不良地質和瓦斯綜合影響下的隧道施工方案

任海鵬

（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、圍巖維護成本提升等系列問題[1-2]。如果巷道內瓦斯等有害氣體集聚，隧道施工的安全風險更為突出[3]。為了有效保證在不良地質條件及有害氣體侵蝕下隧道的安全穩定施工，必須提升工程施工的安全管控，采取更為合理可靠的技術對策，強化隧道施工的安全技術管理，提升隧道承壓能力，有效封堵和外排有害氣體，保證隧道施工的平穩有序開展，以及后期運營的安全[3-6]。

1 工程概況

某隧道全長4 373 m，施工里程為DK94+360-DK98+733。隧道進口段位于半徑8 000 m 的左偏曲線上，其余段落位于直線上。隧道縱坡為“L”字坡，進口至出口依次為140 m 的25‰下坡，1 250 m 的29‰下坡，2 150 m 的25‰下坡，833 m 平坡。最大坡度29‰。隧道進口海拔約956 m，出口海拔約908 m。平行導坑位于隧道線路前進方向左側，平導與線路左線線間距為30 m。平導起始里程PD97+980=正洞DK97+980，終點里程為PDK98+826，全長846 m。平導采用單車道運輸，內凈空尺寸為5 m（寬）×6 m（高）。洞身設2 處錯車道，錯車道內凈空尺寸為7.5 m（寬）×6.2 m（高）。該隧設置1 平導的輔助坑道方案，按進口、出口平導2 個工區2 個工作面組織平行施工。隧道穿越地層為粉砂質頁巖、凝灰質砂巖、炭質頁巖等。地質構造復雜，不良地質為重力不良地質（危巖落石、巖堆、滑坡、巖爆、邊坡順層），且為低微瓦斯隧道，安全風險高，施工難度大，是本標段的重難點工程。

2 施工方案及安排

隧道施工按照新奧法組織施工，但為了保證隧道施工的安全穩定，將超前的地質預測預報工作作為工藝施工的首個環節，并堅持以地質探測和預報為前提、新奧法施工為主、強化現場監測監控為依據的施工原則，并基于此構建科學完善的信息化施工管理體系，通過對信息、數據的綜合分析和處理，實行動態管理信息化施工。隧道工程施工一般流程：①進口工區，斜井洞口天溝→斜井洞口邊仰坡→斜井洞口大管棚套拱施工→斜井洞口大管棚→DK94+360～DK96+825 段。②出口平導工區，平導洞口天溝→平導洞口邊仰坡→平導洞口抗滑樁施工→平導洞口大管棚套拱施工→平導洞口大管棚→暗洞PDK98+826～PDK98+380 段→2#橫洞（挑頂）→車站大跨斷面DK98+350～DK98+290 段（PDK98+380～PDK97+980 段）→車站大跨斷面大里程方向DK98+350～DK98+733 段→小里程方向DK98+290～DK96+825 段（1#橫洞）。強化環節管控、重點管控，突出施工主線、以點帶面兼顧，對隧道施工的整體程序和流程進行更為科學合理的設計安排。

采用鉆爆法和機械開挖施工。明洞段施工均采用明挖法，暗洞段均按新奧法組織施工。按大型和常規機械化配套組織，根據圍巖類別和地質情況采用臺階法、臺階法加臨時仰拱法、雙側壁導坑法。采用風動鑿巖機鉆孔爆破和機械開挖，濕噴機械手噴射混凝土，拱架多功能臺架安裝拱架，裝載機和挖掘機裝渣，大型自卸汽車出渣；仰拱及填充采用自行液壓仰拱棧橋施工工裝；防水板采用防水板鋪設臺車鋪設、二襯混凝土采用二次襯砌智能臺車施工，自動噴淋養護作業臺架與霧炮養護，組成鉆爆、裝運、噴錨支護、襯砌等機械化施工作業線。

2.1 臺階法開挖

1）為了減少對不良地質影響下圍巖的施工擾動，首先采用弱爆或人工風鎬支的方式對①部進行開挖施工，并對斷面進行混凝土噴筑和支護。安裝時必須設置墊板，墊板應與基面密貼施作→下一循環超前支護（適用超支護情況）。

