大梁山隧道復雜地質條件下大縱坡通風斜井施工技術研究

楊德富

（山西機械化建設集團公司，山西 太原 030006）

大梁山隧道通風斜井處于大梁山隧道中間部分，地質條件復雜、富含地下水且接近大梁山5號斷層，設計為超大縱坡，縱坡為14.36%，為國內通風斜井施工中之少見，施工過程中質量、安全控制難度大，所以有必要研究其施工工藝，為以后類似工程積累施工管理和工藝控制經驗。

1 工程概況及地質條件

大梁山通風斜井水平長度為658.684 m，縱坡坡度14.36%，K0+000—K0+060段，斜井埋深 0～44.4 m，圍巖由下太古界瓦窯口組（Ar1w）全—強風化紫麻粒巖夾片麻巖、變輝綠巖脈等組成，屬極軟巖，巖體呈裂隙碎塊狀結構，節理裂隙極發育，圍巖極破碎。洞體內賦存少量地下水，出水狀態為裂隙滴滲水，圍巖判定為V級。K0+060—K0+190段，斜井埋深44.4～107.7 m，圍巖由下太古界瓦窯口組（Ar1w）微風化紫蘇輝長麻粒巖組成，以較堅硬巖為主，巖體節理裂隙發育，呈裂隙塊狀結構，巖體破碎，且圍巖裂隙內賦存有豐富的地下水，出水狀態為裂隙滴水甚至局部淋雨狀出水，圍巖判定為IV級[1]。K0+190—K0+658.684段，圍巖為軟弱破碎夾層，夾層呈垂直節理及不規則走向，夾層兩側為整體性稍好的微風化紫蘇輝長麻粒巖，夾層與兩側圍巖連接性差，夾層裂隙極發育，個別段落較大斷層，并且存在大量地下水，大量地下水通過裂隙集中于此，出水狀態為淋雨狀，局部噴涌狀。

通風斜井底端處于早期深斷裂構造內，基性侵入體沿斷裂構造上升侵入到早期的變質巖中，巖脈產狀陡傾，與隧道洞體相交，對洞身影響段落較長，斷層帶內的變輝綠巖脈較為破碎，斷層與圍巖接觸帶擠壓明顯，長石類礦物高嶺土化強烈，對開挖掘進影響很大，且由于地下通風排煙道斷面較小，需要進行擴洞施工，施工技術難度極大[2]。

2 斜井多種地質條件下隧道開挖及支護施工采取的技術措施

2.1 隧道斷層、破碎帶段落的開挖、初期支護施工技術

2.1.1 加強超前地質預報

由于斜井地質復雜多變，突變性極強，不可預測性大，因此采用TGP206型隧道地質超前預報系統對前方圍巖進行長短波結合的預報探測，可以更好地預測前方圍巖，有效地指導施工。

2.1.2 采取“弱爆破、短進尺”的開挖方式

加強施工組織管理及隧道爆破技術交底，特別是要分析大縱坡對開挖作業產生的不利因素，并制定相應的應對措施，各工序有序跟進，相互銜接。由于斜井縱坡大，若按正常隧道施工的爆破方法進行開挖，爆破效果較差，且容易產生超挖及塌方，因此在圍巖較差段落采用局部爆破、挖掘機開挖、人工修邊相配合的方式，根據實際情況調整炮眼間距及裝藥量，減少開挖時對圍巖的擾動。同時，在進行開挖作業時若因施工組織中開挖、支護方式與實際開挖圍巖情況不相適應，及時調整支護參數，遵循“巖變我變”的隧道施工方針。

斜井在施工中，曾多次出現小型塌方?？偨Y經驗教訓后，及時對開挖方式進行調整，采取超短距離三臺階預留核心土法開挖，上導開挖高度不大于2 m，臺階長度3～4 m。中導開挖高度視上部土體厚度而定，臺階長度5～7 m。下導與仰拱的距離不超過5 m，二襯緊跟。預留核心土法對圍巖擾動較小，并能很好地應對大縱坡的影響，保證了開挖施工的安全性。

2.1.3 加強超前支護

斜井施工遭遇斷層、破碎帶后，即使僅用挖掘機進行開挖，依然會出現坍塌甚至塌方，特別是在K0+320、K0+337、K0+342段 3次連續大型塌方之后，圍巖由最初塌方時的軟弱破碎夾層，整體性稍好的微風化紫蘇輝長麻粒巖，夾層裂隙發育，變為全—強風化紫蘇輝長麻粒巖，夾片麻巖，圍巖極易破碎，連接性極差，整體性差，圍巖裂隙極為發育[3]。由于斜井超大縱坡的影響，開挖完成后，圍巖自穩性差，前方圍巖受擠壓與剪力明顯，根據圍巖情況，加強支護，及時調整支護參數。

針對斜井圍巖情況，施工中采用多層小導管作為超前支護系統，小導管參數為：φ42×4 mm小導管，長度為4.5 m，環向間距30 cm，外插角10°，每層33根，在每次初支施做一層小導管。

由于部分段落多層小導管超前支護系統效果不理想，在現場勘查后，經研究協商，在Ⅴ級淺埋的支護參數基礎之上加強隧道在開挖工程的預支護系統，即加設超前管棚預注漿支護。具體施工方案如下。

