小凈距及分離式隧道施工工藝與技術研究

杜憲武,巫雅杰,楊玉平,王 晶,李晨子

(中鐵北京工程局集團(天津)工程有限公司,天津 300000)

0 引言

隨著高速公路的快速發展,線路存在穿越山體的情況,不可避免地需要進行隧道開挖[1],當圍巖條件[2]較差時,為了施工安全,考慮到圍巖壓力、結構自重[3]等,需要進行小凈距[4]開挖。如吳波等[5]采用數值軟件計算不同工況下小凈距隧道的力學響應,從而得到最優化參數方案。夏夢然[6]通過理論推導,對淺埋超小凈距隧道的失穩機理進行系統研究,發現增大土體的黏聚力、內摩擦角等均能增加支護反力,使其效果更顯著。因此,為了隧道的穩定性和安全性,通過對開挖施工工藝與技術進行研究,從而找到最優的施工方案,為工程質量提供保障。

1 工程概況

隧道采用雙向六車道設計,設計行車速度100 km/h。為小凈距+分離式隧道,隧道單洞為三車道大斷面隧道,隧道凈寬14.5 m,凈高5.0 m。隧道左線全長2 014 m,其中設計Ⅳ級圍巖1 608 m、Ⅴ級圍巖406 m；右線全長2 005 m,設計Ⅳ級圍巖1 621 m、Ⅴ級圍巖384 m。設置車行橫通道3處,緊急停車帶5處,人行橫通道6處,左右洞進口均為削竹式洞門。

2 施工準備

2.1 施工調查

(1)核對現場地形地貌、圍巖地質情況、地表建筑物、隧道周邊環境情況等與設計文件是否一致,洞口地形地質調查是重點?？衫霉雀璧厍虻裙ぞ哕浖?條件允許的話,建議沿隧道走向對隧道地表情況進行一次詳細踏勘,這一點對淺埋隧道尤為重要。

(2)調查當地氣候、水文、交通運輸、電力通訊、材料和生活資源等供應情況。

(3)調查生產生活房屋、洞口場地、棄碴場、攪拌站等臨時設施布置條件情況。

2.2 技術準備

現場詳細調查與地質勘探；現場樁橛交接埋設與復測；進行地材調查、室內試驗；各種檢測儀器設備的標定,辦理計量合格證書；各種砼、砂漿配合比的配制選定；施工作業中所涉及的各種外部技術數據收集。

2.3 施工前準備

(1)前期進場的主要機械：挖掘機、裝載機、自卸汽車、濕噴機、注漿機、各種鋼筋及導管加工設備,風、電、水的供應設備且滿足施工要求。

(2)隧道進洞前,二次襯砌模板臺車必須進場。

(3)隧道施工供電應采用三相五線供電系統。照明和動力線安裝在同一側,必須分層架設。一般要求高壓在上、低壓在下,干線在上、支線在下,動力線在上、照明線在下。

(4)施工期間洞內嚴格按照三管兩線布設。

3 超前地質預報與監控量測

使用鉆探和現代物探等手段,探測隧道開挖面前方的地質情況,在施工前分析前方的圍巖結構、性質、狀態,以及地下水、瓦斯等地質信息,為施工提供指導,避免施工過程中發生涌水、瓦斯突出、巖爆、大變形等地質災害,保證施工安全。

3.1 超前地質預報的方式

設置隧道地震探測儀、超前地質預報鉆孔、地質雷達,以及每循環多臂鑿巖臺車加深炮孔等多種長、中、短結合的地質預報方式[7]。超前地質預報應以地質分析為基礎,運用地質調查與物探相結合、長短探測相結合、洞內與洞外相結合、物探與鉆探相結合、超前導洞與主洞探測相結合、構造探測與水文探測相結合的綜合預報方法,并相互驗證。

3.2 超前地質預報頻率

(1)隧道開挖爆破后立即進行地質調查并進行地質素描,一般每10 m記錄一次。

(2)利用tsp/tgp每隔100 m左右探測一次。

(3)地質雷達每30 m左右探測一次。

3.3 監控量測項目

隧道現場監控量測項目及量測見表1。

表1 隧道現場監控量測項目及量測

3.4 監控量測成果運用—動態設計

(1)動態設計目的及原則。動態設計目的是使隧道的支護措施和襯砌結構與實際地質情況相適應,保證隧道的結構及運營安全。動態設計的原則是隨地質變化及時改變設計,在保證隧道安全的前提下,做到支護合理、結構安全、節省投資、質量優良和系統最優。隧道工程動態設計是指隧道開挖后,根據開挖支護情況、地質條件、現場監控量測等施工信息,對地勘結論、設計方案、結構形式、支護參數等進行檢驗和修正,如確認原設計條件有較大變化,及時補充、修改、完善原設計的設計方法,是貫通整個施工過程的設計。

