地質異常區隧道正洞大變形施工方案

馬時坤

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100000）

隧道施工受區域地質條件、水文地質條件等影響較大，當隧道設計埋深較大、隧道施工穿越應力集中區、軟質巖體和破碎帶以及其他地質異常區時，容易造成隧道圍巖加大變形，斷面成型較差等現象，導致隧道施工質量下降、施工進度緩慢、施工困難增加和圍巖維護成本提升等系列問題[1]。為了有效解決隧道穿越特殊地質帶引發的變形問題，近年來國內外學者及各施工單位進行了多方面的研究和實踐，針對性地提出了若干解決辦法，并取得了顯著成效[1-4]。但因施工條件不同，方法的運用和方案設計有所不同，且隨著我國交通網絡的不斷擴張，施工環境也隨之不斷變化，為此，基于工程實踐對隧道大變形施工方案進行進一步探討具有重要意義。

1 工程概況

某鐵路隧道位于四川省，地處岷山中高山區，山高坡陡，溝谷縱橫，地表植被發育，海拔在3 586～4 250 m，相對高差約664 m，最大埋深約570 m，隧道上方植被發育，地表多為草甸和灌木覆蓋，基巖露頭稀少，設計為雙線隧道，隧道內為10‰、25‰的單面上坡。隧道起訖長度5 857.98 m，位于摩天嶺東西向構造帶與熱務河旋卷構造之復合部位西北側，瑪沁-略陽斷裂與秦嶺地槽褶皺系分界，區內主要為巴顏喀拉冒地槽褶皺帶，位于褶皺系北部，構造對于本隧影響相對較小，洞身通過地段接力裂隙較發育，構造不發育。地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水，富水性分區主要為弱富水區。其中：Ⅲ級圍巖300 m、Ⅳ級圍巖4 578.6 m、Ⅴ級圍巖979.38 m；斜井長度1 138 m，其中Ⅳ級870 m、Ⅴ級268 m。主要不良地質主要為極高地應力：隧址區地質構造簡單，埋深大，地應力集中，部分段落存在高地應力現象，軟質巖體可能產生大變形，硬質巖體可能會發生巖爆，正洞存在大變形風險圍巖。根據現場地質條件及圖紙設計，隧道大變形范圍合計310 m。

2 施工方案設計

根據地質條件預判，對隧道施工過程中圍巖可能會發生大變形的區域采用三臺階臨時橫撐工藝進行施工，在施工過程中嚴格按照新奧法的施工要求進行組織，采用“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的施工技術措施，正線大變形措施采用三臺階（短臺階）+臨時橫撐快速封閉成環法施工，上下臺階底部設置橫向臨時橫撐，采用I18 輕型工字鋼鋼架，縱向結合正洞鋼架，每2 榀鋼架設置1 處。

2.1 及時有效地做好超前地質預測預報

根據已有的地質資料進行分析，當隧道施工位置進入預報區域后，必須及時全面地對所開挖隧道區域的地層巖性進行研判分析，對變化區域進行定期監測，并采用鉆探工藝對隧道開挖前方、圍巖四周的巖性變化情況進行探測和分析，根據地質資料分析以及鉆探驗證結果及時調整優化施工工藝，并制定相應的應急措施。

2.2 強化隧道圍巖支護

為有效控制因地質異常發生的圍巖變形，采用超前支護和初期支護等方式對圍巖進行主動支護，提升隧道整體的應力支撐強度，有效提升隧道圍巖的穩定性，保證工程施工的安全。初期支護參數嚴格按照設計參數施工，并且依據實際開挖地質條件及時與設計單位溝通協調，確保隧道結構的穩定。

3 施工方案實施

3.1 三臺階+臨時橫撐施工工藝

三臺階+臨時橫撐法施工工藝流程，如圖1 所示。

圖1 三臺階+臨時橫撐法施工工藝流程

1）將隧道斷面施工分為3 個臺階，首先進行上臺階開挖施工，并做到循環進尺和超前支護相輔推進，并對上臺階的圍巖進行初期支護及混凝土初襯，利用鋼架對上臺階開挖斷面進行臨時支護，并及時跟進錨桿支護及斷面二襯。

2）中部臺階施工與上臺階施工不能同時施工，而是待上臺階開挖深度與中部臺階開挖深度達到一定距離后進行，并接續長鋼架，其他工序施工與上臺階施工工序一致。

3）參照上述上臺階和中部臺階施工工藝，待中部臺階開挖深度到適當距離后，開挖下臺階，并完成相應圍巖支護。

4）三臺階施工完成后，開挖4 部仰拱，并參照上述工藝完成初期支護并完成混凝土灌注。

采用三臺階施工法隧道不能一次成型，所以各臺階及仰拱施工都應注重隧道洞身的整體性，并且盡量減小對隧道圍巖的擾動，為此，各臺階及邊墻的施工工藝選擇一定要合理穩定。上臺階作為首臺階施工，對圍巖的擾動最大，施工采用人工風鎬支或弱爆破，中部、下臺階施工采用挖掘機或者控制爆破方法，以此來減少對圍巖的開挖擾動，臺階完成后的邊墻施工盡量采用人工風鎬或弱爆破工藝，并且每次僅對一側邊墻進行施工，嚴禁邊墻施工的平行作業，且嚴格控制邊墻施工距離。同樣，仰拱施工也采用一次短距離開挖的方式，而在地質條件較差的區域，應當預留一定厚度進行人工開挖，并且做到開挖后第一時間支護、封閉、施作鋼架支護，并加強圍巖變形監測、勤排水。

