強風化砂巖地段隧道小凈距段的施工重難點及風險研究

張志宏

在烏梁隧道小凈距段的施工中，有很多強風化砂巖地段，往往因環境問題、土質問題以及施工問題等造成洞身結構的不穩定，對施工安全與日后運營造成風險。因此對于洞身開挖、超前支護、初期支護以及中夾巖加固措施等施工有著較高的依賴性，需要做好前期各項支護防護措施，為隧道提供更多的穩定性。

1 強風化砂巖地段隧道小凈距段工程概況

小凈距段隧道示意如圖1 所示，1 為 中 夾 巖，2 為 超 前 小 導 管，3 為中空注漿錨桿，4 與5 分別為小凈距段隧道的左洞與右洞。該隧道整體為左右行分離式的雙洞長隧道，其進口處于甘肅省隴西縣，出口位于甘肅省漳縣，左線長1 666 m，里程樁號為ZK18+555～ZK20+221；右線長1 686 m，里程樁號為YK18+555 ～YK20+241。隧道圍巖均為Ⅴ級，隧道小凈距段里 程 為ZK18+573 ～ZK18+750、Y K 1 8 + 5 7 3 ～ Y K 1 8 + 7 5 0 、Z K 1 9 + 9 4 0 ～ Z K 2 0 + 2 0 3 、YK19+950 ～YK20+223。小凈距段兩洞相距較近，后行洞的施工對先行洞影響大，中夾巖柱自穩能力弱，隧道結構極易失穩、坍塌。故應選擇合適的開挖方法，減少對巖柱的破壞，加固中夾巖柱。

圖1 小凈距段隧道

本隧道處于中低山丘陵，由于長期受到環境侵蝕，因此有著大量的風化土在隧道上披掛，且溝底會漏出基巖，山體的不穩定很容易造成崩塌。此外，由于內部結構遭到破壞的全風化砂巖中夾雜著少量的強風化碎塊，極容易破裂，用手都可以捏碎，毫無穩定性可言[1]。而在隧道周邊的滑坡結構中，也會由于基巖裸露而顯出陡坡，隨著施工很容易使滑坡發生坍塌，因此應做好排水工作與穩定措施，減少水侵蝕而形成的形變。隧道中雖有著透水性較為良好的松散巖空隙，但基巖裂隙有粉砂巖和泥質砂巖，水性較差，更容易形成儲水帶，發生軟化與崩解的情況，影響施工。

2 強風化砂巖地段隧道小凈距段施工重難點與風險

在強風化砂巖地段隧道小凈距段的施工中，由于砂巖與砂礫巖本身的質地結構較軟，容易發生碎裂，遇水也容易軟化造成崩解，整體結構較為松散，在埋深較淺的情況下有著很差的自穩能力，容易發生坍塌。同時在施工中，隧道開挖后，拱頂與局部應力所承載的負荷較高，極容易發生沉降，因此便會對隧道結構的穩定性造成影響，產生塌方，或是讓隧道的底部被水侵蝕，影響地基的承載能力。

在整體隧道中，小凈距段相距較近，且對施工前期的挖掘影響較大，具體表現為在隧道出口段沖溝發育，溝深約30 ～50 m，溝兩側基巖出露，以強風化砂巖為主。露出砂巖呈全風化，節理裂隙發育。溝內局部有滲水現象，溝兩側淺表溜滑較發育。這種強風化砂巖質地松軟，易碎易坍塌，巖體完整性較差，因此很容易發生側壁與棚頂的坍塌。

在 Z K 1 8+5 7 3 ～ Z K 1 8+7 5 0（YK18+573 ～YK18+750）段，隧道圍巖以古近系（E）強風化砂巖為主，這種呈現棕紅色的砂質結構主要為石英，雖有較為完整的巖芯，但容易破碎，且同樣有著雨水軟化與崩解的問題出現，因此隧道挖掘過程中應著重于對防護結構與保護措施的建設，避免出現坍塌。

在 Z K 1 9+9 4 0 ～ Z K 2 0+2 0 3（YK19+950 ～YK20+223）段，隧道圍巖以古近系（E）強風化～全風化的粉砂巖為主，棕紅色的巖體有著層狀的結構，且原始巖結構已經隨著風化而被破壞，風化程度較高，巖心呈現碎塊狀，容易被掰碎，遇水易軟化，因此其結構松散，但側壁較為穩定，在開挖過程中應注意雨水帶來的影響，防止出現滲水的情況，可采用信息化施工[2]。

