軟弱圍巖雙洞小凈距隧道開挖施工探討

柴軍鋒

(山西路橋建設集團有限公司,山西 太原 041000)

1 工程背景

某山區高速公路隧道凈寬13.41 m,中間巖柱凈寬為8.2 m,為典型的雙洞小凈距隧道。根據地質勘察結果,隧道圍巖主要為風化石英砂巖,構造及風化裂隙之間夾雜泥土,并存在軟弱夾層,穩定性較差。該隧道單洞設計長度688 m,左右洞總長1 376 m,其中Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖、Ⅳ類及以上圍巖長度分別為165 m、1 004 m和207 m,結合圍巖類型共設計出三種支護形式。

對于重山丘陵地區高等級公路而言,左右幅隧道可能受到地形條件限制,出現相鄰隧道最小凈距無法滿足設計的情況,進而出現單線雙洞小凈距隧道形式,這種隧道形式在施工難度、施工進度及造價等方面優于連拱隧道。現行《公路隧道設計規范》(JTG D70-2-2014)僅對高速公路、一級公路應設置兩座上下行分離式隧道,并規定應根據施工技術、圍巖等級、斷面尺寸及爆破影響等進行兩個相鄰隧道最小凈距的確定[1];而對于小凈距隧道施工次序、開挖進度、圍巖變形監測、中央巖柱加固、初支等并未作出明確規定。為此,本文結合類似工程施工經驗,對雙孔隧道施工擾動圍巖、中央巖柱加固、小凈距隧道施工質量控制等進行探討。

2 施工方案

為降低邊界效應對施工過程的不利影響,應將上邊界和地表自由面、下邊界和洞底之間的距離均控制在洞高的5倍以內,左右邊界和洞口之間的距離控制在隧道跨度的5倍之內。在模型構建時忽略二襯作用,通過殼單元shell、Link桿單元、Solid45實體單元分別進行初支C25噴射混凝土及錨桿、預應力錨桿及圍巖等的模擬[2],并通過優化加固區圍巖參數的方式實現小導管注漿。該隧道有限元模型網絡圖具體見圖1。地勘資料所揭露的該隧道圍巖力學指標具體見表1。

表1 隧道圍巖力學指標

圖1 隧道有限元模型網絡圖

結合相關規范、類似工程設計經驗及該隧道特殊的地質條件,通過對以上不同施工方案過程的模擬計算,得到該軟弱圍巖雙洞小凈距隧道圍巖應力、位移、穩定性等的變動趨勢特征。根據模擬結果,從施工效果來看,雙側壁法和CRD法開挖所造成的圍巖位移量較小、圍巖應力分布也較為均勻,塑性區范圍相對較小,且整體上來看雙側壁法施工效果略微優于CRD法;上下臺階法施工效果最差。從施工工序來看,雙側壁法因工作面小,施工工序之間存在較大影響,故施工進度較為緩慢;CRD法所對應的開挖工作面略大,對于加快施工進度有一定效果,但是該技術下施工過程銜接控制存在一定難度,支護及施工要求高,施工質量控制難度大。

考慮到該隧道屬于全線控制性工程,能否按照要求進度完工直接關系到整體工程施工進度,為此必須根據隧道地質條件,考慮當前施工技術水平、施工工序及施工力學因素進行最佳施工方案的選擇。最終確定的施工方案為Ⅱ類圍巖環形開挖預留核心土法(圖2)、Ⅲ類圍巖上下臺階法(圖3)、Ⅳ類圍巖左右洞全斷面開挖。圖中數字表示的是開挖施工步驟。

圖3 上下臺階法

3 洞口施工

該隧道洞口場地處于自然坡度15～40°的斜坡地帶,地形起伏大,覆蓋厚度為3.6～9.8 m的坡積土,極軟Ⅱ類圍巖埋深在15 m以下,地層傾角20°,結合隧道洞口基巖中裂隙統計結果,Ⅱ類圍巖傾角在73～88°,延伸長度1.45～2.5 m,裂隙面平整,并表現為黃褐色,填充物主要為泥質,地下水為基巖風化裂隙水和第四系松散土層孔隙水。

