白云隧道深埋高應(yīng)力段施工技術(shù)

何興國(guó)，韓國(guó)令

(中鐵隧道股份有限公司 河南鄭州 450001)

隨著我國(guó)綜合國(guó)力及科技水平的日益提高，深埋長(zhǎng)大隧道作為陸路交通、海峽通道、水利水電及跨流域調(diào)水等大型土木工程建設(shè)項(xiàng)目中的重要結(jié)構(gòu)物，在克服高山峽谷等地形障礙、縮短空間距離及改善線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)質(zhì)量等方面具有不可替代的作用。但長(zhǎng)大深埋隧道往往工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，尤其在深埋隧道往往會(huì)存在高應(yīng)力巖爆和高應(yīng)力軟巖地段。本文通過(guò)白云隧道施工的具體事例剖析深埋高應(yīng)力巖爆和高應(yīng)力軟巖段落的機(jī)理及施工控制技術(shù)。

1 白云隧道高應(yīng)力段落巖爆和軟弱圍巖變形簡(jiǎn)述

白云隧道全長(zhǎng)7120m，最大埋深800m，其工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，集高水壓、巖溶及地下涌突水（泥）、高地應(yīng)力(巖爆與軟弱圍巖變形)、斷層破碎帶、有害氣體等于一體。白云隧道左線(xiàn)ZK48+450～ZK48+330、右線(xiàn)K48+424～K48+360段，圍巖為薄層狀硬質(zhì)灰?guī)r，施工過(guò)程中發(fā)生巖爆，硬脆性圍巖產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲的現(xiàn)象，初期支護(hù)混凝土也出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂剝落現(xiàn)象。白云隧道左線(xiàn)在ZK48+622～ZK48+521、 右線(xiàn)在K48+610～K48+492段施工時(shí)，圍巖挖開(kāi)為泥質(zhì)灰?guī)r，穩(wěn)定性差，尤其是拱部出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象，特別是在高應(yīng)力的作用下，變形較為嚴(yán)重。

2 深埋高應(yīng)力段巖爆機(jī)理及其施工技術(shù)

巖爆是一種極為復(fù)雜的動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，迄今為止，人們對(duì)其形成機(jī)理還無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。“巖爆的產(chǎn)生需要具備兩方面的條件：高儲(chǔ)能體的存在，且其應(yīng)力接近巖體強(qiáng)度是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因；某些附加荷載的觸發(fā)是其產(chǎn)生的外因”，這是目前對(duì)巖爆機(jī)理給出的最為清晰的概述。對(duì)機(jī)理的另一種說(shuō)法是，處于高地應(yīng)力環(huán)境中的結(jié)構(gòu)完整的硬脆性圍巖，在隧道開(kāi)挖后，切應(yīng)力（σθ）達(dá)到或接近圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度（UCS），在其它因素的誘發(fā)下，圍巖便以巖爆的形式失穩(wěn)，這可以被總結(jié)為巖爆形成機(jī)理的靜荷載（靜力學(xué)）理論，是廣泛采用的巖爆預(yù)測(cè)依據(jù)——σθ/UCS的理論依據(jù)，其主要表現(xiàn)在地下工程開(kāi)挖過(guò)程中硬脆性圍巖產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。它直接威脅施工人員及設(shè)備安全，影響工程進(jìn)度，已成為世界性的地下工程難題之一。

白云隧道主要采取以下施工措施處置左線(xiàn)ZK48+450～ZK48+330、右線(xiàn)K48+424～K48+360段的圍巖巖爆，以確保施工進(jìn)度和施工安全。

（1）爆破后通風(fēng)排煙，立即向工作面及附近洞壁巖體噴灑高壓水，以降低巖體強(qiáng)度，增強(qiáng)塑性，減弱巖體的脆性，降低巖爆的劇烈程度，同時(shí)可以起到降溫除塵的作用。也可利用炮孔和錨桿孔向巖體深處注水，以取得更佳效果。

