淺埋偏壓軟弱圍巖隧道中短臺階的施工技術

胡藝競

(中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610073)

1 工程概況

本文以縉云山隧道作為研究案例，隧道最大埋深約276 m，線間距14.77～30 m,為分離式+小凈距組合式隧道，暗洞段線間距均大于15 m，其中左線樁號為ZK6+117.5—ZK7+629，長1 511.5 m；右線樁號為YK6+120—YK7+640，長1 520 m。隧道出口左、右線洞門均采用端墻式洞門。左、右線洞門平面分別位于半徑為1 613.483 m和1 500 m的左偏曲線上，超高為3%。左線隧道軸線在左線路基設計線左側7.625 m，右線隧道軸線在右線路基設計線右側7.625 m。

結合前期勘察報告來看，隧道內的巖石以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，其中，Ⅳ、Ⅴ級圍巖受損比較嚴重，圍巖裂隙發育速度比較快。在實際對隧道進行施工的過程中，由于隧道沿線大部分都是由軟弱土構成的，出現坍塌的可能性比較大，所以隧道工程是分部工程中的關鍵性部分，同時也是安全隱患最大的一個分部工程。

2 施工重難點

縉云山隧道出口部位的圍巖出現破碎現象，圍巖自身的穩定性比較弱，加之附近地形存在偏壓現象，局部出現小凈距路段，實際施工時必須要慎重地選擇施工方法。隧道主洞部分與橫洞相交部位剛好位于Ⅳ、Ⅴ級圍巖段，該路段的受力情況比較復雜，施工過程中需要加強測量的力度。

隧道洞口部位的圍巖屬于土層與強風化巖體，路段內的巖石風化現象比較嚴重，裂縫發育速度比較快，圍巖自身的穩定性比較差，巖石破損嚴重，且暴露出地表下沉現象，所以，如何安全穿過淺埋小凈距軟弱圍巖地段是本項目中的施工難點。

3 短臺階施工技術要點

3.1 施工工藝流程

隧道施工的具體流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3.2 超前支護

斷層施工過程中的超前支護方案有兩種：

(1)在隧道洞身部位設置超前管棚進行支護；

(2)超前小導管注漿進行支護。

3.2.1 洞身超前中管棚施工

(1)鉆孔。支護體系施工時，鉆孔使用電動地質鉆機進行作業。將鋼管沿著隧道內壁以5°插入圍巖中，鉆孔時需要設置導向架，也可以在鋼架腹板部位開孔穿管棚進行加固。使用測斜儀來檢測鉆孔的傾斜度，嚴格控制管棚的插入方向始終保持在正確方向上。在隧道附近設置孔環，孔環的間距控制為40 cm，鉆孔沿著隧道兩側的拱腳向拱頂部位鉆進，保證下放注漿管能夠有效支撐頂管，與此同時，使用注漿的方式來加固圍巖，盡可能增大圍巖的承托作用力，從而降低鉆頭的下撓作用力。

(2)管棚制作。超前支護使用的管棚為熱軋無縫鋼管，鋼管的直徑為φ76 mm、壁厚6 mm，中管棚單根長度控制在8 m，鋼管的端頭加工成尖錐形，管壁表面鉆孔，孔徑控制在8～10 mm，壓漿孔之間的間距控制在10～20 cm，壓漿孔按照梅花狀進行布設，管棚兩環之間的搭接長度不得低于2.6 m。中管棚構造如圖2所示。

圖2 中管棚布置示意圖(單位：mm)

(3)注漿。壓漿使用攪拌機與注漿泵完成，注漿應該按照從下往上的順序進行。漿液選擇使用的是水泥漿，水泥漿的水灰比確定為1∶1。當圍巖出現破碎現象，或是地下水發育現象時，可以適當摻加水泥-水玻璃漿液，保證漿液的強度不低于M10。注漿壓力保持在0.5～1.0 MPa。單根注漿管的注漿量可根據式(1)計算：

Q=πR2Lη

式中：R為漿液流動半徑，取值為0.6L0；L0為注漿鋼花管的間距，m；L為鋼花管的長度，m；η為圍巖孔隙率，通常取值為5%。

3.2.2 超前小導管注漿加強支護施工

鉆孔插管利用風動鑿巖機完成，正式注漿之前需要對開挖斷面噴射2～10 cm厚度的混凝土，將開挖斷面做封閉處理。注漿時，應該由兩側向中間、由下向上進行注漿。注漿過程中要確保不會出現串漿或是跑漿現象[1,2]。

