大跨軟弱圍巖瓦斯隧道三臺階施工技術

劉 軍

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司,山東 濟南 250000)

隨著我國山嶺鐵路隧道建設朝著更深更復雜的地層發展，隧道開挖經常遭遇富煤或富其地層，如何控制開挖面中的瓦斯等有害氣體成為鐵路施工的關鍵節點和難點[1-4]。當以甲烷為主的瓦斯濃度處于5%～16%的范圍時，若遇明火發生爆炸，將對現場施工工人造成直接生命威脅。本文以戴云山隧道進口段工程作為研究對象，討論對于該段瓦斯隧道施工難點及開挖方式。

1 工程概況

戴云山隧道進口段位于福建省尤溪縣中仙鄉劍溪村的溝谷中，隧洞埋深60 m～638 m。該隧道進口段屬于燕尾式，即洞口往內695 m為雙線單洞的大跨段，其后分為兩個單洞單線隧道。隧道左線長度為15 623 m，右線15 605 m，斜率為3‰。

隧道進口段瓦斯壓力0.3 MPa，為二級含瓦斯地段其加寬情況詳見表1。

表1 戴云山隧道進口大跨段加寬狀況統計表

全隧道設置進口平導1座機2座斜井。

2 水文地質概況

隧道進口大跨段圍巖等級為Ⅳ級圍巖，地層構造中主要有灰黑色中薄層粉砂巖，薄層粉砂層泥巖夾煤層或煤線。地下水為基巖構造裂隙水，整片區域屬于中等富水區。隧道進口段為煤系地層，埋深65 m～114 m，屬于高應力區，其他段埋深大于114 m，屬于極高應力區。

3 支護參數設計

戴云山隧道進口雙線單洞隧道大跨段圍巖等級為Ⅳ級，采用三臺階七步開挖，復合式襯砌支護。初支采用噴射混凝土+鋼筋網+錨桿+鋼拱架的聯合支護方式，二襯采用鋼筋混凝土進行支護。各支護參數及施工要點如下：

1)噴混凝土：拱墻采用C25網噴混凝土，仰拱采用C25噴射素混凝土。初期支護噴射混凝土透氣系數要求不大于10 cm/s，因此噴射混凝土全部摻加氣密劑；

2)錨桿：隧道拱頂采用φ25中空錨桿，邊墻采用φ22砂漿錨桿，L=3.5 m/(大跨加寬3 m～6 m為4 m)，間距1.2 m(環向)×1.2 m(縱向)/(大跨加寬3 m～6 m為1.0 m×1.0 m)，采用梅花形布置；

3)隧道成洞后，應立即噴C25早強混凝土；

4)防水：襯砌結構防水等級為一級，治理方式為利用結構自防水特性及初襯與二次襯砌間設置全斷面閉孔PE泡沫塑料墊層(厚度不小于4 mm、幅寬4 m)+EVA防水板(厚度為1.5 mm，幅寬4 m)；

5)排水：每側邊墻腳設置兩排縱向排水盲溝，盲溝外包土工布。

4 主要施工技術及注意事項

4.1 隧道通風方案

本隧道進口大跨段采用巷道式+壓入式聯合通風方案。具體如下：對于低濃度瓦斯地段，利用射流風機提高通風速度；而對于掌子面塌腔區、模板臺車處等瓦斯聚集風險較高地段，采用增加局部風扇或利用高壓型風機等方式進行通風。在瓦斯地層施工期間，應保證洞內掌子面有足夠的風量和風速。

4.2 洞內瓦斯監測

洞內瓦斯監測采用人工與機器自動檢測相結合的方式。對于重點部位(電器開關、掌子面附近等)、關鍵工序、關鍵時刻(如鉆眼放炮前、出碴過程中)，要配備專職的瓦斯監測人員。距離開挖面150 m拱頂處需設置瓦斯監測儀，并配備專職工作人員進行值班，及時采集和分析瓦斯監控數據。若瓦斯濃度超標，應立即停止工作，及時采取緊急治理措施。

4.3 隧道分部開挖施工工序

為防止大跨度隧道施工過程中出現過大變形，盡量減少掌子面開挖對高瓦斯地層的擾動，減小高濃度瓦斯泄露的風險，經對比研究分析，決定采用三臺階七步開挖法進行施工。該工法以弧形導坑開挖預留核心土為基本原則，上、中、下三個臺階七個開挖面沿隧道縱向錯開推進。具體施工工序如圖1所示。