2）①部施工完成后，分段施工②部，工藝采用同上述方法。

3）一般情況下，鎖腳錨桿（管）施作角度為20～60°，根據監控量測情況，當向沉降較大時取大值，當水平收斂較大時，取小值。

4）采用同樣弱爆破的方式施工③部，并進行混凝土噴筑。

5）①②③部施工完成后，持續推進隧道開挖，待開挖一定距離后，開始對前段弱爆破施工斷面進行仰拱和邊墻基礎施工，完成隧道設計全斷面開挖、注漿和支護。

6）根據監控量測分析，確定二次襯砌施作時機:施工防排水工程；一次性灌筑Ⅳ部（拱墻）襯砌。

臺階法工序橫斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 臺階法工序橫斷面示意圖

2.2 三臺階加臨時橫撐法開挖

1）按照臺階法施工工藝完成相應臺階施工和支護。

2）弱爆破開挖②-1→施作②-1 部初期支護:初噴混凝土，鋪鋼筋網。架立鋼架（設鎖腳錨桿），復噴至設計厚度。①部②-1 部系統錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設置鋼板，墊板應與基面密貼。施作臨時橫撐:架設I18 臨時橫撐A（每2 榀初支鋼架設一處）。

3）同②-1 部施工工序，開挖及支護②-2。①部及②-2 部系統錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設置墊板，墊板應與基面密貼。施作臨時橫撐:架設1I18 臨時橫撐A（每2 榀初支鋼架設一處）。

4）一般情況下，鎖腳錨桿（錨管）施作角度為20～60°，根據監控量測情況，當豎向沉降較大時，取大值，當水平收斂較大時，取小值。

5）弱爆開挖Ⅳ部→施作Ⅳ部仰拱初期支護。

6）對支護后的圍巖進行監測監控，通過監控量測數據進行分析控制拆除臨時橫撐的時間。

2.3 雙側壁導坑法開挖

1）以上一循環的超前支護已經施工到位為前提，按照臺階法施工順序弱爆破對①部進行開挖施工，并對①部導坑圍巖進行支護提升應力支撐，必須嚴格按照工藝施工流程確保鋼筋網、鋼架、混凝土噴筑等各項流程按照設計施工到位，系統錨桿在噴射混凝士完成后及時施作，安裝時必須設置墊板，墊板應與基面密貼。

2）為了保證施工的穩定性，①部施工完成后持續進入下一循環，待超前①部施工與現有循環拉開一定距離后，進行②部斷面開挖施工，采用開挖方式和支護方式同①部，系統錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設置墊板，墊板應與基面密貼。

3）以此類推，②部施工完成后持續進入下一循環，待超前②部施工與現有循環拉開一定距離后，進行③部斷面開挖施工，采用開挖方式和支護方式同①部，系統錨桿在噴射混凝土完成后及時施作，安裝時必須設置墊板，墊板應與基面密貼。

4）上述3 部完成施工后，按照順序依次對Ⅳ部、Ⅴ部、Ⅵ部仰拱區域進行施工并進行支護和臨時加強支護，待隧道開挖持續推進至一定距高后，根據現場監測監控結果及圍巖支護強度對臨時支護的鋼架等進行拆除，并進行混凝土澆筑。

5）對支護后的圍巖進行監測監控，通過監控量測數據進行分析控制拆除臨時橫撐的時間，并根據現場條件進行防排水工程施工，以及全斷面混凝土澆筑。

6）一般情況下，鎖腳錨桿（錨管）施作角度為20～60°，根據監控量測情況，當豎向沉降較大時，取大值，當水平收斂較大時，取小值。

2.4 圍巖量測

應根據該隧道施工所處的施工地形地質條件、選用的支護方法，已經施工工藝等因素進行綜合考慮，所選擇的監控量測項目主要包括：洞內、外的巡查測量，圍巖注漿前的凈空變化，隧道圍巖變形量，沉降縫兩側底板的沉降變化以及洞口段與隧道過渡段存在的不均勻沉降變化觀測等，見表1。

表1 監控量測項目

量測斷面間距及斷面布置，主要參照圍巖級別進行選擇，并根據現場施工條件進行適當間距縮小，但每個斷面選擇后，量測點的布置均滿足一個拱頂下沉測點和一條水平凈空收斂量測基線（臺階法開挖時，在拱腳以上0.5 m 加測一條）。各項監測項目的量測頻次，根據監測項目的變化速度以及現場隧道開挖進度進行綜合考慮確定。為了確保量測信息的及時獲取，選擇先進的無接觸圍巖量測技術，并對數據進行及時記錄和分析，并判斷量測項目的變化值是否超出閾值，是否需要進行及時支護或工藝調整，與此同時，根據觀測數據結果，繪制相應的圍巖變形時態曲線，應力分布圖、孔隙水壓力曲線等。

監控量測信息反饋應根據量測數據分析結果，對工程安全性進行評價，并提出相應工程對策與建議。監控量測信息反饋方法采用經驗類比法或理論分析法，施工現場以經驗類比法為主，重要工程綜合以上2 類方法。信息反饋應以位移反饋為主，主要依據時態曲線的形態對圍巖穩定性、支護結構的工作狀態、對周圍環境的影響程度進行判定，驗證和優化設計參數，指導施工。工程對策主要包括：穩定開挖工作面措施；調整開挖方法；調整初期支護強度和剛度并及時支護；調整不同圍巖的預留變形量；降低爆破振動影響；圍巖與支護結構間回填注漿；輔助施工措施為地層預處理，包括注漿加固、降水等方法；超前支護，包括超前錨桿（管）、管棚等。

