特殊地質隧道的施工技術

趙小明

1 工程概況

忻阜高速公路S合同段的火焰山隧道,左線長2 137 m,右線長2 158 m,出口的兩個洞口在施工到約300 m的地方,地質發生了很大變化,其地質變化頻繁,以強風化灰巖和黃土夾特大孤石這兩種地質為主且常會出現溶洞,溶洞內地質為黃土夾特大孤石,黃土含水量很大,孤石與黃土之間無粘結力。

2 軟弱圍巖的施工方法

2.1 一般軟弱圍巖的施工方法

隧道出現一般的Ⅳ級,Ⅴ級圍巖時,采用三臺階七步開挖法開挖。“三臺階七步開挖法”,以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式,分上、中、下三個臺階七個開挖面,各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。

第1步:施作超前支護后,開挖弧形導坑,預留核心土,施作拱部初期支護。第2,3步:開挖左右側中臺階并施作初期支護。第4,5步:開挖左右側下臺階并施作初期支護。第6步:分別開挖上、中、下臺階核心土。第7步:開挖仰拱并施作初期支護封閉成環。

采用“三臺階七步開挖法”施工,可以合理的分解隧道結構承受的圍巖壓力,減少隧道沉降,達到安全、高效施工的目的。

2.2 洞身圍巖差,但隧底圍巖好的地質條件下的施工方法

在火焰山隧道的施工過程中,出現了洞身為強風化灰巖但底板及底板以上1 m多的位置為微風化灰巖的這種地質情況。按照設計圖紙來判定這種地質情況應該按照Ⅴ級來施工,按照Ⅴ級來施工就要施作仰拱,對隧底圍巖造成擾動,對隧道的受力不好。經過業主、設計、監理、施工四家共同研究決定采用Ⅳ級加強(不設仰拱)的支護參數。開挖采用“三臺階七步開挖法”,初期支護參數如下:φ 25超前錨桿,4.7 m長,環向間距0.5 m,21根;Ⅰ14工字鋼支撐,縱向間距1.0 m;φ 25自鉆式錨桿和φ 25全長藥包錨桿,長度3.0 m,間距1.0 m ×1.0 m;φ 8鋼筋網,網格間距25 cm×25 cm,全斷面掛設;噴混凝土,25 cm厚C25混凝土;襯砌混凝土,C25混凝土40 cm厚。

這樣不僅保證了施工安全和施工質量,也提高了施工進度。

3 隧道通過溶洞時的施工方法

3.1 對是否出現溶洞做出預測

1)使用TGP206型隧道地質超前預報系統對掌子面以前的地質進行預測;

2)通過地表觀測,若地表出現以下情況,可以初步判斷巖層中存在溶洞或暗河。

a.四周匯水的洼地內有明顯的積水或地表水消失。

b.草木叢生和地表塌陷以及冬季冒氣地段。

c.地表有落水洞或天然豎井的存在。

3.2 溶洞給施工帶來的困難

1)溶洞位于拱頂時,圍巖容易坍塌,洞穴處理困難。

2)溶洞位于隧底時,充填物松軟而且深度大,隧道基底加固困難。

3)隧道穿越溶洞充填物時,圍巖軟弱,容易坍塌,施工進度緩慢。

4)溶洞內有水流時,水的堵、排困難。

3.3 溶洞的處理方法

3.3.1 溶洞位于拱頂時

第一步:從洞外拉碴回填掌子面,填碴高度為距拱頂3 m左右,挖機整平形成一個作業平臺;第二步:安裝混凝土泵送管道,分別在左側拱部、拱頂、右側拱部各安裝 2根,共計6根混凝土泵送管道,拱頂管道接到溶洞最高處;第三步:在填碴形成的作業平臺上采用砂袋施作封堵墻,砂袋碼在已支護好的安全地帶,砂袋碼放寬度為1.5 m以上,確保泵送混凝土過程中不被擠倒;第四步:泵送C20混凝土,厚度為拱頂以上5 m;待混凝土達到一定強度后,溶腔內采用泵送輕型材料粉煤灰回填密實;第五步:處理完畢后按照“三臺階七步開挖法”進行開挖,加強支護。溶洞處理方案示意圖見圖1,圖2。

3.3.2 溶洞位于隧底時

1)當位于隧底的溶洞較小時,一般采取回填的封閉的施工方法。2)當溶洞較大較深時,不宜采用堵填封閉的方法,或充填物松軟不能承載隧道結構時,可采用梁、拱跨越。跨越的梁端或拱座置于穩固可靠的巖層上,必要時灌注混凝土加固,溶洞中間的墩柱可采用樁基礎。

3.3.3 穿越溶洞充填物時

在溶洞充填物中開挖,當充填物較松軟時,可采用插鈑法(工字鋼或槽鋼等),通過圍巖量測確定出合適的預留沉降量;充填物為石塊堆積時,可在開挖前預壓砂礫及水泥砂漿加固。

3.3.4 溶洞內有水流時

1)遇到溶洞內有水流時,宜排不宜堵,查明水源流向及其與隧道位置的關系后,用暗管等泄水設施將水流排到洞外。2)當巖溶水流位置在隧道頂部或高于隧道頂部時,在適當的位置開槽引水,將水位降低到隧底以下,再進行引排。

3.3.5 溶洞的其他處理方法

在巖溶地區施工,有的溶洞處理耗時且困難時,可采取迂回導坑繞過溶洞,繼續進行隧道前方施工,并同時處理溶洞,以此來加快施工進度。繞行開挖時,應防止洞壁失穩。

4 巖溶地區施工應注意的問題

1)做好超前地質預報工作。2)反坡施工時,應備有足夠數量的排水設備。3)在巖溶地段爆破時,應做到多打眼,打淺眼,控制裝藥量。4)施工中對溶洞頂部要經常檢查,及時處理危石,當溶洞較高且頂部破碎時,應先噴射混凝土進行加固。5)在到達溶洞邊緣時,對掘進、支護、排水等工作加以妥善安排。

5 結語

1)隧道施工時一定要做好超前地質預報工作,為隧道的施工提供指導性意見。2)隧道在遇到特殊地質施工時,在將設計文件研究透徹的同時,要保持“巖變我變”的原則,及時與各方溝通,確定出合理施工方案。3)隧道在遇到溶洞時,有水時采取“以堵為輔、以排為主”的施工方法,無水地段的處理方法可總結為填堵、跨越、繞行。

[1] JTJ 042-92,公路隧道施工技術規范[S].

[2] 王 霖.深圳林場軟巖大變形隧道施工技術[J].山西建筑,2008,34(5):318-319.