3 應對小凈距段施工重難點與風險的施工對策

3.1 總體施工方案

針對在強風化砂巖地段隧道小凈距段施工中的各項風險，相關人員應做好充分的施工方案優化，并全方位考慮施工中各項因素對施工造成的安全隱患。小凈距段施工中，應采用單側壁導坑法進行施工，其中襯砌按復合式襯砌進行設計，初期支護承受少量荷載，二次襯砌承受大部分荷載，因此施工時對于上半斷面及基礎鎖腳錨桿的施工質量應加以把控。

根據隧道地質特點，先開挖埋深較淺的一側，單洞開挖應先開挖中夾巖側，具體施工工序為：先行洞超前支護→先行洞內導洞上半斷面開挖支護→先行洞內導洞下半斷面開挖支護→先行洞外導洞上半斷面開挖支護→先行洞外導洞下半斷面開挖支護→先行洞仰拱澆筑→先行洞二襯施工。

先行洞施工完畢后，再按照同樣的順序進行后行洞的施工，初期支護中應緊跟開挖面，及時封閉仰拱與仰拱的回填層，二次襯砌應在監控量測的基礎上，等待初期支護穩定后再進行施工。施工過程中應嚴格控制循環進尺，嚴禁因為趕工期而增大循環進尺。在小凈距段的施工中，也應減少對中夾巖柱的破壞，加固中夾巖柱，通過預注漿與長水平系統錨桿等進行加固，確保中夾巖層柱的穩定。

施工中的兩主洞掌子面應保持不小于開挖隧道寬度的兩倍距離，并要確保施工安全，減少后行洞對先行洞爆破振動的影響。正確安排雙洞開挖支護的間隔和順序，有效控制兩隧道之間由于凈距較小引起的圍巖變形，遵循“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則并確保中夾巖柱的穩定。

施工中為保證隧道開挖的安全性，應依照實際情況選擇預裂爆破與光面爆破等技術，控制先行洞襯砌處的震動速度，同時根據不同的圍巖分級來制定監控量測計劃，將中夾巖層柱的穩定、地表的沉降以及爆破振動對相鄰洞的影響作為質量把控的重要依據。

3.2 超前支護施工

洞口的超前支護采用大管棚。對于管棚施工應采用無縫鋼管，其中鋼管上的鉆孔孔徑為10 mm，孔間距為15 cm，呈梅花狀布置，尾部留出30 cm 的止漿段。同時保證鋼管的環向間距與外插角度合乎標準，并使相鄰鋼管的接頭交錯，襯砌混凝土套拱作導向墻。在遇到松散的堆積層和破碎地質時，鉆進中可以考慮增加套管護壁，確保鉆機順利鉆進和鋼管順利頂進。注漿采用隔孔注漿，注意壓力控制，防止爆管。

隧道內的超前支護采用超前小導管。超前小導管在搭設過程中應注意將其尾端支撐于鋼架上，并用風槍送入小導管，小導管縱向至少保證1.0 m 的搭接長度，環向間距及外插角度應符合設計要求，中間部位鉆φ8 的注漿孔。注漿孔呈梅花形布置，間距為15 cm，尾部50 cm 范圍內不鉆孔以防漏漿，末端焊直徑為6 mm的環形箍筋，以防打設小導管時端部開裂，影響注漿管連接。此外，小導管的前端應加工成錐形，方便插入，還可以起到防止漿液前沖的作用，同時在注漿過程中應按照合理的間距進行，防止漏漿以及導管開裂，從而影響后續導管連接。小凈距段隧道超前支護如圖2 所示。

圖2 小凈距段超前支護布置圖

3.3 洞身開挖防護

洞身開挖過程中，應著重洞口的邊坡防護工作。在開挖前，應嚴格檢查洞口的臨時防護措施是否存在開裂與斷裂的情況，如果存在，則應對其進行防護處理，鑿除開裂、脫落的混凝土，增設砂漿錨桿，重新掛網噴漿加強防護。洞身開挖應在超前支護已經維持在穩定狀態后進行，并嚴格按照“短進尺、強支護、短臺階、早成環”的原則。

小凈距段因兩洞相距較近且處于強風化砂巖地段，后行洞的施工對先行洞影響較大，故禁止采用爆破法施工，嚴格采用小型機械松動巖體，人工或小型裝載機裝渣的非爆破方法開挖，盡可能減少對圍巖的擾動和破壞，使圍巖固有的自穩能力不受破壞，特別是控制減少對中夾巖柱的破壞；嚴格限制隧道開挖的循環進尺長度，每次開挖循環進尺長度不得大于一榀鋼拱架的距離，及早施作初期支護，封閉成環。另外，隧道圍巖變形量與隧道跨度、施工方法以及施工水平等多種因素有關，施工中應對監控量測結果進行分析，及時調整下一階段同等級圍巖的預留變形量，以防止圍巖的實際變形量超過預留變形量，造成初期支護侵入二襯空間，同時也可避免因預留變形量過大而造成增大二次襯砌厚度或出現回填現象[3]。