3 低瓦斯隧道施工

3.1 超前地質預報

受隧道開挖圍巖擾動影響，巖層中賦存的瓦斯向隧道施工的有限空間內釋放，瓦斯的超前探測和預報工作應當從時間上、空間上動態進行，對圍巖內瓦斯的賦存情況及不良地質體存在等進行管控。低瓦斯隧道應按先探后掘的原則組織施工，將煤層及瓦斯超前地質預報納入施工工序進行嚴格管理，根據預報成果動態調整設計、施工方案。低瓦斯工區超前地質預報應以地質調查法為基礎、超前鉆探法為主，結合物探、洞內地質素描、參數測試等進行綜合超前地質預報。

3.2 隧道開挖

隧道通過低瓦斯地層的原則：加強通風、快噴錨。隧道通過有瓦斯溢出地層，采用臺階法開挖，保證每次開挖面積小，瓦斯溢出量不大，開挖輪廓能夠迅速得到支護。

1）低瓦斯工區鉆孔作業應符合下列規定：開挖工作面附近20 m 以內風流中瓦斯濃度必須小于1%；必須采用濕式鉆孔；炮眼深度不宜小于0.6 m。

2）低瓦斯工區采用電雷管起爆時，嚴禁反向裝藥，采用正向連續裝藥結構時，雷管以外不得裝藥卷，瓦斯區段炮眼封泥必須使用水炮泥。

3）瓦斯區段爆破嚴禁使用導爆管或普通導爆索、火雷管，應使用煤礦許用瞬發電雷管、煤礦許用毫秒延期電雷管或者煤礦許用數碼電雷管，低瓦斯區段的巖層掘進應使用不低于三級的煤礦許用炸藥。

3.3 通風

隧道出口平導工區采用壓入式通風，設2 臺SDF（C）-NO12.5 型軸流風機，配以Φ1 800 mmPVC 拉鏈式軟風管，風管軟質雙抗（抗燃燒、抗靜電）風管，并預留置1 臺SDF（C）-NO12.5（110 kW）型軸流風機備用，通風中還選用了2 臺K125-4P 型射流風機。根據通風設計要求，以及消除污風循環等，通風機安裝在洞口外距離30 m 左右的位置，并且設置專人對通風機及周邊范圍進行維護，確保風機良好運轉。另外，為了保證有效通風，瓦斯隧道內的通風機必須設置兩路電源，并設置風電閉鎖，確保在一路電源斷電的情況能夠保證短時間內另一路電源接替供電。

3.4 瓦斯檢測

為了保證瓦斯檢測的準確性，采用人工與自動相結合的檢測方法。人工檢測由專職瓦斯檢查員執行檢查瓦斯，專職瓦斯檢查員必須現場使用專用檢測設備同時對隧道內的甲烷含量及二氧化碳含量進行檢測，并做好檢測記錄。同時，在隧道內安置自動檢測系統，能夠實現對隧道有限空間內有害氣體、通風情況的實時監測，并做好有害氣體超出閾值的預警，并將監測數據實時傳輸至主控計算機進行實時分析。

3.5 低瓦斯隧道支護及襯砌

1）低瓦斯區段開挖后應及時噴錨支護，在軟弱破碎巖層或煤層中掘進，宜加強初期支護、超前支護，防止坍塌。

2）瓦斯區段鋼架宜采用裝配式鋼架；二次襯砌主筋宜采用綁扎或套筒連接，其余鋼筋可采用綁扎連接。

3）瓦斯區段二次襯砌施工工藝、養護應滿足下列要求：拱墻襯砌混凝土應采用模板臺車，拱墻一次整體連續澆筑完成；仰拱施作應各段一次成型，不得分幅澆筑；混凝土應分層對稱、邊澆筑邊振搗，應采用機械振搗；二次襯砌應預留注漿孔，二次襯砌完成后應及時注漿，充填空隙，封閉瓦斯；二次襯砌混凝土澆筑后應根據氣候條件進行養護，養護時間應滿足強度要求。氣溫低于5℃時不得灑水養護。

4 結束語

不良地質段及低瓦斯隧道施工，施工工序較正常隧道施工復雜，難度高、危險性大，為此要提升安全管理要求，堅持隧道施工的超前地質預報，及時掌握不良地質段特征及瓦斯溢出量，盡可能采取對原有地構擾動小的施工工藝，強化有效通風，對已施工區段進行有害氣體監測和圍巖穩定性監測，做好地質災害和有害氣體超標應急預警管理。