復雜地質環境下隧道施工技術

嚴來章 （中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 隧道工程概況

銅陵市五松山隧道，線路整體地形起伏較大，高差懸殊。圍巖級別Ⅲ～Ⅴ，主要由微風化閃長巖、大理巖、硅質頁巖和硅質巖、第四系可塑至硬塑低液限粘土等構成。地下水類型為基巖裂隙水，主要接受大氣降水補給。

該隧道為分離式公路隧道，其中左線隧道837m，右線隧道820m；隧道平面均為直線，縱斷面為單坡，坡度2.25%；左右線隧道高差相等，隧道凈距約30m。

隧道標準橫斷面如圖1所示，外輪廓尺寸為寬16.76m×高11.29m，內設2個機動車道、1個人行道。除標準橫斷面外，隧道穿越采空區時采用加高橫斷面（左線18m，右線15m），在起拱線處加高0.5m，外輪廓尺寸為（寬）16.76m×（高）11.79m。

隧道穿越煤層、煤礦采空區、地裂縫、巖溶等復雜地質，特別是煤層及煤礦采空區地段，由于隧道橫斷面呈扁平狀且面積大、存在富水軟弱破碎圍巖及瓦斯，施工中易發生圍巖變形過大或坍塌、瓦斯突出等情況，因此施工方法十分重要。本文主要介紹該隧道在煤層、煤礦采空區地段的施工技術。

2 超前地質預報

施工調查表明，除上述已經探明的不良地質外，隧址處還存在位置及數量不明的小型煤炭采空區。因此，必須通過超前地質預報查明掌子面前方圍巖的地質條件，為施工提供可靠依據，特別是選擇超前支護和開挖方法，以降低地質災害發生的風險。地質預報內容包括：地層巖性、地質構造、不良地質、地下水。

地質預報采用洞內探測和洞外地質勘探相結合，地質方法與物探方法相結合，貫穿于施工全過程。采用的地質綜合預報方法包括地質分析法（掌子面編錄預測法）、洞外地質勘探法以及中短距離預報。

圖1 隧道標準橫斷面（單位：m）

中距離預報：地震反射波法，采用TSP儀器，前后兩次探測重疊長度大于10m。

短距離預報：地質雷達法、超前水平鉆孔。中距離預報無不良地質時，采用4個超前水平鉆孔，長度20m，均勻分布于掌子面；煤層地段采用10個超前水平鉆孔，其中2個位于掌子面中部（長度60m），8個均勻分布于掌子面周邊（長度20m）；其他不良地質，如采空區地段，超前水平鉆孔適當加密。前后兩循環鉆孔重疊長度大于5m。

通過地質預報，不僅進一步查明了之前已經發現的不良地質（煤層、隧道下方的采空區、地裂縫、巖溶等），還發現了之前設計地質勘探未能探明的采空區4處，其中3處位于隧道開挖面但未貫通至地表，1處位于開挖面且貫通至地表；另外，還確認了煤層含有較高濃度的瓦斯及其具體位置。

3 煤層及瓦斯地段施工技術

3.1 瓦斯地段隧道供風

根據超前地質預報所揭示的地質情況，左右線分別掘進367m、348m后為瓦斯地段，瓦斯地段長度分別為227m、203m，該地段含有煤層且沿隧道縱向不連續分布。煤層沿隧道縱向的長度不一，其中左線2處、右線1處的煤層均為20m，其余均不足5m。煤層厚度0m～0.9m，變化較大，傾角62°～75°。經現場檢測及計算，煤層最大瓦斯壓力0.403MPa，瓦斯含量為0.998m3/t，瓦斯涌出量為0.015m3/s。

本工程采用鉆孔排放和通風的技術措施處理瓦斯問題。鉆孔排放主要是防治煤與瓦斯突出。在掌子面處，沿煤層的豎直平面均勻布設4個水平鉆孔，采用電煤鉆濕式鉆孔，長度不小于20m且穿透煤層。這些鉆孔與地質預報的超前水平鉆孔相結合，經檢驗，有效解決了煤與瓦斯突出的問題。

隧道所需的風量根據爆破排煙、隧道內同時工作的最多人數、瓦斯絕對涌出量、允許最小風速、排除施工機械產生的廢氣等計算；同時考慮到開挖存在2個工作面（先行導坑與后行導坑），設置2個獨立的主風機風管（抗靜電、阻燃），對2個掘進工作面獨立通風，通風方式采用送風式（壓入式）。采用2個軸流式通風機，風管直徑均為1m，隧道橫斷面左右側各設置1個。

