淺談箬嶺隧道特殊地質條件開挖施工技術

沈偉

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

1 工程概況

衢常鐵路箬嶺隧道位于常山縣城以北約4km處，隧道線路里程為新建衢常鐵路GDK35+120～GDK35+730，設計范圍全長610m，洞身段全長595m，隧道進口位于直線上，出口位于2000m圓曲線上，最大埋深56m，最小埋深8m（上面是等級公路），全隧道位于3‰的下坡段。隧道洞身最大開挖斷面67.64m2，最大開挖高度10.08m，最大開挖寬度7.92m。

隧道測區內主要有寒武系泥巖、炭質頁巖、條帶狀泥灰巖、灰巖、炭質硅質巖、硅質巖地層及奧陶系下統泥巖、泥灰巖、灰巖等。第四系殘坡積層廣泛分布在緩坡地段，沖洪積層主要零星分布在溝谷洼地中。隧道測區未發現區域性大斷裂，地質構造簡單；但隧道軸線局部段落仍具一定規模的斷層和節理密集帶，主要有F1、F2、F3、F4斷層。基巖裂隙水發育，采空區及灰巖溶洞裂隙水，具備一定的儲水空間。

2 隧道開挖支護施工

由于箬嶺隧道的開挖主要以V類圍巖的開挖最長且最為復雜和困難，因此本文主要介紹V類圍巖的開挖支護施工；同時，施工過程中，為了搶進度，采用兩頭同時掘進，由于該隧道進口處于淺埋偏壓段，出口隧底存在軟基流塑，因此，有必要對該隧道進、出口采用特殊的進洞方案。

2.1 隧道進洞方案

為保證施工安全，隧道采取早進晚出的進洞方案，即洞門修建應盡量避免對山體的擾動，并且盡可能減少邊仰坡刷坡范圍。隧道邊仰坡開挖完成后不宜長時間暴露在空氣中，應盡早進行洞天溝及排水溝施工，并及時進行臨時支護。

2.1.1 箬嶺隧道進口進洞方案

由于箬嶺隧道進口處于淺埋偏壓段，洞口段地質情況為上土下石，下部為呈62°后仰的順層頁巖，表面光滑，易形成滑動面，軟弱圍巖承載力低、穩定性差，易發生坍方，再加上處于偏壓、淺埋段，因此，如何對圍巖進行預加固和消除偏壓對隧道施工的影響成為關鍵。為此，箬嶺隧道進口洞口施工采取了套拱、超前長管棚等輔助施工措施，確保了施工安全。

（1）套拱施工。超前大管棚施工采用套拱進行導向，同時借助混凝土套拱穩定仰坡面山體。套拱結構如圖1所示。

圖1 管棚混凝土套拱結構示意圖

套拱施工時，先安裝①、②號Ⅰ14型鋼鋼架，鋼架外表面的連線坡度與管棚的外插角一致。經環向各點量測滿足要求后，固定①、②號型鋼。在①、②號型鋼上標注Φ127×6mm導向鋼管的位置，逐根焊接于鋼架上固定。然后安裝內、外側其它型鋼鋼架，內、外層鋼架采用鋼筋焊接，立模澆筑套拱混凝土。套拱混凝土達到100%強度時，方可實施管棚鉆孔工作。

（2）超前大管棚施工。超前大管棚設在拱部設計范圍內，采用Φ108×6mm的無縫鋼管制作，管棚長（30～40）m，管棚中心距開挖輪廓線約30cm，環距為30cm，共打設31根。為確保支護質量，外插角按1°～3°控制。大管棚用管棚鉆機鉆孔，成孔直徑為Φ127mm，為保證成孔質量，防止鄰孔鉆進時前面的成孔坍塌，鉆孔間隔進行。

大管棚注漿用水泥漿液水灰比為0.5∶1～1∶1。每根管的注漿結束與否，不是以時間來判斷，而是以注漿壓力來控制，當注漿壓力持續升高，接近或達到注漿預定壓力時，該管注漿才可結束。注漿初壓（0.5～1.0）MPa，終壓（2～2.5）MPa。注漿結束后用10號水泥砂漿充填管棚鋼管，增強鋼管的強度和剛度。

