富水超基性巖蝕變帶隧道施工技術研究

李 飛

(中鐵十九局集團第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 工程概況

安定隧道位于南溪河站～墨江站區間，處于滇西南地區哀牢山脈，屬于構造剝蝕中低山地貌，受構造侵蝕作用，地形起伏大，地表溝谷縱橫，十分發育[1]。安定隧道是全線最長隧道，全長17 476 m，為單面上坡，除進口段1.2 km位于曲線外，其余地段均為直線。洞身主要穿越3套地層。一是三疊系路馬組(T3lm)以砂巖、泥巖為主；二是志留系中下統(S1-2)以頁巖、炭質板巖、炭質泥巖為主。三是燕山期侵入()超基性巖及斷層角礫(Fbr)。全隧發育斷層20條、向斜2條。

2 侵入巖類型及施工難點分析

2.1 富水地段侵入巖

該段揭示巖性為超基性巖(橄欖巖)和泥巖，橄欖巖為橄欖色，粗粒結構，含黑色云母片，塊狀構造，受構造影響巖體破碎，呈碎塊、角礫狀，部分呈塊狀結構；泥巖為灰綠色，呈土塊狀，粘性強、表面光滑，用手可搓成條，遇水極易軟化變形，主要分布于左側和右側拱部開挖輪廓線附近[2]。圍巖整體強度低，軟弱，自穩性差，呈角礫、碎石狀松散富水結構，開挖易坍塌或大變形。拱部脫空，初期支護收斂變形明顯。具體形態見圖1。

圖1 富水地段的侵入巖

2.2 侵入巖與砂巖接觸帶

安定隧道九甲安定斷裂處埋深350 m，小里程端為三疊系地層，以砂巖、泥巖為主，圍巖相對隔水；大里程為燕山期超基性巖地層[3]，以蝕變的橄欖巖、蛇紋巖為主，軟弱富水；在施工至此斷裂帶時，出現承壓水，水壓大于2 MPa，水平射距超過30 m。通過流量計顯示水流量達1 800m3/h，水質渾濁，含泥沙量大。圖2為承壓水噴出時照片。

圖2 承壓水通過超前鉆孔噴出

2.3 難點分析

斷層破碎帶發育，斷層與斷層、斷層與向斜交叉相匯，受地質構造影響圍巖富水、軟弱、破碎、穩定性差，掌子面開挖后溜塌、涌水、涌泥現象明顯，危險性大；初期支護難封閉且時間長，初支封閉后變形控制難度大；鋼架出現扭曲、折斷、錯位斷開、初支開裂掉塊、侵限等現象，造成初支拆換，現場施工緩慢，工期要求難以滿足。

3 關鍵施工技術

3.1 多種方式的超前地質預報措施

采用TSP、瞬變電磁、雷達、超前水平鉆孔、加深炮孔、地質素描等多種超前地質預報進行綜合判識[4]，最終由專業地質人員形成綜合報告，判斷前方圍巖的情況，根據預判圍巖情況制定針對性支護措施。

3.2 超前支護施工

施作φ76超前管棚+φ42小導管密排施工的預加固措施，保證圍巖的穩定性，管棚縱向搭接長度不小于3 m，小導管搭接長度不小于1.5 m，鉆孔由中間向兩邊，跳孔施工，注漿由兩邊向中間施作[5]。

3.3 微臺階法施工

微臺階施工工法，將整個斷面分為三級臺階，每級臺階長度控制在5 m左右，臺階高度控制在3.5 m以內，利用臺階形成的高差，使得隧道內的空間得到充分利用。仰拱初期支護緊跟下臺階，使初期支護在最短時間內封閉成環。大大提高了開挖支護作業效率、降低了開挖支護與仰拱、二襯的施工干擾，減少圍巖的收斂、沉降變形。上臺階開挖后將渣土扒至下臺階，后上臺階立鋼架與下臺階出渣同時進行，下臺階立鋼架與上臺階超前支護同步施工，上下臺階形成平行作業，實現了快挖、快支和快速封閉成環[6]。使得軟弱圍巖隧道實現快挖、快支、快封閉，不僅能夠有效抑制工藝性變形、最大限度減少結構性變形，而且還能大幅提升軟巖隧道的施工工效，取得較好施工效果。圖3為微臺階法施工縱斷面圖。