結合對該隧道洞口地質條件的考察與分析,其施工任務主要包括洞門修筑、截水溝修砌、邊仰坡護砌及洞外土石方開挖等。通過以上施工為洞內開挖創造條件,但是考慮到該隧洞洞口段埋深小,設置承載拱的難度較大;在地質地形及地下水等因素的綜合作用下,施工期間出現坡面滑塌、地表沉降、掌子面崩塌的可能性非常大,并很容易受到上覆荷載及土壓力變動的作用。為此,必須優化施工方案設計,加強對施工過程的控制和坡面失穩等情況的監測。

3.1 洞外土石方開挖

該軟弱圍巖隧洞洞口為Ⅱ類軟巖,且覆蓋土層薄厚不均。通過挖掘機從上至下進行土層的逐層開挖,并加強邊坡穩定程度的監測;通過爆破法進行石方開挖,并通過優化爆破方案降低對周圍巖體及臨近建筑物的擾動。為控制對洞口仰坡的不利擾動,確保仰拱邊坡達到穩定,洞口土石方開挖必須遵循早進洞原則,提前進行排水系統施工。

3.2 洞口圍巖加固

先按照設計要求噴射厚度為5 cm的混凝土,再施作錨桿后掛鋼筋網;此后進行第二層同樣厚度混凝土的噴射,為保證圍巖穩定,應在噴射混凝土過程中增設鋼格柵。為避免在開挖隧洞洞口Ⅱ類軟巖的過程中發生巖體崩塌,應用長度40 m和16 m的注漿長管棚超前支護方式加固洞口淺埋段,長管棚主要材料為厚6 mm的φ89熱軋無縫鋼管,環設置向間距按照50 cm確定,管壁按照15 cm間隔開設直徑8 mm的梅花形孔。按照水泥∶水玻璃=1∶0.5制備雙液漿。將長管棚設置在隧道開挖環形輪廓外的20 cm處,按照10°外插角縱向開孔,待將管棚打入軟巖后通過膠泥將空隙封堵。再按要求采用雙液注漿機注漿,初始及終止壓力分別按照0.5 MPa和1.5 MPa控制,隨著注漿壓力升高至終壓水平后持續注漿至少10 min,待實際漿液注入量達到設計量的80%以上或全部注漿孔均達到結束注漿條件后結束注漿[3]。以上過程中如遇串孔,則應立即暫停注漿,轉而進行下一孔注漿,并嚴格按照具體要求控制注漿過程。

4 洞身開挖

4.1 Ⅱ類軟巖淺埋段開挖

隧道圍巖淺埋段開挖必然會對圍巖造成較大擾動,進而增大支護難度和壓力。為防止圍巖出現過大變形而造成初支結構及襯砌結構開裂,必須采用側壁導洞開挖技術。結合實際條件及技術水平,從該隧道出口端開始單向掘進,洞口段為Ⅱ類軟巖,左洞開挖斷面應比右洞開挖斷面超前施工35～45 m,開挖后應立即進行初支結構的施作。為降低大斷面爆破開挖施工對中間巖柱的不利擾動,應在該隧道左右洞上臺階開挖前開挖側導洞,并進行中間巖柱超前加固。在左洞開挖進尺達到40 m以上并完成注漿加固后再進行右洞側導洞短進尺開挖,并按照全斷面一次開挖到設計位置。此后進行鋼支撐架設以及錨桿、鋼筋網和混凝土噴涂等初支施工,連接中間巖柱對拉錨桿,并按設計要求施加預應力。最后采用與左洞相同的工序完成右洞上中下臺階的開挖與支護。

4.2 Ⅲ類圍巖開挖

采用上下臺階法進行Ⅲ類圍巖深埋段開挖,并在上臺階開挖8～10 m后再開挖下臺階,上下臺階緊跟開挖初支施作。在進行環向系統錨桿施作時必須向中間巖柱壓力注漿,保證巖體穩定性。根據設計,將預應力對拉錨桿增設在巖石破碎段,并加固中間巖柱。

4.3 Ⅳ類圍巖開挖

采取全斷面開挖技術進行Ⅳ類圍巖左洞開挖,通過光面爆破方式保證每一循環進尺一次成型。右洞開挖斷面比左洞開挖斷面落后約30～35 m,在左斷面底中心開挖出長5 m、寬3 m、高4 m的超前導洞,再應用光面爆破技術將剩余斷面一次開挖到位。這種處理既能增大初爆點與中間巖柱之間的距離,降低爆破開挖對中間巖柱所造成的擾動,又能使大斷面開挖施工的臨空面大大增加。為提升爆破開挖工效,降低炸藥用量,剩余斷面一次開挖采用崩解式爆破技術。此類圍巖僅僅在巖石破碎帶增設預應力對拉錨桿,加固中間巖柱。

