高速鐵路軟弱圍巖隧道全斷面機械化施工技術及質量安全控制

詹平

摘要：軟弱圍巖隧道施工安全控制、質量控制、進度控制一直以來都是工程技術管理人員需要克服的難題，為突破技術壁壘，實現工藝、工法的創新，需要工程建設中的各方管理、技術人員共同努力作出新的嘗試。本文介紹了湖北省境內一條主要高速鐵路線路上長大隧道，在軟弱圍巖（Ⅴ級圍巖）段改變傳統臺階法的開挖工法，采用機械化、加強超前支護的方式實現了全斷面開挖，提高了綜合工效、降低了施工安全風險，為高速鐵路軟弱圍巖隧道施工機械化、智能化發展指出了新的思路。

關鍵詞：軟弱圍巖隧道;機械化;全斷面開挖

一、工程背景

該隧道位于湖北省境內，設計時速350km/h雙線高速鐵路，中心里程為DK451+786，全長5498m，最大埋深320m，設計坡度為23‰，-25‰的人字形坡，隧道采用進、出口雙向掘進施工，進口至DK449+577.4183位于半徑R=7000m的左偏曲線上，DK453+108.2235至出口位于半徑R=7000m的右偏曲線上，其余地段均為直線。本隧道圍巖主要為頁巖及灰巖，灰巖地區巖溶發育，施工中存在突水突泥風險，頁巖地層穿過炭質頁巖夾煤線，含有低瓦斯，屬Ⅱ級風險隧道。

其中進口DK449+112～DK449+257段（無瓦斯）設計為Ⅴ級圍巖，圍巖中、強風化頁巖為主，巖質較軟、巖體較破碎，自穩性較差。DK449+111.3掌子面現場實際揭示圍巖為黃褐色頁巖，中厚層狀，中風化，節理裂隙較發育，拱部圍巖較破碎，無水，自穩能力較好，整體地質情況較好，無坍塌掉塊情況。采用地質雷達及超前水平鉆進行超前地質預報，地質雷達成果顯示，前方圍巖分布基本均勻，地質狀況與掌子面情況相符，未見其它不良地質構造;超前水平鉆探顯示前方30m范圍鉆渣成黃褐色，轉速均勻，無水，地質條件與掌子面地質情況相符。結合已開挖初支后監控量測結果，初支穩定，未出現嚴重沉降及收斂。

二、施工工藝

進口DK449+112～DK449+257段（Ⅴ級圍巖、無瓦斯）原設計為三臺階加臨時仰拱的開挖工法（見圖1），為尋求更高效、安全的開挖工法，在該里程段范圍實施了軟弱圍巖全斷面機械化施工的創新工法（見圖2）。

1、施工工序

采用2臺全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔、裝藥、爆破、掘進，開挖高度12.7m，為保證全斷面含仰拱一次性開挖，拱架安裝時施做臨時安裝作業平臺。具體施工工序如下：

掌子面爆破→排險→初噴封閉掌子面→出渣（掌子面后方8m仰拱回填洞渣）→三臂鑿巖臺車鉆孔（掌子面炮孔、超前、鎖腳錨桿）→臨時封堵炮孔→施做拱架安裝的臨時作業平臺→立拱架（注漿、安裝超前管棚和小導管、鎖腳錨桿）→噴射混凝土→裝藥→爆破→進入下一循環。

2、超前支護措施

為保證隧道施工安全、充分發揮三臂鑿巖臺車鉆孔施工優勢，在該Ⅴ級圍巖地段采用φ76中管棚+大仰角Φ42超前小導管超前支護措施。

（1）φ76中管棚施工參數

中管棚布設于拱部150°范圍，長度15m，環向間距50cm，共計50根，每五個開挖循環施作一環，搭接長度3m，外插角為7～10°（見圖3、圖4）。為保證管棚外插角，在掌子面立拱架前鉆孔施做，增大其操作空間，施工完畢后安裝拱架。中管棚采用φ76mm×6mm熱軋無縫鋼管，注漿采用1：1水泥漿，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。

（2）大仰角φ42超前小導管施工參數

為進一步加強開挖輪廓線外2m范圍圍巖穩定性，擬采用大仰角φ42超前小導管注漿加固，小導管布設于拱部150°范圍，每循環施工長度4m，環向間距50cm（布設于中管棚中間），外插角為30°（見圖5、圖6）。每2.4m施工一環（循環進尺2.4m，每循環施做），有效搭接1m。小導管采用φ42mm×3.5mm熱軋無縫鋼管，注漿采用1：1水泥漿，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。