2.1.2 箬嶺隧道出口進洞方案

箬嶺隧道出口根據地質補勘以及2006年6月11日進行的地表高密度電法地質超前預報揭示，箬嶺隧道出口隧底存在大的溶洞并有流塑填充物，下伏弱風化灰巖，節理裂縫發育，溶蝕現象發育。以上正是造成隧道出口邊坡開裂直至跨塌的直接和主要原因。在綜合考慮了以上不良地質因素后，隧道出口最終采用了明洞進洞方案，在明洞施工前對左側邊坡采用鋼管樁及鋼筋塊石籠擋墻進行加固，并對軟基進行處理。

2.2 Ⅴ級圍巖施工

本工程進口段Ⅴ級圍巖拱頂為土層，下伏基巖；出口段Ⅴ級圍巖則為全斷面土洞。為了預防在土層中開挖隧道的大變形和坍塌問題，采用環形開挖留核心土法，實施短開挖，快循環來減少對土體的擾動，結合噴射混凝土及時封閉開挖面，用超前小導管、鋼拱支撐、掛網、錨桿等來加強土體強度及限制圍巖應力重新分布。

中間段V類圍巖多為破碎劣質圍巖，屬散體結構，巖石自穩時間短，而隧道開挖斷面大，容易產生塌方現象，因此在施工中，采用分層分區進行開挖，并嚴格按照“早預報、先治水、超前支護、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測、平面多循環、立體多層次”的原則組織施工。

2.2.1 開挖施工

V類圍巖的開挖分3層進行，Ⅰ層開挖高度為3.3m，ⅠⅠ層開挖高度為2.83m，Ⅲ層開挖高度為4.959m，采用自上而下的施工方式。

各層的開挖施工方法如下：

（1）Ⅰ層開挖。開挖高度3.3m，采用留核心土的方法，先開挖頂拱，再開挖兩邊，最后開挖中間部分。Ⅰ層開挖采用風鎬配人工挖土，局部遇到堅石時，為減少對周邊圍巖的擾動，采用弱爆破將堅石震裂后用風鎬開挖，每次開挖進尺控制在（0.5～0.8）m范圍內，拱項支護完后，再進行兩邊的開挖。兩邊部分的開挖分兩序進行，先開挖其中一邊，支護好后再開挖另一邊，兩邊盡量錯開開挖。兩邊開挖完后，再進行中間核心士的開挖，核心部分可滯后3～4個循環開挖。

（2）Ⅱ、ⅠⅠ層的開挖。對于土質隧道段，隧道兩側邊、仰拱采用跳槽法施工，間距1.5m。具體施工步驟為：先進行兩側邊拱豎井的開挖，施工過程中加強基坑護壁，然后將邊拱鋼架與上導坑鋼架接好，并安裝臨時仰拱。接著采用PC200液壓挖掘機拉中槽，待將仰拱鋼架封閉成環后，才能將臨時仰拱拆除，開挖進尺根據圍巖穩定性確定為l～2榀鋼格柵的間距，即（0.5～1.0）m。

2.2.2 Ⅴ級圍巖支護措施

（1）超前支護。采用超前小導管，開挖前將小導管打入掌子面拱圈中，通過灌漿將松散巖石結成一個受力拱圈。導管孔布置于設計開挖線外側，距設汁線（10～25）cm、環向間距30cm、小導管上仰角度10°～15°，小導管采用Φ42的無縫鋼管加工而成，導管頂部加工成錐形，管壁按梅花型布鉆小孔，孔眼直徑Φ（6～8）mm，間距為（20～30）cm，安裝采用手風鉆將小導管送入孔內。導管安裝好后，立即噴（7～10）cm厚的混凝土，將開挖面及掌子面邊頂拱封閉，防止漿液從導管周圍滲出。小導管注漿壓力為（0.2～0.3）MPa，水泥漿的水灰比l∶1，為了使導管灌漿后盡快產生強度，在漿液中加入水玻璃等外加劑。注漿時先注無水孔，后注有水孔。注漿完后，孔口設止漿搴，防止漿液倒流。小導管與鋼格柵聯合施工，其外露端置于鋼（格柵）拱架之上并焊接成整體。