（2）用MDK-5超前鉆機(jī)在掌子面施做準(zhǔn)75超前鉆孔，進(jìn)行應(yīng)力解除。

（3）及時(shí)施作錨噴柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是使用許多小跨度的雙曲鋼筋網(wǎng)殼分片包圍噴射混凝土，鋼筋網(wǎng)殼的巧曲應(yīng)力與噴射混凝土的剪應(yīng)力相互削弱，因此這種支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的承載和可縮性能。其中最為突出的一點(diǎn)就是使隧道內(nèi)的圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)化為網(wǎng)殼的張應(yīng)力，隧道二次襯砌基本不承受荷載。具體的施工工序如下：

隧道開(kāi)挖→在工作面施噴30mm～50mm厚混凝土→施作錨桿→安裝鋼筋網(wǎng)→噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度→施作防排水設(shè)施→施作二次襯砌。

在施工中，最為關(guān)鍵的工序就是錨桿的施作問(wèn)題，鋼筋網(wǎng)的受力支撐點(diǎn)就是錨桿，所以將錨桿的間距控制在100cm×100cm，確保隧道圍巖的穩(wěn)定性。

（4）合理的施工方法:白云隧道采取“短進(jìn)尺、弱爆破”，并嚴(yán)格控制炮眼利用率，以降低巖爆的發(fā)生頻率。

3 深埋高應(yīng)力段落隧道圍巖變形機(jī)理及其施工技術(shù)

1946年，Terzaghi首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念。擠出性巖石是指侵入隧道（開(kāi)挖輪廓面）后沒(méi)有明顯體積變化的巖石，發(fā)生擠出的先決條件是巖石中含有高含量的微觀(guān)、亞微觀(guān)云母狀礦物顆粒或低膨脹能力的粘土礦物；膨脹性巖石則是指主要由于膨脹作用而侵入隧道的巖石。受到Terzaghi思想的影響，人們一般把大變形機(jī)制分為以下兩大類(lèi)：

一是開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖強(qiáng)度，圍巖因塑性化而產(chǎn)生大變形。如果介質(zhì)變形緩慢，就屬擠出；如果變形是立刻發(fā)生的，就是巖爆。

二是圍巖中的某些礦物和水反應(yīng)，而發(fā)生膨脹導(dǎo)致大變形。水及某些膨脹性礦物的存在，對(duì)于膨脹變形是必須的。

白云隧道施工過(guò)程中主要采取如下施工措施處置左線(xiàn)ZK48+622～ZK48+521、 右線(xiàn)K48+610～K48+492深埋高應(yīng)力段落圍巖變形，來(lái)確保施工進(jìn)度和施工安全。

3.1 采用Ⅰ16工字鋼構(gòu)筑安全施工空間

采用Ⅰ16工字鋼作為承載圈，工字鋼間距@80cm，形成初期支護(hù)系統(tǒng)，以便較均勻地分散圍巖應(yīng)力，而不易產(chǎn)生局部變形破壞，使產(chǎn)生變形的松動(dòng)圈得到控制，而不會(huì)迅速擴(kuò)大。

3.2 準(zhǔn)42 超前小導(dǎo)管及準(zhǔn)22組合注漿錨桿加固圍巖縮小松動(dòng)圈

深埋高地應(yīng)力及軟弱圍巖是隧道產(chǎn)生大變形的內(nèi)在原因，盡管地應(yīng)力是無(wú)法改變的，但可采取措施加強(qiáng)圍巖，改善圍巖條件。對(duì)高應(yīng)力軟弱圍巖采用5m長(zhǎng)的準(zhǔn)42超前注漿小導(dǎo)管和3.5 m長(zhǎng)的準(zhǔn)22組合注漿錨桿，準(zhǔn)42超前小導(dǎo)管注入水泥-水玻璃雙液漿、準(zhǔn)22組合錨桿注入30#水泥漿，以0.5～1.5MPa注漿壓力，將漿液壓入地層中，從而在管錨體周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)形成一個(gè)固結(jié)圈，改善軟巖的整體性，提高圍巖的自穩(wěn)能力。

