滇西地區復雜地質條件下隧道施工技術研究

曲登殿

（中鐵二十一局集團有限公司 甘肅蘭州 730070）

1 引言

祥云隧道位于三江褶皺帶推覆體構造中部，地質條件極為復雜，開挖后掌子面圍巖多變，施工中頻繁轉換開挖方法，管理難度大，安全風險高，施工進度慢。隧道圍巖對隧道施工安全、進度起決定性作用。對隧道工程建設者來說，最關心的問題則是開挖后圍巖的穩定程度。本文對圍巖穩定性進行研究，確定隧道開挖后圍巖自穩時間，在圍巖自穩時間內完成支護，可以減少圍巖的變形、坍塌，為施工提供安全保障。

2 工程概況

祥云隧道位于廣大鐵路祥云縣境內，隧道全長6 940 m，最大埋深430 m。隧道施工區域主要巖性為玄武巖、凝灰巖、砂巖、炭質頁巖、灰巖、泥灰巖、輝長巖等。在區域性深大斷裂活動影響下發育有小溝斷層、朝陽村斷層、上北邑斷層、二臺坡1＃斷層等斷裂構造，次級構造發育，層間構造破碎帶多見，多期次侵入巖呈不規則穿插侵入，蝕變作用強烈，圍巖在構造作用下裂隙發育，軟弱破碎，穩定性極差。

3 圍巖穩定性研究

通過巖石流變試驗［1］確定圍巖變形特怔，結合有限元計算，獲得祥云隧道圍巖自穩時間：掌子面圍巖開挖后穩定時間為4.5～14 h，仰拱初支未閉合成環穩定時間15～16 d。各種圍巖條件下穩定時間見表1。

表1 隧道圍巖穩定時間

4 施工方法及工藝措施

4.1 施工方法選擇

根據圍巖自穩時間，本項目采用三臺階施工方法，通過確定各工序時間，使初支封閉控制在圍巖穩定時間內［2］，達到施工安全目的。

4.2 工序循環時間分析

鋼架間距0.8 m，一次開挖1榀、2榀鋼架工序循環時間見表2～表3，施工縱斷面見圖1，施工流程見圖2，施工橫斷面見圖3。

圖1 施工縱斷面

圖2 施工工藝流程

圖3 施工工序橫斷面

表2 一次開挖1榀鋼架間距工序循環時間

表3 一次開挖2榀鋼架間距工序循環時間

4.3 操作要點

（1）臺階設置及開挖臺架要求

上臺階：開挖高度為3.4 m，臺階長度3～5 m。

中臺階：開挖高度為2.8 m，臺階長度4～6 m。左右兩側錯開開挖，縱向錯開距離2～3 m，左側開挖寬度10.5～11 m，右側開挖寬度2.5～3 m（寬臺階布置在圍巖軟弱側）。

下臺階：開挖高度為2.8 m，臺階長度6～18 m。左右兩側錯開開挖，縱向錯開距離2～3 m，左側開挖寬度10.5～11 m，右側開挖寬度2.5～3 m（寬臺階布置在圍巖軟弱側）。

簡易小型開挖臺架高1.7 m、長4.5 m、寬6 m，采用 16型鋼加工。

（2）施工準備

施工開始前對作業人員進行崗前培訓并達到熟練工要求，作業人員數量滿足施工要求；調試高壓風、水、電，準備施工所需材料、場地和機械設備，施工設備數量、完好率滿足施工需要；測量放樣超前支護孔位、開挖輪廓線。

（3）超前支護

通過超前管棚或小導管注漿改變圍巖狀況及穩定性［3］。漿液注入軟弱、松散地層或含水破碎圍巖裂隙后，能與之緊密接觸并凝固延長圍巖穩定時間，改善開挖后、支護前圍巖穩定狀況。