（2）加強支護。導流洞加強支護措施為鋼格柵支撐加掛網噴混凝土或型鋼支撐加掛網噴混凝土。格柵支撐由4根Φ22的螺紋鋼筋加工而成，斷面為邊長20cm×15 cm的矩形，鋼格柵可根據開挖措施進行分段加工制作，段與段之間設連接板。型鋼支撐由Ⅰ20a的工字鋼焊接而成。鋼支撐安裝好后，每兩榀之間焊Φ25的聯系鋼筋，并掛Φ6.5的鋼筋網片，然后噴混凝土覆蓋鋼支撐。由于型鋼支撐采用的是機械一次成型法，加工簡單，運輸輕便，安裝靈活，在V類圍巖的支護中大量采用，缺點是與混凝土的結合不如格柵鋼架。

3 隧道超前地質預報及不良地質情況處理

3.1 地質超前預報在本工程中的應用簡介

3.1.1 物探方法

我們與中南大學建設工程檢測技術有限公司合作,利用現有探測設備，根據需要，對特殊地質地段采用TSP203及地質雷達等方法進行探測，判斷開挖面前方一定范圍內的地質變化情況。以下對現場探測情況簡述如下。

（1）TPS203地震波勘探。

TSP203(地震波勘探)是隧道掘進過程中長期超前地質預報主要的方法和技術手段，通過TSP203進行中長距離（掌子面前方100m～150m）預報，主要對不良地質體的位置、規模、性質作較為詳細的預報，預報圍巖級別和地下水情況。

2006年12月8日我們對GDK35+554～GDK35+452區段進行了TSP203超前地質預報。與其它反射地震波方法一樣，TSP203超前地質預報系統采用了回聲測量原理。地震波在指定的震源點用小藥量激發產生。地震波在巖石中以球面波形式傳播。當地震波遇到巖石物性界面（即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號折射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。反射信號的旅行時間和反射界面的距離成正比，故而能提供一種直接的測量。

TSP203超前地質預報系統的現場布置及測試過程由一系列炮點、兩個三維接收傳感器、接收機及數據處理系統組成，本次探測采用瑞士安伯格測量技術有限公司TSP203超前地質預報設備。TSP203現場布設情況見圖2。

圖2 TSP203現場布設圖

根據TSP203探測結果，檢波器前方102m范圍內，圍巖縱波平均速度為（2500～5423）m/s，密度為（2.51～2.71）g/cm3，泊松比為0.2～0.35。探測結果表明GDK35+554～GDK35+452預報段內，巖性為弱風化灰巖，其中GDK35+ 554～543、GDK35+487～GDK35+468溶洞發育，粘土充填，含水，圍巖級別為Ⅴ級，可能造成較大的突泥現象發生，須加強預防措施。

（2）高密度電法。

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，其工作原理與常規電法一致，以巖土介質的導電性差異為基礎，通過觀測和研究人工建立的地下穩定電流場的分布規律從而來解決地下地質問題。野外測量時只需將全部電極（幾十至上百根）置于測點上，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集。

本工程根據設計前期地質勘探結果以及出口實際開挖揭露出來的情況，箬嶺隧道出口及常新公路下部隧道范圍均可能存在溶洞，故決定對箬嶺隧道出口及常新公路下部隧道范圍內地質情況作進一步的明確，具體測線布設見圖3。

圖3 箬嶺隧道高密度電法物探解釋投影圖

根據高密度電法探測結果顯示，在箬嶺隧道出口及常新公路下部隧道范圍均明顯存在低阻區，據判斷是溶洞的可能性極大，這與最終實際開挖后揭示的地質情況完全符合。

（3）地質雷達。

地質雷達是短期超前地質預報的主要方法，可對掌子面前方30m左右范圍的地質情況作更準確的預報，以發現周邊可能存在的不良地質，以便及時處理，免除后患。地質雷達工作原理是發射天線向隧道掌子面前方發射電磁波信號（106Hz～109Hz），在電磁波向掌子面前方傳播的過程中，當遇到電性差異的目標體（如空洞、裂隙、巖溶等）時，電磁波便發生反射，由接收天線接收反射波。實際上，電磁波在介質界面產生反射就是因為兩側介質的介電常數不同，差異越大反射信號越強烈，反之反射信號越差。

