碳質頁巖隧道開挖支護施工技術淺析

職義楷

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710024）

0 引言

碳質頁巖因為含有大量分散的炭化有機質組分而顯黑色，巖石較松軟，屬于黏土巖，具有頁理構造，泥質結構，頁理發育，性脆。由于巖層松軟，層間摩阻力小，故碳質頁巖隧道容易發生溜塌及大變形。鐵路隧道施工過程中遇到此種碳質頁巖時，因碳質頁巖時常夾雜砂巖，較難判斷各巖層間碳質頁巖方位及巖層分布。經過長時間的探索，人們總結出一種有效的隧道開挖支護技術，解決了碳質頁巖施工中的這種難題。本文結合彌蒙鐵路中南洞隧道工程對碳質頁巖隧道開挖與支護施工技術進行分析。

1 工程概況

彌蒙鐵路位于云南省紅河開遠市境內，其中MMZQ-Ⅲ標段南洞隧道為雙線隧道。隧址屬構造剝蝕低中山地貌，埋深0～102m，地層巖性多為碳質頁巖夾雜砂巖，巖體破碎，多呈薄片狀，巖質較軟，易風化剝落，節理裂隙發育。項目存在隧道淺埋、極易掉塊坍塌等問題。

2 隧道開挖支護施工方案及工藝流程

2.1 總體施工方案

針對碳質頁巖段落在掌子面施作超前水平鉆，打設加深炮孔和做超前地質預報，若圍巖富含大量碳質頁巖則調整施工方法：采用三臺階七步開挖預留核心土方法施工，爆破作業，鉆爆開挖時周邊眼只打眼不裝藥，輔助眼多打孔少裝藥弱爆破短進尺，核心土留置。爆破出渣后，帶有松土器的挖機對欠挖部分進行整修，開挖輪廓整修完成后，采用濕噴工藝先初噴C25 混凝土封閉掌子面，然后安裝鋼架；鋼架安裝完成后打設雙排鎖腳鎖定拱腳，同時擴大拱腳，設置拱腳縱梁；在鋼架上方施作雙層超前小導管，施作上層超前小導管并注漿，待漿液凝固后在開挖面外形成整體穩固圍巖，施作內層超前小導管（不注漿）用于切割圍巖，下臺階拱腳縱梁設置臨時橫撐，離拱腳2m 處，挖排水溝，在仰拱開挖面前埋設集水井抽排積水；加強圍巖量測，實時掌控圍巖形變數據；仰拱開挖支護，澆筑仰拱及填充混凝土；二襯施工加固。

2.2 施工工藝流程

因掌子面及拱部夾雜碳質頁巖，確定其施工流程如下：超前鉆探及超前地質預報→有害氣體監測→判定開挖方法→開挖出渣→根據巖性判定支護方法→初期支護→縱梁設置→圍巖量測→仰拱施工→二襯施工。只有對流程中各個環節施工方法有正確的把握和科學的實施，才能確保工程進度和質量。

3 施工技術要點

3.1 超前鉆探地質預報及施工方法確定

結合本隧道的地質水文條件，采用TSP、超前地質雷達、瞬變電磁法、超前水平鉆探、加深炮孔的方式進行超前地質預報。由于TSP 是利用地震波在不同地質構造中產生的反射波特性來預報隧道掌子面前方及周圍鄰近區域地質狀況，超前水平鉆和加深炮孔又能直觀地驗證掌子面前方及周邊是否存在夾層、巖層是否存在突變狀況，這種組合方式可以做到長短距離預報相結合。

根據TSP結果判定掌子面前方圍巖巖體破碎，節理發育，圍巖判為Ⅳ、Ⅴ級，加深炮孔用7m長的鉆桿，對拱部進行鉆探，若鉆渣為黑色粉狀，且鉆進速度較快，鉆孔塌孔，不成形，則開挖碳質頁巖層中有粉礫夾層，則采用雙層超前小導管支護，三臺階七步預留核心土法，下臺階擴大拱腳增設縱梁橫撐的方法施工[1]。

3.2 初期支護

由于碳質頁巖層間摩阻系數小，層間易滑動溜塌，出現大變形，當變形量很大且持續時間長，會產生持續不斷的破壞，深入圍巖內部則會對隧道襯砌產生極大的形變壓力，破壞襯砌結構。因此，對于此種圍巖，支護需要解決的首要問題是如何處理形變壓力，這就要求支護具有柔性和足夠的韌性。碳質頁巖采用錨噴支護方式。

錨噴支護具有靈活性、及時性、密貼性、深入性、柔性、封閉性等特點。其中錨桿有支撐圍巖、加固圍巖、提高層間摩阻力，形成組合梁作用；噴射混凝土有支撐圍巖、覆蓋圍巖表面減緩風化、阻止圍巖松動、分配外力的作用；鋼拱架有加強限制圍巖變形、作為超前支護后支點、承受部分松弛荷載作用。錨噴支護是碳質頁巖這種不穩定、變化快及容易大變形的圍巖開展支護的主要措施。