(2)施工信息的應用。根據一個斷面的施工信息綜合分析結果進行參數修正,只適用于該斷面前后不大于5 m的同級別圍巖地段；隧道較長地段同級別圍巖設計參數的修正,特別是降低設計參數,必須以不少于3個斷面的施工信息綜合分析為依據；修正設計參數后的施工段落,其設計參數的正確性和合理性仍應根據施工信息綜合分析予以驗證。

(3)動態設計的內容。主要內容包括：隧道圍巖級別調整、設計支護參數調整確認、開挖方法修改建議、施工工序的更改、預留變形量的修正、采用輔助施工措施的建議。

4 施工方案

4.1 小凈距隧道施工方案

小凈距隧道分先行洞和后續洞施工。先行洞施工要控制爆破藥量以保護巖柱不受破壞,盡可能減輕對巖柱的擾動。施工過程中加強監控量測工作,重點是控制爆破震動對中夾巖柱(墻)的危害,后續洞施工確保爆破震動波速小于15 cm/s。

Ⅴ級圍巖洞口淺埋段先行洞采用單側壁導坑法開挖,后續洞亦采用單側壁導坑法施工。小凈距隧道施工應符合以下要求。

(1)應降低小凈距隧道開挖爆破振動造成的相互影響,避免中巖墻受到多次擾動,小凈距隧道先行洞與后續洞掌子面縱向距離不宜小于50 m。

(2)在開挖掌子面前、后15 m范圍內,應加強監控量測,在掌子面前、后30 m范圍內,宜注意監控量測,超過此距離,監控量測的頻率可適當減小。

(3)小凈距隧道施工中,初期支護應及時跟進并封閉,二次襯砌宜在初期支護和圍巖變形穩定后再澆筑。在滿足圍巖穩定的前提下,先行洞二襯宜落后于后行洞掌子面30 m以上。

(4)后續洞的初期支護(落底成環后的)宜超前先行洞的二襯20 m以上。

4.2 分離式隧道施工方案

洞身Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖、Ⅴ級圍巖采用單側壁導坑法開挖。洞口Ⅴ級圍巖土質淺埋段采用雙側壁導坑法開挖,洞口Ⅴ級圍巖巖質淺埋段采用單側壁導坑法開挖。襯砌施作段一般滯后初期支護50～100 m,具體根據現場開挖情況和監控量測結果確定。開挖施工中應著重加強監控量測工作,及時調整支護參數,做到動態設計、信息化施工。

5 開挖工法

5.1 穩定性評價

Ⅳ級圍巖分布在洞身。組成Ⅳ級圍巖的地層巖性主要為洞身段砂巖,此類圍巖屬較軟巖,巖體較完整,層間結合一般或較差,拱部無支護時可產生洞頂坍塌,側壁有時會失去穩定。施工時應采用臺階分段開挖,復合式襯砌,初期支護應及時,短開挖,快支護,局部巖體完整性較差地段采用噴錨支護。

Ⅴ級圍巖分布在洞口,組成Ⅴ級圍巖的地層巖性主要為粉砂質泥巖、泥巖、頁巖,屬軟巖,構造裂隙較發育,層間結合差,圍巖自穩能力差,隧道易產生坍塌,施工時應采用導洞或臺階分段開挖,復合式襯砌。

5.2 新奧法

新奧法主要通過錨噴支護來抑制圍巖變形,再通過監控量測等,充分發揮圍巖的自承能力。新奧法隧道施工的三大要素實質就是“光面爆破(控制爆破)、錨噴支護及監控量測”,其中爆破施工過程中應注意以下4點。

(1)開挖爆破作業應在上一循環噴射混凝土終凝不少于4 h后進行。

(2)雙洞開挖時,一洞爆破另一洞嚴禁裝藥,且人員、設備撤離至安全區域,人員撤離至安全地點后才能引爆,爆破后通風排煙時間不得少于15 min。

(3)鉆爆作業中的鉆孔作業應做到準、直、平、齊,周邊眼外插角精準,兩茬炮交界處臺階不大于15 cm,相鄰爆破分段起爆間隔時間宜不小于100 ms。

(4)炸藥引爆后,看是否存在盲炮情況,及時處理并檢查驗收,排除隱患。

5.3 三臺階法

三臺階法是將隧道分成3部分開挖。首先開挖上臺階,達到一定進尺后,開挖中臺階,接著推進上臺階,再開挖下臺階,從而達到一個循環,依次慢慢向前推進。爆破也是分成3部分進行,從而減小對圍巖的擾動。

臺階開挖每循環進尺需要嚴格控制,如下臺階開挖每循環進尺Ⅳ,Ⅴ級圍巖不超過2榀鋼架間距,下臺階開挖后仰拱應緊跟(Ⅳ級圍巖拱架間距0.8 m,Ⅴ級圍巖拱架間距0.6 m)。

開挖初支及時封閉成環,Ⅳ,Ⅴ級圍巖封閉位置距掌子面不得大于35 m；仰拱距離掌子面距離,Ⅳ級圍巖不得大于50 m,Ⅴ級圍巖不得大于40 m；二襯距離掌子面距離,Ⅳ級圍巖不得大于90 m,Ⅴ級圍巖不得大于70 m。