3.3 加大預(yù)留變形量

軟弱圍巖隧道一般都可能發(fā)生大變形，在確定開(kāi)挖輪廓時(shí)必須預(yù)留足夠的變形量，并掌握“寧超勿欠”的原則，防止變形后的初期支護(hù)侵入二次襯砌凈空。施工時(shí)預(yù)留30cm的變形量，能夠較大幅度地釋放深埋高地應(yīng)力條件下的圍巖擠入變形，減少作用在二次襯砌上的地應(yīng)力荷載，有利于隧道結(jié)構(gòu)安全。

3.4 柔性初支及剛性鋼筋混凝土二襯先柔后剛先放后抗

“先柔后剛”是指支護(hù)結(jié)構(gòu)，即初期支護(hù)是柔性的，由鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、高強(qiáng)度剛架和超前小導(dǎo)管及錨桿構(gòu)成；而二次襯砌則是剛性的，由模注鋼筋混凝土組成，承受地層殘余形變壓力。“先放后抗”是指采用柔性初期支護(hù)，允許圍巖有一定程度的變形，釋放圍巖應(yīng)力，待初期支護(hù)與圍巖穩(wěn)定之后，采用剛性二次襯砌，抵抗圍巖的過(guò)度變形，保證圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

3.5 開(kāi)挖減震爆破或不爆破控?cái)_動(dòng)

在開(kāi)挖時(shí)，采用微震動(dòng)爆破或不爆破開(kāi)挖，以盡可能減少施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，從而控制圍巖松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)展。

3.6 增設(shè)底部仰拱支護(hù)為鋼筋混凝土，防止底板隆起

3.7 “三快”施工工序保安全

在產(chǎn)生較大變形地段，在施工早期，要快速提供大剛度的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，要快速形成支護(hù)體系，要快速形成支護(hù)強(qiáng)度，才能克服高應(yīng)力軟巖初期變形迅猛、后期變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。只有如此，才能為深埋高應(yīng)力軟巖隧道的快速掘進(jìn)提供有力保證。

3.8 勤量測(cè)

深埋軟巖地段必須加大監(jiān)控量測(cè)力度，為施工和結(jié)構(gòu)安全提供可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)為施工決策提供有力依據(jù)。

4 結(jié)論和建議

（1）圍巖巖爆雖然是一種令人生畏、成因復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害，但是它的發(fā)生還是有一定的規(guī)律的，只要加強(qiáng)對(duì)巖爆的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，在施工過(guò)程中采用合適的施工措施，就可以把其危害降到最小。

（2）防止軟巖變形的設(shè)計(jì)理念與施工原則

深埋高應(yīng)力條件下的軟弱圍巖隧道應(yīng)貫徹“以柔克剛”的設(shè)計(jì)理念及“加固圍巖、控制變形、先柔后剛、先放后抗、變形留夠、防侵凈空、底部加強(qiáng)、抑制隆起”的施工原則。

（3）加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和圍巖監(jiān)控量測(cè)工作

長(zhǎng)大深埋隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工過(guò)程中不可預(yù)見(jiàn)因素較多，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有普遍性，因此進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和圍巖監(jiān)控量測(cè)工作非常必要。白云隧道在施工過(guò)程中，堅(jiān)持采用TSP203探測(cè)儀進(jìn)行遠(yuǎn)程（150～200m）宏觀(guān)的地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合DK-5型超前水平鉆機(jī)近距離（30～60m）微觀(guān)驗(yàn)證的方式對(duì)掌子面前方的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，在過(guò)程中堅(jiān)持對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)調(diào)整施工措施和支護(hù)參數(shù)，有效地保證了隧道按期優(yōu)質(zhì)安全建成。

參考資料：

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