主風機風管末端距離開挖工作面20m～30m，同時為增強掌子面的通風效果，在風管末端設置局扇，局扇風管口距離開挖工作面的距離2m～5m。通風風速要求大于1m/s，另外在瓦斯容易聚集的地方（開挖面上部、采空區、襯砌臺車內部等）進行局部通風。瓦斯地段采用便攜式瓦檢儀、高濃度瓦檢儀和瓦斯自動檢測報警斷電裝置，并在掌子面上方設置瓦斯傳感器，24h監測瓦斯濃度。洞內各處的瓦斯稀釋濃度要求在0.5%以下，否則采取超限處理措施。

3.2 煤層地段開挖方法與支護

根據煤層沿隧道縱向的長度與走向、圍巖級別、地下水分布等情況，為保證開挖后掌子面的穩定性，左線1處煤層地段（沿隧道縱向長度20m）采用超前管棚和超前小導管進行超前預支護；左線另1處煤層地段和右線1處煤層地段（沿隧道縱向長度20m）采用超前小導管進行超前預支護；其余煤層地段長度不足5m，圍巖級別Ⅳ～Ⅴ時設置超前小導管。

隧道開挖采用單側壁導坑法，先行導坑寬度約0.5倍洞寬，先行導坑與后行導坑的掌子面之間距離20m左右。開挖時每循環進尺0.6m，預留變形量0.1m。揭煤施工采用微震動爆破法，過煤施工時在巖石炮眼中裝藥并采用松動爆破法。

管棚采用外徑89mm、壁厚6mm的熱扎無縫鋼花管；管體注漿孔孔徑8mm、縱向間距15cm，呈梅花形布置，管體尾部2m作為止漿段。管棚長度20m，由每段長4m～6m的鋼管采用絲扣連接而成；相鄰管棚的接頭前后錯開且不小于1m；同一斷面上的管棚接頭數量不超過50%。管棚環向間距0.4m，外插角2°。管棚施工前，安裝管棚導向拱架，采用引孔頂入法施工。噴射10cm厚C25混凝土封閉工作面后，采用水灰比為1∶1的水泥漿進行注漿，注漿壓力1MPa～2MPa，壓力維持時間5min～10min。注漿后及時清理管內漿液，插入鋼筋籠，用水泥砂漿填充密實。

超前導管采用外徑50mm、壁厚5mm的熱扎無縫鋼花管；管體注漿孔孔徑6mm、縱向間距15cm，呈梅花形布置，管體尾部1.05m作為止漿段。導管長度5m，環向間距0.4m、縱向間距1.2m，外插角10°。采用上述水泥漿進行注漿，注漿壓力0.5MPa～1MPa，壓力維持時間5min～10min。注漿前，同樣采用噴射10cm厚C25混凝土封閉工作面；注漿超過8h后才能開挖掘進。

兩導坑界面處采用噴混凝土和臨時鋼支撐支護。經現場檢測，變形滿足要求，因此該處不再設置導坑錨桿。但考慮到安全需要，施工期間對臨時鋼支撐及該處的圍巖變形進行持續監測。

煤層地段開挖、支護等各項工序應盡量縮短時間、前后銜接緊湊，以降低安全風險。施工流程：①超前支護、爆破掘進后，應及時對環向開挖面進行初噴（厚度40mm），初噴采用濕噴工藝，由下至上進行，同時噴射混凝土封閉掌子面以防瓦斯泄露、掌子面塌方；②安裝第一層鋼筋網片后復噴，在噴射混凝土面上標注鋼架（I22a工字鋼）、系統錨桿位置，依次安裝第二層鋼筋網片、系統錨桿、鋼架后再次噴射混凝土，完成先行導坑側墻、拱的初期支護；③2個導坑側墻、拱的初期支護全部完成后，拆除臨時鋼支撐、設置監控量測點，并盡快施工隧道底部初期支護，使初期支護全斷面閉合；④初期支護變形基本穩定后盡早施工二襯，并進行注漿以填充初期支護和二襯之間的空隙、進一步封閉瓦斯。

4 采空區地段施工技術

4.1 隧道開挖面貫穿采空區

4.1.1 采空區貫通至地表

超前地質預報顯示，隧道左線有一采空區自開挖面頂部貫通至地表，該采空區沿隧道長度25m，采用松散的黃土回填。由于施工期間雨水較多，造成雨水浸入圍巖，形成富水軟弱破碎圍巖。根據現場實際情況，采用超前管棚和超前小導管進行超前預支護，并對該處地表進行注漿。