圖3 微臺階法施工縱斷面圖

3.4 噴射混凝土封閉掌子面

蛇紋巖地段和蝕變帶富水地段，掌子面開挖完畢后極易溜塌。為了保證掌子面在有效的工作時間內保持穩定，采用噴射混凝土進行封閉掌子面，來延長圍巖的自穩時間；利用有效的穩定時間，對初支進行快速封閉，減少溜坍事故發生，加快施工進度，保證安全[7]。

3.5 雙層鋼架跳段鎖定、等剛度初期支護參數優化

為控制好初支的收斂、沉降，避免出現初支侵限，也避免出現初支變形后進行增加套拱加強支護，再進行拆卸；施工期間采用雙層鋼架(全環 25b+20b型鋼鋼架)強支護跳段鎖定來保證軟巖地段的初支穩定性(見圖4)。第二層鋼架在上臺階完成架設，與第一層初支間距控制在5 m范圍內。有效控制了圍巖的收斂、沉降，避免出現初支侵限拆換[8]。

圖4 雙層鋼架加強支護

鋼架間距根據開挖進尺及時調整，保證鋼架密貼掌子面，延長掌子面的穩定時間，縮短循環時間，加快施工進度。

3.6 φ76大鎖腳可有效控制收斂

軟巖地段初期支護極易收斂，收斂后初支跟隨下沉，造成初支侵限。為避免初支收斂過大，采用大型號鎖腳錨管進行控制初支變形(將原設計4.5 m長φ42鎖腳錨管調整為5～6 m長φ76鋼管)；初支的收斂、沉降變形，得到了明顯的控制[9]。

3.7 加大預留變形量

為了避免初支變形，造成侵限換拱，我們采取了多種聯合方法治理，其中加大預留變形量，延長變形時間，就是其中一項，預留充足的變形空間和變形時間?，F場實際施工時根據圍巖變形情況預留量調整到30～70 cm不等。

3.8 應力值的測設

針對可收縮鋼架、雙層鋼拱架、錨桿等支護措施的特點和適應性，采用數值分析方法，研究不同支護結構形式的受力特征，分析初期支護剛度、厚度、錨桿長度及布置方式、鋼拱架剛度及間距對圍巖變形和穩定性的影響；建立侵入巖蝕變帶圍巖-支護體系相互作用力學模型，研究隧道結構荷載分布形式及受力模式[10]；分析二襯結構應力、應變規律，探明襯砌結構應力傳遞過程中裂紋產生和發展規律，確定襯砌結構受力特征、破壞模式及極限承載力，結合現場實測數據，各項目監測頻率見表1，優化二襯結構參數。形成大變形地段合理支護結構體系。圖5為隧道橫斷面測點布置。

圖5 隧道橫斷面測點布置

表1 各項目監測頻率

3.9 監控量測

監控量測點縱向間距3～5 m，每個斷面埋設5個監控量測標，通過監控量測數據反映圍巖變形情況，與應力值進行對比。針對應力值大、監控量測變形明顯部位制定支護方案進行加強處理[11]。

3.10 分水降壓與輔助坑道風險防范

由于隧道施工中地下水十分發育，圍巖軟弱，初支變形嚴重，且隧道施工大部分為反坡段，掌子面受水浸泡后軟塑現象十分明顯，造成掌子面溜塌、變形現象頻繁發生，帶水作業十分困難，為后期施工增加了很大難度，造成施工效率極低。為了有效提高隧道內的施工效率，通過平行導坑進行分水降壓，平行導坑采用單車道5 m×6 m曲墻式斷面，與正洞之間距離大于30 m，加以輔助坑道進行風險防范，有效保證了施工掌子面的安全，也大大提高正洞掌子面施工效率[12]。

4 結束語

本文以實際工程為背景，通過改變施工工法，加強監測，噴射混凝土封閉掌子面、超前管棚、大鎖腳、雙層鋼架跳段鎖定、等剛度初期支護參數優化、加大預留沉降量、分水降壓與輔助坑道風險防范等多項技術綜合應用，成功解決了隧道在超基性巖蝕變后，遇水軟塑難施工的問題，取得了良好的效果，也為同類地質條件的地下工程施工提供借鑒。