詳細施工步驟如下:

1)在上一循環隧道拱部超前支護完成后，進行上臺階的開挖。上臺階采用弧形導坑、預留核心土的方式進行開挖。弧形導坑高度為3.7 m，預留核心土沿隧道縱向一般為5 m，高度為1.7 m，寬度一般為隧道跨度的1/3～1/2(根據現場地層條件和施工經驗確定)。開挖進尺應根據開挖面圍巖穩定情況和初支的設計間距綜合確定。

2)中臺階開挖應滯后上臺階弧形導坑約3 m，臺階高度控制為3.6 m，左右工作面錯開2 m～3 m，保持與上臺階一致的開挖進尺，預留核心土。臺階開挖后立即噴射3 cm～5 cm混凝土作為臨時支護，并及時假設鋼拱架。在兩側拱腳處應架設鎖腳錨桿，減小兩側圍巖變形擾動。之后進行錨—噴—網的復合支護直至設計厚度。

3)下臺階開挖應滯后中臺階不大于10 m，臺階高度控制為3 m，左右工作面錯開2 m～3 m，保持與上臺階一致的開挖進尺，預留核心土。臺階開挖后立即噴射3 cm～5 cm混凝土作為臨時支護，并及時假設鋼拱架。在兩側拱腳處應架設鎖腳錨桿，減小兩側圍巖變形擾動。之后進行錨—噴—網的復合支護直至設計厚度。之后進行隧道仰拱結構施工。

4)為方便機械開挖，三個臺階預留核心土的長度為5 m～10 m，在三臺階開挖支護完成后，進行核心土的開挖。結合移動棧橋的長度，現場一個循環進尺定位5 m～8 m。為減少對圍巖的擾動，采用預裂爆破+機械大開挖+人工清底的方式進行。清底后，及時進行混凝土噴射+鋼拱架作為初支，之后及時復噴混凝土直至設計厚度，使隧道環向盡早封閉。之后緊跟仰拱襯砌的回填。圖2是現場三臺階七步法開挖施工的透視圖。

4.4 施工注意事項

1)鉆爆設計。采用預裂爆破對大跨度斷面圍巖進行較好斷面的開挖，可以降低沖擊波對圍巖的干擾，從而使圍巖保持穩定。洞內爆破嚴格執行“一炮三檢制”(裝藥前、放炮前、放炮后)、“三人連鎖放炮制”(爆破工、班組長、瓦斯檢測員)。三臺階七步法開挖鉆爆設計見圖3。2)初期支護。根據設計要求和開挖步驟，在加工場對鋼拱架進行預處理和預成形，依據掌子面的圍巖地質及斷面寬度，確定每次掘進尺寸、掘進進度和單次安裝鋼拱架的榀數。按照施工設計要求，打設鎖腳錨桿，并與鋼架焊機牢固，迅速打設錨桿、掛網、復噴混凝土至設計厚度。3)仰拱施工。爆破機械開挖，人工清底，快速開挖仰拱就位，按鋼框架使其封閉成環，噴射混凝土達到設計厚度，及時防水施工，仰拱鋼框架綁扎，仰拱回填混凝澆筑。

4.5 現場監測

隧道現場監控量測點布設見圖4。測點采用對稱布置，測點設置器材必須探入圍巖40 cm以上，在開挖后12 h內取得初始讀數。根據現場開挖面圍巖穩定性情況及監測得到的實際變形速度，確定監測頻率。當監測數據異常時，應加大監測頻率并及時通知建設各方，將監測數據進行匯總分析，得出拱頂最大沉降量為45 mm，水平收斂最大32 mm。

5 結語

與一般地層中的隧道相比，對于瓦斯隧道，合理的防爆及監控手段是安全施工的重要保障，要加強人員培訓，對施工人員嚴格管理，以人為本，確保安全。從本文所述瓦斯隧道進口燕尾大跨段采用的三臺階七步法施工效果來看，采用三臺階七步法的工藝，能夠確保大跨度、大斷面類隧道在瓦斯地層施工的安全，且與雙側壁導坑法相比，具有施工進度快，成本低，對地層擾動較小的優點。并為今后大跨度、大斷面地下工程在瓦斯地層中的施工提供有益的借鑒和指導。