(1)布孔。將格柵鋼架作為鉆孔設備的支撐點，形成良好的管架支護環以后進行布孔。注漿孔的間距控制在40 cm，注漿管的長度控制在3.5～4.5 m。

(2)鉆孔。嚴格按照前期布設的注漿眼的位置進行鉆孔，確保鉆孔位置的精準性，鉆孔選擇使用φ48 mm的鉆頭，鉆孔的角度保持在10～12°。

(3)頂管。超前小導管選擇使用熱軋無縫鋼管，鋼管的規格：直徑為42 mm，壁厚為2.5 mm；導管的長度控制在3.5～4.5 m；注漿孔直徑控制在6～8 mm，注漿孔間距控制在10～20 cm，注漿孔按照梅花狀進行布置，鋼管的前端加工成錐尖形。超前小導管如圖3所示。

圖3 小導管構造圖

(4)封堵。導管安裝完成以后，使用錨固劑將導管與孔壁之間的縫隙做封堵處理。

(5)注漿。注漿應該按照由下向上的順序進行作業。注漿液使用的是水泥漿液，漿液的水灰比為1∶1，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。注漿的速度應該設置為初期進漿速度的25%。注漿過程中，應該全程觀測注漿壓力，對注漿的具體情況進行分析，避免出現堵塞現象，并做好詳細的注漿記錄。施工人員可以結合注漿情況對注漿參數進行調整。具體的注漿參數應該結合施工現場的試驗進行確定。

水泥漿液的進漿量比較大，假若注漿壓力長時間不出現提升現象時，施工人員應該對水泥漿液的濃度或是水灰比進行調整，減少水泥漿液凝結的時間，然后換用小泵量的設備進行注漿。

3.3 洞身開挖

D2K314+080—D2K314+880斷層段使用CRD方法開挖土方。

CRD法施工的核心理念是“短進尺、弱爆破、早封閉、強支護、襯砌緊跟”，CRD方法基本上都是使用機械開挖或是爆破開挖，使用爆破進行開挖時，應該嚴格控制炸藥的用量。施工工序發生變化的部位，鋼架應該設置為鎖腳鋼管，以提高鋼架整體的穩定性。實際施工時，單榀臨時鋼架的拆除長度應該控制在10 m以內，以保證施工過程中的安全性[3，4]。

3.4 鉆爆作業

3.4.1 鉆眼

鉆眼施工之前，施工人員應該透徹地了解炮眼的具體位置，嚴格按照施工方案進行作業。施工的關鍵點為鉆研的位置、數量、間距，在未獲得技術人員的許可時嚴禁隨意改動原施工方案。鉆眼應該由經驗豐富的施工人員完成。鑿巖機的鉆桿定位以后，保證鉆孔的合理偏差控制在5 cm以內，鉆孔必須要保證平行，不得出現傾斜。

3.4.2 裝藥起爆

使用空氣間隔的方式進行裝藥，爆破應該按照先爆破中間部位，然后爆破兩側部位的順序，炮孔堵塞的長度不得低于20 cm，現場不得出現反向裝藥炸藥現象。

3.4.3 微震爆破

CRD法開挖方式使用的是微震控制光面爆破。這種作業方式下的最大裝藥量如式(2)：

Qmax=R2×(Vkp/K)3/a

(2)

式中：Qmax為最大藥量，kg；Vkp為爆破的安全速度，cm/s；R為爆破安全距離，m；K為地質條件影響系數；a為衰減系數。

3.5 隧道斷層突水突泥風險段施工

3.5.1 超前帷幕注漿

(1)注漿段的長度與注漿孔位置的布置。結合鉆機的運行性能，施工單位將注漿段的長度確定為25 m；帷幕注漿是指通過一定的措施促使漿液擴散至帷幕區域內巖層縫隙中，因此注漿孔的布設就必須保證漿液擴散不會出現空白區域。

(2)注漿方式。注漿作業應該按照先外圈后內圈的順序展開作業，相同圈注漿使用間隔施工法，每一個注漿孔都使用后退式注漿法，假若鉆孔時遇到涌水現象或是巖石夾層時，可以直接一鉆到底，注漿一次成型；假若鉆孔時遇到塌孔或是巖層破碎現象時，則應該立即暫停鉆孔，采用分段注漿法進行作業[5-7]。