2.1.3.1 管棚布置圖

圖1 預注漿橫斷面圖

2.1.3.2 管棚施工說明

a）管棚設計參數 鋼管規格：熱軋無縫鋼管φ75 mm，壁厚8 mm；管距：環向間距30 cm；管棚夾角：1°～2°，方向與路線平行。

b）管棚施工 配備管棚機，鉆進并頂進管棚鋼管；管棚施工應先打有孔鋼花管，注漿后再打無孔鋼管，無孔鋼管可作為檢查管，檢查注漿質量；鋼管接頭采用絲扣連接，絲扣長15 cm，鋼管接頭應錯開。

c）注漿參數 水玻璃取1∶0.5～1∶1；水灰比取 1∶1～0.5∶1；注漿壓力：初壓 0.5～1 MPa，終壓2 MPa；水玻璃模數：n=2.4～3.4，玻美度 Be’=30～40。

d）注漿前應先進行壓漿現場試驗，注漿參數應通過現場試驗根據實際情況而定，以利施工。

e）注漿結束 進漿量小于20～25 L/min；注漿壓力逐步提高，達到終壓后穩定10 min以上。

f）完成管棚注漿后，在管棚支護環的保護下，按設計的施工步驟進行開挖。

g）管棚內鋼架之間通過連接筋焊接牢固，連接筋長60 cm，環向間距100 cm。

在施做中管棚后，可以在隧道的洞頂產生一個較為牢靠的臨時棚架，極大地提高了隧道拱頂開挖后掌子面圍巖的穩定性，有力地保證了施工的安全。

2.2 涌水段開挖、初期支護施工技術

斜井自K0+202開始，兩側圍巖連接性差，夾層裂隙發育，且存在大量地下水，出水狀態為淋雨狀，局部為噴涌狀。出水量由開始時的1 000 m3/d增加到2 000～2 500 m3/d。2011年6月6日以來，斜井洞內涌水量急劇增加，又由2 000～2 500 m3/d增加至3 000～4 000m3/d。通風井的坡度為-14.36%，大量洞體滲水都集中在開挖斷面，給施工造成極大的安全隱患；同時，在已支護好的初支表面也有大面積不規則的滲水、涌水，對將來二襯的防排水是一個很大的隱患,對此，采取以下措施進行施工。

2.2.1 開挖前堵水，初期支護完成后，初支表面徑向注漿

針對斜井大量涌水的問題，以“‘防、排、堵、截’相結合，因地制宜，綜合治理”為原則，采取“以堵為主，限量排放”的方法進行綜合治理。施工中采用在初支表面進行小導管徑向注漿的方式堵水與引水[4]。具體操作過程如下：

a）注漿孔按漿液擴散半徑R=2.0 m計算布設，注漿孔呈梅花型布置，孔口環向間距約150 cm，縱向間距200 cm。單孔注漿深度4.0 m，斷面布置注漿孔12個，注漿總長約48 m，平均每延米注漿孔6個，注漿總長約24 m。

b）注漿孔采用風機鉆孔，方向為隧道斷面徑向，孔徑為50 mm，比小導管外徑大10 mm。鉆孔孔位最大允許偏差為50 mm，鉆孔偏斜率最大允許偏差為0.5%。

2.2.2 三級平臺、二級抽水、施作截水溝

對于洞內積水，施工時采用“三級平臺、二級抽水”的方式力求將洞內積水排出洞外，方便施工，杜絕安全隱患。

圖2 初支后加固拱圈4 m斷面徑向注漿工序流程圖

a）三級平臺 掌子面積水區為第一平臺、洞內緩沖坡段集水箱為第二平臺、洞口集水箱為第三平臺。

b）二級抽水 將掌子面積水抽到洞內緩沖坡段為一級抽水、將緩沖坡段集水箱內積水排除洞外為二級抽水。

c）設備配置 掌子面積水區設置3臺55 kW水泵（視水量大小，酌情增減），緩沖坡段集水箱設55 kW水泵1臺，22 kW水泵1臺及55 kW增壓泵1臺，集水箱規格為4 m（長）×2 m（寬）×1.5 m（高），各級平臺間安裝φ90PVC管2條及1條消防軟管作為備用管。

d）抽水方案 在各工序開始之前，先將掌子面積水區內的積水利用3臺55 kW水泵抽到緩沖坡段集水箱內，待集水箱內水超過2/3時，再利用集水箱內的水泵及增壓泵將集水箱內的水排出洞外。由于斜井超大縱坡的影響，水泵壓力不足，因此設置增壓泵增加壓力，避免出現積水回流現象。

e）施作截水溝 大縱坡不僅給施工帶來極大不便，對洞內地下水也起到了“引導”作用，大量滲水在縱坡的影響下流向掌子面附近，為抑制水流流向掌子面，施工時在仰拱內每隔100 m施作1條深50 cm截水溝，攔截流向掌子面的滲水。為保證行車的安全，截水溝上鋪設2 cm厚鋼板，保障車輛行駛不受影響。

3 結論

本文通過對大梁山隧道在復雜地質情況下大縱坡通風斜井開挖、支護、排水等各種施工工藝的介紹，為類似斜井的施工總結了經驗，具有極為重要的參考價值。