3、掌子面超前預加固措施

掌子面穩定是大斷面隧道圍巖穩定的關鍵，對掌子面采用玻璃纖維錨桿進行超前預加固。玻璃纖維錨桿抗拉強度高、抗剪強度低，開挖過程中，錨桿不需拆除，方便大斷面隧道機械化快速施工需要。

結合現場地質情況，對掌子面超前注漿預加固采用φ22玻璃纖維錨桿，玻璃纖維錨桿單根長度18m，每循環搭接5m，結合現場圍巖實際情況及系統錨桿布設間距，圍巖注漿擴散半徑按1.3m考慮，掌子面玻璃纖維錨桿按7㎡/根布設，根據圍巖情況可對局部進行加密。

4、每循環開挖進尺

在對掌子面進行有效的超前預加固后，每循環全斷面開挖進尺為2.4m。根據現場圍巖情況，結合初期支護監控量測數據、超前地質預報結果，適當調整開挖進尺。

5、超前地質預報

超前地質預報采用地質素描法、TSP、地質雷達、超前水平鉆、超前炮孔等探測方法與ZYS113全電腦三臂鑿巖臺車地質分析數據相結合進行超前地質預報。

地質雷達每次預報距離為25m，前后兩次搭接5m以上;超前鉆探孔每循環30m，搭接長度5m，外插角控制在13o～20o;電腦鑿巖臺車自帶地質分析軟件通過對每循環鉆孔壓力、扭矩、鉆進速度等數據綜合分析，形成地質云圖，預報前方圍巖地質情況。通過對各項超前地質預報成果進行分析，綜合判定前方地質情況，指導現場施工。

6、監控量測

圍巖監測目的在于掌握圍巖變形動態，了解支護結構穩定狀態，動態設計指導后續施工。本隧道采用無接觸法進行拱頂沉降、圍巖收斂、掌子面擠出變形監控量測，結合圍巖壓力、初支鋼架應力監測等方式，對圍巖穩定情況進行綜合分析，互相驗證，得出較準確的周圍巖體變形狀態，更好的指導后續施工。

（1）根據量測數據繪制周邊位移，拱頂下沉時態曲線，以及距開挖面距離關系圖等。對時態曲線進行回歸分析，預測可能出現的最大拱頂下沉及周邊收斂值。

（2）獲取軟弱圍巖地段圍巖及襯砌結構的受力水平、規律，驗證設計強度是否滿足要求，結合監控量測位移與超前地質預報結果，為超前預加固施工提供信息反饋，做到動態施工。

（3）根據開挖面狀態，周邊位移，拱頂下沉量的大小以及速率，進行綜合分析，判斷圍巖及支護的穩定性。

（4）采用變形總量和變形速率對隧道監控量測安全等級進行管理。測點位移速率測點位移速率≧5mm/d時，由監理工程師組織施工現場分析原因并采取處理措;當速率連續2天大于10mm/d時，由監理單位組織施工單位進行原因分析和制定措施并報建設單位批準;當速率大于15mm/d時由建設單位組織設計、監理、施工單位進行原因分析和制定措施。