本工程探測儀器采用瑞典MALA公司生產的RAMAC／GPR型地質雷達。圖4為箬嶺隧道DK35+600現場采集的雷達數據，從圖上可以看出，在掌子面前上方（3～5）m處有一處異常。結合現場分析，這是巖溶發育或裂隙發生的初步特征，可能富含水。

3.1.2 超前地質鉆孔

開挖時利用開挖鉆機，在掌子面均勻布設5～8個（5～8）m的超前鉆孔，主要驗證不良地質體的發育范圍、地下水水量、水壓等地質參數，可以避免掌子面方向出現突發性坍塌、突泥、涌水涌沙事故的發生。遇有異常時可加密鉆孔，結合預測結果，可加密鉆孔或加長鉆孔，鉆孔布置應針對物探異常進行調整。超前鉆孔應安設孔口管及高壓閘閥，確保超前鉆孔涌出高壓地下水時，能夠有效地控制；對于含煤地層地段必須采用水循環鉆，嚴禁干鉆。

圖4 雷達剖面圖

在實際施工過程中，超前地質鉆孔往往起到了很好的作用，特別是對預防突水突泥事件的發生在本工程中得到了很好的應用。

3.2 特殊地質段隧道施工方案

3.2.1 隧道出口段軟基處理

箬嶺隧道出口根據2006年6月11日進行的地表高密度電法，揭示箬嶺隧道出口段地質條件與原設計相比有大的變化，其隧底存在大的溶洞并有流塑填充物，下伏弱風化灰巖，節理裂縫發育，溶蝕現象發育。

針對以上情況，除了在隧道出口采用明洞進洞方案外，并先行對軟基進行了處理，其主要方案為：對于DK35+701～716右側及DK35+701～706左側采用挖除軟基，基底承載力滿足400kPa后回填C15片石混凝土至隧底高程；其余部位基底先從仰拱充填頂部設計高程下挖3 m（即仰拱底部下挖1.8m），然后插鋼管樁，再利用鋼管樁進行高壓固結注漿，最后進行仰拱混凝土的澆筑及明洞的施工。

3.2.2 淺埋小煤窯采空區段處理

2007年2月23日，箬嶺隧道進口在DK35+420處進入第2個大的淺埋小煤窯采空區，由于采空區年代已久，地表早已塌陷，此次進入后上導掌子面松散體填充物突出并帶動拱部松散體填充物塌陷，于拱頂左側形成一個通天豎井。

對此處理:首先采用人工清邦除險；隨后按設計圖紙利用臺車進行鋼架支護；鋼架支護完成后，在拱頂左右各預埋若干根混凝土輸送管、排氣管、吹砂管等；然后在洞內承重架的支撐下進行鋼架外圍護拱混凝土澆筑，護拱混凝土厚度不小于2m；待護拱混凝土強度達到75%左右后，再在其上吹（2～3）m厚的砂墊層；最后回填石碴填平至原地面。

3.2.3 大型溶洞帷幕注漿處理

根據TSP地震波探測儀預報結果，箬嶺隧道DK35+ 480～DK35+505段存在溶洞，且含流塑填充物，為確保隧道施工期與運行期安全，防止突水突泥，擬對該段隧道進行洞內分段帷幕注漿加固處理。

由于本工程具有地下水流動性強、需對土體進行永久加固等特殊要求，注漿漿液采用普通水泥漿以及可調的TGRM特種水泥漿，TGRM水泥漿按占水泥總量的60%計量，現場根據實際圍巖情況調整。TGRM特種水泥漿具有強度高、流動性好、微膨脹性、抗分散性、耐久性、環保性等特點，能夠滿足本工程的需要。根據工程需要及注漿材料的特性，通過現場實驗，TGRM單液漿配合比確定為W/C=0.8∶1。注漿采取“定壓、定量”雙控制的原則。每段注漿壓力控制在0.5MPa，采取低壓力緩慢注漿，以保證漿液能充分擴散。在注漿過程中如果出現壓力達不到設計要求，跑漿、串漿等嚴重的問題，可采取換孔作業，待漿液略微初凝后再補注。注漿終止標準為達到每孔注漿量80%，終壓后持續（3～5）min。