3.2 隧道洞內小導管施工

小導管采用無縫熱軋鋼管制作，為了便于施工，采用外徑Φ42 mm、壁厚3.5 mm 的無縫熱軋鋼管，鋼管長度4.5 m，導管前段加工成尖錐狀，尾部焊Φ12 加勁箍。管壁四周按10～20 cm 間距梅花形鉆設Φ6 mm～Φ8 mm 注漿孔，尾端100 cm 范圍內不鉆設花孔，作為止漿段，如圖2 所示。小導管的施工采用鉆孔打入法，且按照隧道斷面從上到下依次布設施工，導管數量及布設范圍和間距根據區域地質條件和隧道自身穩定能力進行及時調整，而到導管與隧道縱軸線之間的角度應當以導管設計長度以及鋼架間距進行綜合考慮，外插角（與隧道縱軸線的夾角）取值應考慮小導管的長度和鋼架的間距，一般外插角為10～15°，長度為4.5 m，縱向3.2 m 一環，每環27 根，環向間距40 cm；小導管應同鋼架配合使用。安設完成后，需對導管進行壓水試驗，以便確定注漿參數，從而根據配比制作漿液，注漿過程中應注意注漿壓力和注漿順序，并及時調整注漿漿量、漿液配比、注漿壓力等，當采用單液水泥漿時，開挖時間為注漿后8 h，采用水泥－水玻璃漿液時為4 h，開挖過程中應檢查漿液滲透及固結狀況，并根據壓力-流量曲線分析判斷注漿效果，及時調整預注漿方案。

圖2 小導管的加工示意圖

3.3 隧道初期支護施工方法及工藝

隧道初期支護由掛鋼筋網、噴射混凝土、型鋼拱架、拱部樹脂錨桿和邊墻砂漿長錨桿、拱墻徑向孔口管組成。

1）砂漿錨桿施工，如圖3 所示。采用先插桿后注漿工藝，為提高隧道邊墻砂漿錨桿施工速度及錨桿錨固質量，主要從以下3 個方面開展：提高錨孔成孔速度；加快錨孔封閉錨固劑凝結，提高錨固劑的早期強度；加快錨孔水泥砂漿凝結，提高水泥砂漿的早期強度。速凝型水泥卷錨固劑的凝結時間為4～10 min，0.5 h 抗壓強度大于等于9 MPa，24 h 抗壓強度大于等于25 MPa。在錨孔口采用速凝型水泥卷錨固劑封閉0.5 h 后，可安裝墊板及螺母，從而大大縮短了砂漿錨桿錨固安裝時間，提升了錨桿施工速度。

普通砂漿錨桿采用螺紋鋼筋現場制做，系統錨桿呈交錯形布置，一般情況下系統錨桿應沿隧道開挖輪廓線徑向布置，但必須注意，錨桿與巖體主結構面、巖層層面平行或交角太小，錨固效果較差，錨桿的組合拱作用效果不好；成大角度布置，可以把不利結構面或巖層“串”在一起，共同參與工作。砂漿鋼質錨桿作為系統錨桿，其桿體全長外裹水泥砂漿的主要作用有2 點，其一是起膠結作用，傳遞荷載；其二是阻止或延緩錨桿桿體腐蝕。錨桿桿體設對中支架，可固定錨桿桿體與錨孔孔壁的位置關系，保證桿體外裹砂漿厚度，是砂漿錨桿桿體防腐的重要措施之一。

2）預應力中空錨桿施工。施工的主要流程包括：施工前的準備，按照設計現場測量放線、鉆孔施工、錨桿安裝、預應力施加和相應錨具安裝、水泥砂漿灌注、錨桿與鉆孔的密封度和無損檢測。根據設計要求初始預應力值，使用扭力扳手施加預應力。采用專用螺旋砂漿泵進行注漿，注漿作業通過中空錨桿的底部注漿管進行，錨桿內漿體上部空間進行排氣，待錨桿內漿體灌注至中部孔道后停止注漿，在此過程中要時刻注意注漿壓力和漿體流量，并做出及時調整，以免發生注漿管爆裂等情況，預應力中空錨桿在拱部144°范圍均勻布設。