三、質量控制措施

1、開挖質量控制措施

（1）加強超前地質預報，堅持先預報后開挖的施工原則;采用光面爆破技術，根據地質情況和爆破效果，調整鉆爆參數，不斷優化爆破設計，嚴格控制超欠挖。

（2）鉆眼嚴格控制外插角角度，按照設計控制開挖斷面，控制超欠挖。隧道開挖后，在兩側及洞頂每隔10m～20m設一個標志樁，實測開挖斷面尺寸。

（3）鉆孔前清除掌子面松散巖塊。鉆眼深度、角度按設計施工，鉆孔偏斜度不大于1°，周邊眼在斷面輪廓線上開孔并向外擴散，眼底向外張量不大于20cm。

（4）裝藥前先將炮眼內的泥漿、石粉等吹洗干凈，經檢查合格后裝藥，嚴格控制裝藥量。周邊眼采用間隔裝藥，輔助眼采用不耦合裝藥。

2、支護質量控制措施

（1）超前管棚、超前小導管

①鉆孔前在掌子面上正確測放出鉆孔位置，調整好鉆機鉆孔的角度，確保成孔后孔位、角度、搭接長度滿足要求。

②注漿漿液流動性好，固結后收縮小，具有良好的粘結力和較高的早期強度。

③注漿過程中嚴格控制注漿壓力，注漿結束后檢查其效果，不合格者補注漿。注漿強度達到要求后方可進行開挖。注漿順序由拱腳向拱頂逐管注漿。

（2）鋼拱架

①按設計材料、尺寸采用廠家制作。安裝前根據施工圖紙檢查驗收加工質量，確保鋼支撐有足夠強度、剛度。

②安裝確保中線、標高、尺寸、安裝垂直度與設計相符，安裝穩固牢靠。保證鋼支撐在襯砌斷面以外。附件與腹桿安裝位置準確，焊接牢固。

（3）噴射混凝土

①水泥、水、骨料的各項技術指標確保滿足規范中有關條款要求。所用外加劑確保不引起鋼筋銹蝕、腐蝕和對混凝土耐久性產生有害影響。

②噴射混凝土實施前，按照監理工程師指示進行現場試驗。噴射前用高壓風或水對受噴面進行清理。

③噴射混凝土作業分片自下而上，分段進行。分層噴射時，后層噴射在前次噴射混凝土終凝后進行。

④一次噴層厚度一般不大于5cm。各層間隔30min～60min，如果間隔時間大于1h，對已噴混凝土面用水或風清洗。

⑤噴射混凝土時噴頭垂直于受噴面，噴頭離受噴面距離保持在0.6m～1.2m。

⑥按照規范要求對噴射混凝土進行養生。

3、襯砌質量控制措施

（1）在澆筑邊墻基礎和仰拱前，將基底的浮石、雜物、泥漿和積水清理干凈。

（2）澆筑混凝土前確保二襯鋼筋綁扎和防水板鋪設已通過監理工程師驗收。

（3）隧道襯砌必須保證其中線、水平、斷面尺寸、凈空大小符合設計要求，每襯砌循環不論長短都要進行測量放樣，復核檢查。模板臺車準確就位，模板面光滑平順，不漏漿，接縫嚴密整齊。脫模后對模板認真整修，使每段襯砌接縫平整，內實外光。

（4）混凝土拌和、運輸、入模、搗固、養生必須按規范要求施工。模板支撐牢固，表面平整光滑，尺寸符合設計中線水平要求。混凝土搗固密實，做到外光內實，成型美觀。

（5）嚴格把好原材料進場質量關，先檢后用，不合格材料不準驗收，保證使用的材料全部符合工程質量的要求。

（6）利用超聲波檢測儀對襯砌混凝土厚度、強度、密實度等采用超聲回彈綜合法進行檢測，以指導施工并確保工程質量。

四、安全控制措施

1、爆破安全控制措施

（1）爆破材料的運輸、儲存、加工、現場裝藥、聯線、起爆及瞎炮處理，必須遵守《爆破安全規程》（GB6722-2014）的有關規定。

（2）洞內各爆破作業做到統一指揮，爆破前調度人員通知受影響的相鄰工作面人員、車輛撤離到安全距離外，距爆破工作面的距離不少于200m。

（3）爆破期間，所有動力及照明電路均斷開或改移到距爆破點不小于50m的地點。

（4）每日放炮時間及次數根據施工條件明確規定，爆破前爆破人員嚴格檢查爆破網絡，確保一次起爆。

（5）遇到下列情況時嚴禁裝藥爆破：照明不足;工作面巖石破碎尚未支護;發現可能有高壓水及泥涌出地段。

2、防止坍塌安全控制措施

（1）按照“超前探、預支護、短進尺、弱爆破、快噴錨、勤量測、緊襯砌”的施工原則，開挖作業必須制定切實可行的施工方案和安全措施。

（2）加強地質超前預報，對地質情況或水文情況進行探測，及時觀察洞內圍巖受力及變形動態，提前發現塌方的可能性及征兆。

（3）嚴格按照施工方案進行超前支護預注漿，嚴格注漿工藝，提高圍巖自承能力和開挖面的穩定性。

五、結束語

在軟弱圍巖隧道中，施工安全風險大和施工工效低一直以來是工程技術管理人員關注的重點，在本工程實例中實施了機械化全斷面開挖工法，為尋求更加安全、高效的隧道開挖施工工藝作了一次新的嘗試，引導廣大工程技術人員在機械化、智能化施工前進的道路上不斷作出創新，使我們的高鐵工程施工技術走出國門、走向世界。

參考文獻：

[1]《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》（TB10753-2018）

[2]《鐵路大型施工機械隧道鑿巖臺車》（TB/T 3557-2020）

[3]《高速鐵路隧道工程施工技術規程》（Q/CR 9604-2015）

[4]《鐵路隧道超前地質預報技術規程》（Q/CR 9217-2015）

[5]《鐵路建設項目隧道工程安全管理辦法鐵建設》（〔2020〕183號）

[6]《爆破安全規程》（GB6722-2014）