為防止注漿時地下水涌出作業面及跑漿，在注漿地段起始處的掌子面采用5m厚C20混凝土墻作為止水、止漿墻。以后的各注漿循環段采用預留5.0m長止漿巖盤，并根據掌子面圍巖情況，選擇素噴C20混凝土或打錨桿掛網片噴射C20混凝土全封閉的措施。

4 現場變形監測及其控制措施

4.1 圍巖變形監測

V類圍巖段洞室共布置4個觀測斷面，觀測斷面收斂測樁安裝在洞頂、左右兩側的拱頂起拱點和腰線位置。洞頂測點反映垂直位移、拱座和腰線處測點反映水平位移。同時在隧道進、出口及隧道中部上跨公路路面均布置有若干地表沉降觀測點。主要變形明顯段的表現形式有：

DK35+710～DK35+713段拱頂及側拱噴混凝上龜裂，并且存在環向貫通裂縫，裂縫寬度達（2～3）mm，局部掉塊嚴重。

隧道出口仰坡地表沉降觀測最大沉降達12mm，地表開裂最大30mm，深度達1m以上。

4.2 圍巖穩定控制措施

拱頂及側拱變形控制：對于噴混凝土與圍巖面存在空腔的部位采取回填灌漿，灌漿壓力控制在 （0.1～0.15）MPa；DK35+700～DK35+720段拱頂及側拱每榀鋼拱架兩側各增設6～12根鎖腳中空注漿錨桿，長度6m，以提高拱圈與圍巖的自承能力；施工過程中，嚴格按設計要求支護，嚴把施工質量關，并對隧道開挖進行合理分層，減小開挖支護循環進尺，及時封閉成環，同時在下導開挖過程增加Ⅰ16a臨時仰拱或對撐，改善側拱受力狀態；對掉塊開裂部位進行混凝士補噴加厚；在進行緊臨斷面的爆破施工時，嚴格控制爆孔裝藥量和爆破震動，減少對保留體的擾動。通過一系列的處理措施，整個拱頂部位垂直、水平位移基本處于平緩狀態，其數據波動較小。

5 結 語

（1）開挖要嚴格遵循“先預報、超前支護、短進尺、控爆破、早支護、快封閉、勤量測”的原則。及時監控量測圍巖，觀察拱頂，拱腳的收劍情況，據此調整初期支護參數。

（2）地下水對隧道施工的危害極大，首先做好洞頂、洞門及洞口的防排水系統工程，并妥善處理好陷穴、裂縫，以免地面積水浸蝕洞體周圍，造成土體坍塌。洞內裂隙滲水及施工用水要及時引排至洞外排水溝，不能有積水浸泡隧底。

（3）施工中，應將超前支護與錨噴支護緊密結合，大管棚、超前小導管均應與型鋼鋼架聯接成整體，才能發揮更好地聯合支護作用。

（4）要保證立拱質量。拱架要注意螺栓松緊程度；要重視鎖腳錨桿、環向系統錨桿與拱架的連接，最好是采用“L”形鋼筋與拱架包焊，以充分發揮環向系統錨桿橫向挑梁的作用和鎖腳錨桿加固拱腳的作用，使初期支護與圍巖形成完整體系；要加強拱架和縱向連接筋的焊接質量，以使拱架縱向連成整體。

（5）施工過程中加強“兩個超前”是必須的也是至關重要的，“兩個超前”即超前鉆孔與超前小導管，每開挖循環在掌子面均勻布設5～8個（5～8）m加長風鉆鉆孔是灰巖地區較好的預報手段，應堅決執行。

（6）對于小型溶洞在實踐中采用密集小管棚結合“短進尺、弱爆破、強支護”證明是可行的，也是比較安全經濟的處理方案。