(3)孔口管埋設及鉆孔。注漿孔應該足夠的牢固，確保注漿作業過程中不會出現漏漿、串漿現象。注漿孔口需要設置注漿管，注漿管的長度為5 m，直徑為φ127 mm，管壁厚度為6 mm。注漿管的安裝方法為：使用YQ—100型號的鉆機進行鉆孔，鉆進的深度控制在5 m，然后使用φ127 mm鋼管插入孔內，鋼管外露的長度保持在20～30 cm，鋼管外壁與孔口之間產生的縫隙使用麻絲進行填補，麻絲填補以后注入雙液漿做固結處理。孔口管應該發揮導向作用，鉆孔的位置必須保證精準，與設計要求之間的誤差控制在±5 cm以內。每鉆進一定距離以后，應該立即進行檢查，假若發現存在質量偏差應該立即進行整改，確保孔底部位的偏差控制在±30 cm以內。

(4)制漿。漿液拌制使用的是JZ350型號的攪拌機，為了確保漿液攪拌的均勻性，同時確保漿液攪拌不會出現沉淀現象，施工單位額外配備了2臺攪拌儲漿桶，每臺儲漿桶的容量為1 m3，并加設了加速器與電動機作為輔助設備。將支架倒立裝置在儲漿桶上側，連接聯動軸將動力傳輸給攪拌軸。為了便于設備吸收漿液，在儲漿桶的外側裝置了2個收漿口，以保證漿液及時供應[8-10]。

3.5.2 超前局部注漿

如果隧道超前探測時遇到斷層，且斷層出現涌水現象，若涌水量與涌水壓力均不是很大，可以直接在孔口部位安裝止漿閥予以處理；若涌水量與涌水壓力比較大，則可以在孔口部位的2～3 m處設置分流孔，降低孔口部位的涌水壓力，以便于后續的注漿作業。

如果孔口附近的巖石出現破碎現象，則可以在孔口部位設置孔口管，孔口管裝置之前，需要在管口外側纏繞麻絲或是棉紗，然后插入注漿孔中，管口外壁與孔壁之間的縫隙使用水泥砂漿進行填補，在填補密實以后開始注漿，當注漿作業完成以后，將孔口做封堵處理。

3.5.3 局部徑向注漿

圍巖結構的整體性比較好，該路段的涌水量比較小，在開挖隧道的過程中可以直接沿著隧道前進的方向設置徑向注漿。以堵水為核心目的的敏感地段或是洞壁出水量過大的路段，該部分路段的圍巖自身具備一定的穩定性，即便是開挖以后，洞壁也會出現少量的出水現象。

注漿口的間距為150 cm，孔底的間距控制在250 cm，孔底的縱向間距控制在250 cm。注漿孔使用風機鉆進行鉆孔，鉆孔的直徑控制為75 mm，終孔的直徑不得低于42 mm，在終孔以后插入孔口管。孔口管選擇使用鋼花管，直徑為89 mm，鋼管的壁厚為5 mm，單根鋼管的長度為1 m，鋼管外壁與孔壁之間的縫隙使用麻絲進行填補，保證注漿過程中不會出現漏漿現象。

3.5.4 超前小導管注漿固結止水

結合超前地質條件檢測報告結果來看，發現掌子面前側需要穿越斷層破碎帶，該地帶可能會出現涌水現象，涌水量未超過10 m3/h，局部導管的涌水量超過2 m3/h。為確保施工順利，使用超前小導管注漿做支護，以加強圍巖的穩定性。

超前小導管使用熱軋無縫鋼管加工而成，鋼管的直徑為42 mm，在前側鉆孔，鉆孔的直徑控制在6～8 mm，注漿孔的間距控制在10～20 cm，注漿孔按照梅花形進行布設，注漿孔部位需要加設控制閥。為了保證小導管的支護效果，要降低小導管的外插角度，以保證鋼架的腹板能夠順利穿過小導管。

4 結束語

綜上所述，該項目內隧道淺埋偏壓段使用的是中短臺階法進行施工，這種方法可以有效解決初期支護變形的問題，加固圍巖結構的穩定性，同時還可以縮短施工工期、保證施工人員的人身安全，具有良好的社會效益與經濟效益。因實際施工縮短了臺階的長度，土方開挖、防水板鋪設等工序均使用的是非常規性作業方法，導致施工效率降低，促使整個項目最終的施工效果未能夠達到理想中的效果，但是整體施工效果還是不錯的。