管棚采用外徑108mm、壁厚6mm的熱扎無縫鋼花管；管體注漿孔孔徑20mm、縱向間距20cm，呈梅花形布置，管體尾部4m作為止漿段。管棚長度30m，由每段長4m～6m的鋼管采用絲扣連接而成，管棚內部設置鋼筋籠。管棚環向間距0.4m，外插角2°。考慮到圍巖富水，因此注漿材料選用水泥-水玻璃漿液，參數為：水泥型號P.O42.5；水泥與水重量比1∶1；水玻璃為水泥重量的3%，濃度43Be'～45Be'；注漿壓力1MPa～2MPa。

采用的超前導管與煤層地段超前導管相同，注漿也選用水泥-水玻璃漿液。注漿超過4h后才能開挖掘進。

為確保掌子面穩定，采用環形開挖留核心土法，核心土長度3m～5m，核心土與下臺階的距離12m～15m，開挖進尺0.6m。

4.1.2 采空區未貫通至地表

由于隧道內所遇采空區大小不一、位置變化，因此需要針對每個采空區逐一分析，采取不同的處理措施。

①隧道右線右上角處的采空區。該采空區沿拱的橫斷面長度約5m。首先采用10cm厚C25噴射混凝土封閉采空區，然后施工早強砂漿錨桿（直徑22mm，間距1m×1m）對采空區進行加固。在初期支護外1m～3m區域內施工M7.5漿砌片石，初期支護與漿砌片石之間澆筑C25混凝土護拱，最后通過預留孔對漿砌片石上方的空洞進行注漿填充。

②貫通左線中下部的采空區。該采空區高度約10m，體積較大且為空洞。處理時兼顧處理效果與費用，在初期支護外5m～10m區域內施工干砌片石，初期支護與干砌片石之間砌筑C15片石混凝土并插入工字鋼，防止片石混凝土因外力開裂。

③隧道下部的采空區。左右線各一處但大小不同，主要從節約成本方面考慮采取不同的處理措施。體積較大的采空區噴射C25混凝土封閉后，用C25片石混凝土填充。體積較小的采空區噴射C25混凝土封閉后，采用混凝土填充。

4.2 采空區位于隧道下方

根據地質勘探，隧道左右線底板下方30m處有一采空區，采空區（高）50m×（寬）7m，并經放頂填充但密實度不詳。為確保施工質量，控制后期沉降，對采空區及其附近圍巖注漿加固。采用水泥粉煤灰漿液，水∶水泥∶粉煤灰為0.8∶0.05∶0.95，注漿壓力2MPa～4MPa，壓力維持時間5min～10min。另外，對采空區附近75m范圍的圍巖進行注漿，注漿采用外徑50mm、壁厚5mm、長度8m的鋼管，注漿孔間距由現場試漿液擴散半徑確定，注漿壓力0.3MPa～0.4MPa，采用上述水泥粉煤灰漿液。

考慮到采空區未來沉降需要，該段隧道橫斷面比標準橫斷面加高0.5m。施工中采用超前導管、減小開挖進尺（0.6m）的措施確保在變截面處平穩過渡。

5 安全注意事項

①施工期間應持續通風以稀釋瓦斯，同時應有備用電源和備用通風機用以應急，施工中防止火源出現。

②開挖面應采用噴射混凝土及時封閉，以保證掌子面穩定，防止瓦斯持續溢出。初期支護應盡早封閉成環，從而提高整體性，增強受荷能力，減小支護變形，全斷面封閉瓦斯。要合理組織施工，盡量縮短各工序和工序銜接時間。

③做好鋼架基礎保護。鋼架基礎穩定是鋼架受力的前提，因此必須牢固可靠。由于圍巖較差，除鎖腳錨桿外，鋼架底部也要進行可靠支撐，以減小變形，必要時采用摻加速凝劑的混凝土包裹鋼架底部。

④加強監控量測，成立監控量測小組，按照要求布點、監測，及時反饋信息以指導施工。

6 結束語

本隧道不良地質復雜多樣。通過地質預報，準確掌握了施工前方地質情況，為選擇初期支護和開挖方法提供了依據。通過科學合理的技術措施和管理方法，保證了隧道施工安全、順利進行，取得了良好的效果，隧道開通后運營正常，這對同類工程施工有很好的借鑒意義。

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