3）隧道圍巖混凝土噴筑采用濕噴技術，如圖4 所示。而在濕氣較大或圍巖含水量較大的區段采用潮噴技術，為了保證混凝土噴筑質量和厚度，噴筑過程分為一襯和二襯，且每次混凝土噴筑都應當按照由拱頂至兩壁、由上到下、分段分片分層，以及無水到多水分區的順序進行。為了保證混凝土噴筑的質量，應當從混凝土的配比、噴筑工藝等多種因素進行綜合考慮，降低混凝土噴筑后的回彈率，邊墻和拱部的回彈率分別控制在0.15 和0.20 以下，并且在噴筑過程中根據經驗總結及時優化調整各項參數，以便更好地控制回彈率，保證隧道圍巖面的平滑度及隧道整體質量。

圖4 噴射混凝土施工程序圖

減水劑的主要作用是減少混凝土的用水量，提高早期強度，由于濕噴混凝土坍落度指標的要求，使水灰比較大，這樣水泥水化后多余的水要蒸發，使噴層出現“干裂”現象，從而降低了噴層強度和抗滲性，因此在拌合混凝土時一般要摻入高效減水劑，使濕噴混凝土在加水量較小的情況下，提高其和易性和流動性；防水劑在混凝土拌合物中能與水泥的水化產物作用生成不溶性凝膠，阻塞混凝土的毛細管道，同時該凝膠所產生的微膨脹性還可部分抵消混凝土硬化所產生的干縮；速凝劑的作用主要是當混凝土的料束粘到受噴面后必須盡快凝固，一方面可以防止由于混凝土物料的堆集而呈塊狀掉落，減少回彈量，從而增加噴層厚度；另一方面是為了發揮噴混凝土的早強作用，盡快形成支護能力，保證結構的安全，使用液態速凝劑；加入硅粉主要是提高混凝土的抗滲性和耐久性。

4）鋪設鋼筋網。鋼筋網采用網格型網片，且鋼筋質量應當滿足設計要求并經檢驗合格，而在鋪設過程中，為了保證鋪設后隧道整體平滑度，鋼筋網應當與一襯后的圍巖壁面嚴格吻合，而二襯作業應當將鋼筋網進行混凝土全覆蓋，且厚度應能滿足對鋼筋網起到保護層的作用，且二襯作業完成后隧道圍巖仍能保持平滑質量。

5）拱架施工。拱架采用型鋼鋼結構，為了便于施工安裝，洞內安裝所采用的鋼拱架為洞外根據隧道設計提前預制成型，拱架安裝后應當與定位系筋、錨桿聯接，確保拱架穩定，拱架支撐間以噴混凝土填平。拱架支撐拱腳安放在牢固的基礎上，架立時垂直隧道中線，當拱架支撐和圍巖之間間隙過大時設置墊塊，用噴混凝土噴填。為增強拱架支撐的整體穩定性，將拱架支撐與錨桿聯接在一起。為使拱架支撐準確定位，拱架支撐架設前均需預先打設定位系筋。

3.4 隧道結構防排水施工方法及工藝

隧道結構防排水采取“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理、保護環境”的原則，應當對隧道結構進行充分認識，提出最為科學合理、內外完善的防排水措施，而對于不良地質條件且富水性較強的區段，防排水應當采取“以堵為主、堵排結合、限量排放”的原則實施以圍巖預注漿固結圈、防排水網絡及模筑防排水混凝土襯砌組成的結構體系。

3.5 隧道結構襯砌施工方法及工藝

1）仰拱及仰拱填充施工，應當在二襯前提前完成，即待巷道圍巖完成錨桿之后，及時跟進開展仰拱開挖并完成仰拱部分區段的混凝土灌注，使應力支護在最短時間內閉合成環，以便為隧道后續的施工創造更為良好的施工環境。確保仰拱施工縫與二襯施工縫保持一致。仰拱封閉成環時間為掌子面進度，確保仰拱與掌子面安全步距不超，而仰拱斷面內分層進行混凝土灌注，應當做好分層斷面的銜接和襯砌趕緊連接。

2）二次襯砌施工。二襯前，隧道的其他附屬設施、管路等都應當按照設計施工和埋設完成，為了保證二襯結束后隧道圍巖表面的整體性，在混凝土噴筑時應當充分考慮可能會出現的麻面、水泡等墻面缺陷，提前制定相應的控制措施，而在完成噴漿后，還應當對墻面進行巡查，及時對表面缺陷進行整改。

4 結束語

為有效防止隧道過地質異常區產生的大變形，除了嚴格按照施工工藝進行施工以外，還需要強化現場監控量測，作為“新奧法原理”施工的三大要素之一，現場監控量測是復合式襯砌設計、施工的核心技術。對完成復合襯砌施工的區段進行實時有效的監控量測，能夠及時準確地掌握不良地質影響下隧道圍巖的變形情況以及圍巖支護強度等信息，從而對施工工藝選擇、隧道施工設計等參數選擇的合理性等進行充分評判，以便為施工工藝調整優化提供更為合理的數據支撐。因此，實施隧道信息化動態施工控制，既能達到安全快速施工，又能節省工程造價的目的，為信息化設計與施工提供依據，為修改變更設計、調整施工方法提供科學依據。