（4）上、中、下臺階開挖

在超前支護防護下，弱爆破后開挖上、中、下臺階①、②、③、④、⑤部，采用Y-28型風動鑿巖機開挖，上臺階開挖7人、中臺階開挖7人、下臺階開挖3 人，共 17 人［4］。

（5）上臺階扒渣

上臺階①部開挖結束后，采用挖機對上臺階①部的頂部及周邊排危，清理渣體至中臺階②部。

（6）上臺階立架、中臺階扒渣、中臺階立架、下臺階扒渣

上臺階①部排危、扒渣結束后平整運輸通道，裝載機搬運開挖臺架、型鋼鋼架等材料至上臺階①部并組織5人開始立架；挖機繼續清理中臺階②、③部渣體至下臺階④、⑤部，中臺階②部預留部分渣體作為開挖臺架運輸通道和噴砼作業平臺。中臺階②、③部渣體清除完成后開始立架；挖機配合裝載機清理下臺階④、⑤部位置渣體至隧道中線位置，并平整場地，作為下臺階噴砼場地，多余渣體在上、中臺階立架時安排出渣。

（7）上、中臺階噴砼、下臺階立架、下臺階噴砼

上臺階①部和中臺階②、③部同時組織噴砼；噴砼開始時上、中臺階立架人員下撤至下臺階進行立架作業。上臺階①部噴砼封頂時和中臺階②、③部噴砼結束后人員設備周轉至下臺階④、⑤部噴砼。

（8）清理斷面

采用1臺挖掘機清除上臺階①部噴砼回彈料至中臺階②部，并平整運輸通道；裝載機搬運開挖臺架至①部，上臺階①部準備開挖，挖機繼續清理中臺階②、③部回彈料至下臺階④部，中臺階預留部分渣體作為開挖結束后開挖臺架下撤運輸通道回填用渣。上、中臺階①、②、③部開挖時間下臺階④、⑤部開始采用挖機配合裝載機進行部分渣體出渣。

4.4 工藝特點分析

本施工方法以上斷面施工循環為關鍵線路，中、下臺階平行流水作業［5］，出渣不占用工序循環時間，與超前支護、開挖、立架平行作業。仰拱封閉在15 d內完成，仰拱距離掌子面分別為32 m、37 m，滿足安全步距要求，做到了分部開挖、全斷面推進［6］，保證了施工安全。

4.5 施工組織控制要點

（1）嚴格控制臺階開挖長度和高度［7］，實現上中下三臺階同時開挖、同步推進。

（2）認真落實“內部三檢制”，及時糾正出現的問題，確保工序質量一次性驗收合格［8］。

（3）各工序開始前人員、材料、設備必須到作業面附近準備，做到工序零銜接、負交接［9－10］。

（4）交叉作業時要及時安排人員、設備、材料就位，必須做到一崗雙責，能組織施工、能及時制止不安全行為。

（5）挖機、裝載機、空壓機、砼運輸車等大型設備需定期保養、維修，確保設備完好率符合作業要求［11］。

5 應用情況

祥云隧道于2012年12月開工，2017年6月完工。施工過程中應用“基于圍巖自穩時間三臺階施工方法”解決了施工方法頻繁轉換、資源配置不穩定、隧道塌方、變形等影響施工進度的諸多問題，保證了施工安全及質量，減少了施工人員及設備投入，施工進度明顯提升，Ⅴ級圍巖施工進度由原來的40 m/月提升到64 m/月；Ⅳ級圍巖施工進度由原來的55 m/月提升到74 m/月，取得了良好的社會及經濟效益。

6 結束語

針對不同的圍巖地質條件，選擇合適的施工方法是隧道施工成敗的關鍵。滇西地區地質條件復雜，建議隧道施工固化施工方法［12］，避免頻繁轉換?；趪鷰r自穩時間的三臺階施工方法，在各個工序的施工中加入時間要素，通過對工序時間的控制，做到了復雜地質條件下的快挖、快支、快成環，為同類地質條件下的隧道施工提供了參考。