鉆眼時應垂直于掘進方向施鉆，同時控制導管(錨桿)上仰角度在5～10°，以控制開挖成型質量，減少超挖工程量，減少噴射混凝土支護循環作業時間。

3.2.4 噴射混凝土施工 噴射機安裝調試后先注水后通風，清通機筒及管路投料。連續喂料，經常保持料斗內料滿，料斗上設12mm孔徑的篩網一道，避免超徑骨料進入機內，造成堵管。噴射時，先注水(注意噴嘴要朝下，避免水流入輸料管)，后送風，然后上料，根據受噴面和噴出的拌和物情況調整注水量，以噴后易粘著，回彈小和表面呈濕潤光澤為度。噴射順序:采取分段、分塊，先墻后拱，自下布上的順序，進行噴射作業。噴射時，噴嘴做緩慢的螺旋形運動，使噴射料束運動軌跡呈環形螺旋式移動，旋轉直徑約20～30cm，自噴射面的下部開始，水平旋轉噴射，噴料要一圈壓半圈，噴至段尾時上移返回，同時要求一排壓排，如此往復噴射。

為保證噴射砼密實度，減少回彈量，對于風壓、水壓及噴頭的噴射距離、噴射角度都應合理調整。噴嘴至受噴面距離以0.6～1.0m為宜，料束以垂直于噴射面為佳。噴射料束放置速度及一次噴射厚度，以每2秒左右轉動一圈為宜，一次噴厚以不回落時的臨界厚度或達到設計要求厚度時向前移動，每次噴射厚度一般不小于5cm。若噴射要求厚度較大，一次不能達到時，第二次噴射應在第一層砼終凝1小時后進行。兩次噴射注意找平巖面，以便于鋪設防水層。

3.2.5 錨桿施工 開挖后先進行第一層噴射砼施工，待該層砼終凝并形成一定強度后，按設計要求布置錨桿，用紅油漆標示清楚位置后利用開挖臺架進行錨桿鉆孔。鉆孔完成后將制作好的錨桿插入孔內至設計深度，安好墊板及螺帽，并安裝止漿塞。注漿采用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，并隨時排除孔中空氣，保證錨桿砂漿飽滿。

3.2.6 鋼筋網施工 按設計要求加工鋼筋網，隨受噴面起伏鋪設，并將鋼筋網同定位錨桿固定牢固，鋼筋網與受噴面的間隙以3cm左右為宜，砼保護層厚度應大于2cm。

3.2.7 監控量測 監控量測的項目主要根據隧道工程的地質條件、圍巖類別、跨度、埋深、開挖方法和支護類型等綜合確定。而且，在隧道工程中進行量測，絕不是單純地為了獲取信息，而是把它作為施工管理的一個積極有效的手段，因此量測信息應能確切地預報破壞和變形等未來的動態，對設計參數和施工流程加以監控，以便及時掌握圍巖動態而采取適當的措施。結合施家梁隧道的實際情況，將地質與初期支護觀察、水平凈空收斂量測、拱頂下沉量測作為施工監控量測項目。

3.2.8 超前地質預報 隧道超前地質預報是保證圍巖地質、水文條件復雜、地下水較豐富的隧道正常施工的重要前提。通過對掌子面附近不利地質條件的不斷查明，以便為針對性措施和有效施工方案的確定提供依據，并最終實現隧道施工的動態信息化和長期安全。結合崗頭隧道的實際情況，通過地質鉆探、超前探孔、地質雷達、TSP等預報方式相結合，為隧道快速掘進提供了重要的技術保障。

4 結束語

通過以上技術措施的保證，崗頭隧道在Ⅴ級軟弱圍巖施工中月進度最高達110m，平均月進度達90m。目前隨著城市環城高速建設的熱潮，三線大跨公路隧道正在建設的不少，并逐漸積累了豐富的經驗。本文結合崗頭隧道設計，對三線大斷面公路隧道快速掘進施工方案進行了淺討，為今后大斷面公路隧道的施工積累了經驗。但對這樣的大斷面隧道，施工中尚存在許多技術問題有待研究，例如隧道斷面形狀的優化、支護參數的合理確定、開挖方法的正確選擇以及新技術、新材料的應用等，還需要進一步系統研究。隧道施工過程中，必須認真進行現場監控量測和超前地質預報工作，通過現場量測及時掌握圍巖和支護結構的動態，以實現結構支護參數和施工方案的動態優化，通過超前地質預報，有針對性的采取有效的施工措施，實現隧道施工的動態信息化。

參考文獻:

[1]JTJ042-94.公路隧道施工規范[S].