施工工序：超前小導管→上臺階開挖→上臺階初期支護→上臺階臨時橫撐→中臺階開挖→中臺階初期支護→中臺階臨時橫撐→下臺階開挖→下臺階初期支護→仰拱開挖→仰拱初期支護→仰拱及填充混凝土→拱墻混凝土。

5.4 三臺階七步法

三臺階七步法是以弧形導坑開挖留核心土為基本模式,分上、中、下3個臺階7個開挖面,各部位的開挖與支護為沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。在遇到圍巖條件較差時,可以將三臺階法變成三臺階七步法,使其施工過程中更加安全。

施工工序：超前小導管→上臺階開挖→上臺階初期支護→中臺階左側開挖→中臺階左側初期支護→中臺階右側開挖→中臺階右側初期支護→下臺階左側開挖→下臺階左側初期支護→下臺階右側開挖→下臺階右側初期支護→分三步開挖核心土→仰拱開挖→仰拱初期支護→仰拱及填充混凝土→拱墻混凝土。

6 隧道塌方隱患及控制措施

6.1 隧道塌方隱患

隧道在穿越山嶺地區時,由于水文地質條件的復雜性,造成了施工難度的增加。同時由于我國山多、地質類型多,這就決定了我國是世界上隧道施工最復雜、最困難的地區,隨著我國國民經濟的發展,地下空間不斷得到開發利用,特別是鐵路公路修建標準的提高,山嶺隧道越來越多,越來越長,隧道施工中發生塌方的數量也就會有所增加。了解容易發生塌方的地段和部位,對預防隧道塌方非常重要。軟弱圍巖隧道事故主要表現在3個方面：洞口塌方、掌子面變形塌方、掌子面后方塌方。

6.2 塌方類型

(1)掉塊：隧道局部巖塊失穩而掉落,危害較小。

(2)偏幫：隧道邊墻失穩破壞的塌方,處理不當將引起大塌方,危害較大。

(3)冒頂：發生于隧道拱部的塌方,個別可塌穿至地表,危害很大。

(4)關門：在隧道開挖面(掌子面)后方發生的塌方,多數可將前方施工人員、設備掩埋或堵在塌體至開挖面(掌子面)之間,危害極大。

6.3 塌方前征兆

(1)量測信息所反應的圍巖變形速度或數值超過允許值。

(2)噴射混凝土產生縱、環向的裂紋或龜裂。

(3)拱頂或側壁發現掉塊,鋼拱架間隙漏出砂子、石屑。

(4)巖層層理、節理縫或裂隙變大、張開。

(5)鋼拱架變形。

(6)隧道滲水變為滴水、線流或股狀出水。

(7)隧道內滲水變渾。

6.4 容易發生塌方的地段

埋深較淺地段、斷層破碎帶、巖層接觸帶、高應力地段、高水位富水區段、可溶巖地區、黃土地區及砂土地區。在隧道中容易發生塌方的部位：隧道洞口、隧道拱腳、隧道墻角、隧道拱部、隧道與隧道的交叉部位。

6.5 塌方常用輔助施工方法

方案方法規避風險,工藝過程控制風險,細節管理降低風險。在隧道施工中必要的輔助施工方法,是確保隧道施工安全的重要手段。

(1)大管棚：一般應用于洞口段或隧道內圍巖極破碎地段超前支護,管徑80～150 mm,管長10～30 m,環距30～40 cm,沿開挖輪廓線外,水平打進,采用鉆孔機鉆孔后安管或直接用夯管機夯進,從管口向管內注水泥漿。

(2)小管棚：應用于圍巖破碎軟弱地段超前支護,管徑40 mm,管長2～3.5 m,環距20～30 cm,管壁周邊鉆10 mm小注漿孔,沿開挖輪廓線打進,外插角2°～5°,從管口注漿加固地層。

(3)帷幕注漿：在破碎軟弱地下水豐富的巖層中,開挖前須對前方及周圍巖體進行全斷面注漿加固堵水,注漿長15～30 m,漿材為水泥漿或雙液漿,采用前進式或后退式分段注漿。

(4)徑向注漿：水壓較小地段,隧道開挖后沿周邊徑向利用注漿管注漿堵水。

(5)壁后注漿：隧道支護后,對支護背后空洞進行回填注漿。

(6)新意法(新意大利法)：開挖前預先加固地層、預先支護的施工方法。

7 結語

小凈距+分離式隧道施工過程中,應時刻進行監控量測,掌握圍巖和支護動態,進行日常施工管理。同時還應將監控量測結果反饋設計及施工中,確保隧道施工及運營安全與經濟。針對不同的地質條件采用不同的工法施工,充分利用圍巖的自承能力,在符合標準的前提下,再對工法進行改進,同時注意各種事故隱患的發生。