4.4 爆破施工

考慮到軟弱圍巖雙洞小凈距隧道中間巖柱寬度不大,隧道爆破開挖對周圍巖體影響較大,對于該隧道工程而言,前開挖處爆破震速應不超出15 cm/s的范圍,并據此進行后開挖隧道炸藥用量的測算依據。為盡量防止震動波疊加,應通過微差控制爆破,并根據震動測試結果確定起爆時間;根據震速衰減規律,按照下式進行震動速度估算

式中:v為起爆點震速(cm/s);K為隧道工程地質條件系數,堅硬基巖、基巖及淺層表土分別取150、220和300;Q為裝藥量(kg),齊發情況下表示總藥量,延發情況下表示最大斷裝藥量;R為監測點與爆破中心中間的距離(m);α為爆破施工誤差系數,堅硬基巖、基巖及淺層表土分別取1.70、1.67、1.60。

Ⅲ類以下圍巖采用預裂爆破,Ⅳ類以上圍巖則采用光面爆破,兩種情況下均應根據地質條件、相關技術規范進行抵抗線、周邊眼間距、裝藥集中度、裝藥量等施工參數的確定和調整。沿設計開挖輪廓線設置周邊眼,并使用小直徑藥卷,加強裝藥量控制,保證炮孔全長段內合理布置藥量;由毫秒雷管以微差次序起爆,保證爆破期間能形成臨空面。掏槽孔則設置在開挖斷面下部,以達到較好的底部巖層破碎開挖效果。輔助孔應在周邊眼和掏槽眼之間均勻交錯布置,且與開挖面垂直,以確保爆破后得到的石渣塊體較小且大小均勻。

在以上爆破開挖施工過程中,必須進行圍巖爆破擾動深度、震動影響及中間巖柱破壞程度等的實時監測,以保證中間巖柱等圍巖結構的穩定。

5 中央巖柱加固

結合類似工程實踐來看,對于軟弱圍巖結構,開挖和加固次序的設置會直接影響施工效果,為此該軟弱圍巖雙洞小凈距隧道Ⅱ、Ⅲ類圍巖中央巖柱初支結構中的錨噴、鋼支撐等參數必須在設計基礎上適當加強,而Ⅲ、Ⅳ類圍巖則僅在巖石破碎帶實施加固。采用貫穿兩洞的水平預應力對拉錨桿進行中央巖柱深層圍巖加固處理,且遵循從左洞右側拱腰至右側墻腳、右洞左側拱腰至左側墻腳的施工次序。

根據設計,Ⅳ類及以上圍巖中央巖柱區域通常不存在塑性區,對于Ⅳ類圍巖條件必須采取長度0.5～1.0 m錨桿,對于Ⅳ類以上圍巖則應增設局部系統錨桿加固。為避免因隧道間距過小而引發的圍巖結構變形、爆破震動影響過大,必須充分考慮中間巖柱特殊的加固要求,在施工過程中應先開挖左洞,并在左洞中間巖柱處施作φ50小導管,此后再開挖右洞及進行右洞小導管施作,結束初支后安裝預應力錨桿。為保證加固效果,小凈距隧道中央巖柱深層加固時最好只采用兩種加固措施,圍巖過度加固反而會使其整體強度削弱。

6 結 論

綜上所述,該隧道工程開挖施工實踐表明,對于圍巖軟弱、地質條件不良的隧道工程,采用小凈距結構形式能降低施工難度,節省工期。中間巖柱加固是小凈距隧道施工質量控制的關鍵環節,直接關系到軟弱圍巖隧道施工的成敗,此類隧道圍巖自穩性差、支護結構受力復雜,必須采用注漿及增設預應力對拉錨桿等加固技術增強中間巖柱結構的穩定性。施工監測結果也表明,如果能采取有效措施降低對中間巖柱的擾動,則能確保支護結構的安全與穩定。總之,雙洞小凈距隧道支護參數比傳統分離式隧道優異,且施工工藝也更為簡捷,投資更為節省,可在軟弱圍巖雙洞隧道工程中推廣應用。