3.4 隧道初期支護

隧道初期，支護拱部及邊墻采用C25噴射砼，仰拱采用C30 現澆砼，鋼架內外弧設φ8 鋼筋網，網格間距的尺寸為20 cm×20 cm。中隔壁及臨時仰拱采用I18 工字鋼，間距同初支鋼架。為了保證隧道順利施工，開挖后需要及時進行不小于4 cm 的初噴，初噴完畢后進行系統錨桿鉆設安裝、內鋼筋網掛設、鋼架安裝、外鋼筋網及連接筋焊接、鎖腳錨管打設、噴射混凝土至設計厚度。初期支護必須緊隨開挖進行，開挖一環支護一環。

錨桿架設中應使用錨桿臺車進行鉆孔，鉆完孔后運用高壓風機對孔內的巖屑進行清除。將錨桿與錨頭組合后送入孔內，并將止漿塞加固桿體，套上墊板后擰緊螺母，向內部注入水泥漿液，進一步起到加固作用。鋼筋網在初噴混凝土、錨桿完工后安設，網片要緊貼初噴及鋼拱架，網片與網片間、網片與錨桿間要焊接牢固。鋼架在洞外按設計加工成型，洞內安裝在初噴混凝土后進行，與錨桿連接。鋼支撐間設縱向連接筋，為保證拱架支撐的穩定性和有效性，兩拱腳處和兩邊墻腳處加設鎖腳錨管[4]。

拱架支撐架立后盡快噴混凝土，噴射混凝土分兩次完成，即初噴和復噴。初噴可起到封閉圍巖的作用，復噴可將拱架、掛網、錨桿等進行加固。噴射混凝土以濕噴為主，含水量較大地段采用潮噴工藝，分段、分片、分層進行，由下向上，從無水、少水向有水、多水地段集中，多水處安放導管將水排出。施噴時噴頭與受噴面基本垂直，距離在1.5 ～2.0 m。噴射順序先下后上對稱進行，先噴鋼架與圍巖之間空隙，后噴鋼架之間，鋼架應被噴射混凝土所覆蓋，使拱架支撐與噴射混凝土共同受力。

3.5 中夾巖加固措施

開挖前中夾巖預加固采用大外插角超前小導管注漿加固（圖3），尾端支撐于鋼架上，開挖后中夾巖側采用R25 中空注漿錨桿加固（圖4）。超前小導管注漿和中空注漿錨桿可以改變圍巖的力學性能，提高圍巖力學參數，對圍巖的加固主要通過小導管、錨桿和漿液兩方面來實現。

圖3 小凈距段隧道中夾巖超前小導管注漿加固

圖4 小凈距段隧道中夾巖R25 中空注漿錨桿加固

在小凈距隧道中夾巖柱區域，主要以整體加固原理為主，通過超前小導管和中空錨桿的支撐力作用使周圍巖體形成加固帶，從而形成一個能承受荷載的穩定巖體，提高圍巖本身的自穩能力，為整體施工提供穩定性保障。

4 強風化砂巖地段隧道小凈距段施工的質量把控

在強風化砂巖地段隧道小凈距段施工過程中，應對各個方面進行質量檢查。首先在隧道施工初期，應通過隧道的巖性與工程地質情況結合超前地質報告，推測前方的地質條件，并評估支護結構的穩定性，可根據隧道開挖面的地質情況和巖體結構等進行觀測。

另外，也應觀測洞口淺埋段的地表沉降狀況以及地質支護結構的狀態，觀察拱腰收斂量和下沉量等，重點檢查內部位移情況、鋼支撐變形情況等。還應充分通過現場監控量測措施觀測圍巖力學動態與支護狀態，并對這些數據進行分析，研究隧道圍巖支護的變形過程以及受力狀態，得出圍巖初始應力場的綜合物理參數，對比實際情況預測圍巖穩定時間，優化支護結構的設計[5]。

5 結語

在強風化砂巖地段隧道小凈距段的施工中，由于周邊巖體結構較差，缺乏穩定性，因此應著重于在施工方案規劃的要求下做好超前支護、洞身開挖防護、初期支護以及中夾巖柱的加固等各項工作，并結合嚴格的質量把控措施全方位保證隧道在施工中的安全性，為后續隧道日常運營提供穩定性保障。