3.2.1 超前支護

以往隧道設計的超前支護有洞身管棚、超前小導管等。碳質頁巖隧道采用雙層超前小導管（見圖1所示）這種靈活的支護方式，其中上層超前小導管采用鋼花管，下層超前小導管采用未鉆孔的無縫鋼管。管棚施工需要靠近掌子面處留置作業平臺，同時鉆孔、下管跟管比較慢，而采用雙層超前小導管，鋼管中心環形間距為15cm，上層小導管與下層小導管交錯安裝，上層超前小導管與隧道前進方向成15°～20°夾角，下層小導管與隧道縱向夾角為5°～10°，上層小導管打設位置鋼架割孔為橢圓形，方便抬高角度，下層小導管鋼架割孔為圓形，滿足外插角比開挖輪廓稍大即可；雙層小導管的處理有不同，上層小導管打設完成后注1∶1水泥漿處理，起到固結巖體，形成縱梁的作用，而下層小導管需要提前灌水泥漿，待漿液凝固后打設進巖體，起到切割圍巖作用，上下兩層超前小導管起協同支護作用，既能加固穩定圍巖，又能減少對圍巖的破壞。

今年云南省局部地區，在授粉階段成片發生高溫熱害，造成缺粒減產，產量可能降低30%-50%。主要原因是開花抽絲期間，當溫度高于32-35℃，空氣濕度低于30%，田間水量低于70%，雄穗開花的時間會顯著縮短。因高溫干旱，花粉粒在1-2 h內失水干枯，喪失發芽能力，花絲延期抽出，造成花期不遇；或花絲過早枯萎，嚴重影響授粉結實，形成禿尖、缺粒，產量降低。如能及時澆水，改善田間小氣候，可減輕高溫干旱的影響。

圖1 雙層超前小導管示意圖

在超前小導管鉆孔過程中，要做好鉆孔記錄，及時分析鉆進速度和渣樣，判斷開挖斷面周圍的巖性，根據巖性對支護方式進行合理調整。若鉆進速度很快，且鉆渣不成形為粉狀，或是超前小導管可以不鉆孔就能采用風槍推進去，則巖體周圍有松散碳質頁巖堆積體，要特別處理，同時加強監控量測，否則容易引起溜塌。由于超前小導管長度較長，鉆孔及人工推進難度較大，可采用單臂鑿巖臺車配合施工超前小導管，單臂鑿巖臺車先行鉆孔，人工配合推進超前小導管可大大降低施工難度。

3.2.2 鋼拱架、網片安裝與縱梁施工

按設計要求安裝鋼拱架，注意控制鋼架間距、垂直度、精度，網片安裝注意搭接長度和網片間的連接質量。由于碳質頁巖巖層容易發生滑動，引起大變形，鎖腳和拱腳施工尤為關鍵。

（1）鎖腳安裝。鎖腳錨管與鋼架的連接方式，設計上是用L型卡扣，但實際施工過程中由于工人的焊接水平和承受拉力影響，很容易把焊接部位拉裂，采用鋼架上焊接三排帶孔鋼板，打設鎖腳從鋼板割孔處穿進去（如圖2所示）。

圖2 鋼拱架鎖腳連接鋼板

（2）上臺階、中臺階拱腳處理。拱腳處支墊槽鋼，相連鋼架的支墊槽鋼采用高強螺栓連接，另外開挖時擴大拱腳，形成60cm×60cm的臨空面噴射混凝土后，在拱腳處形成縱梁，加大承載力。

（3）下臺階鋼架安裝。由于下臺階鋼架需要和仰拱鋼架連接，連接前還要剝離連接板處的噴射混凝土，這期間由于鋼架拱腳支撐力不足，容易發生較大沉降，鋼架下方支墊凹型混凝土預制塊，拱腳坐于槽內，連接板處包裹水溶性保護殼，安裝仰拱前只需噴淋灑水即可使連接板處保護層溶解，拱腳擴大形成縱梁，鎖腳連接亦采用套接鋼板。

3.2.3 錨桿施工

3.3 開挖工法

碳質頁巖巖質較松軟，只有拱腳部位需要弱爆破開挖或是機械開挖；由于內層超前小導管已經將巖體切割，采用挖掘機機械挖斗和松土器開挖即可，但由于碳質頁巖層間摩阻系數小和松軟夾層比較多，掌子面經常因支撐力不足容易溜塌，需要減小臨空面，所以遇到碳質頁巖一定要預留核心土，采用三臺階七步法開挖（見圖3所示）。目前此工法在應對軟弱圍巖時候經常使用，但施工時需特別注意核心土的預留，核心土高度離開挖輪廓1.3～1.5m，長度為4～6m，由于核心土的存在，上臺階立架時設計鎖腳長度為4.5m，很難施工，實際施工過程中先打兩排4根3m長鎖腳，中臺階開挖前核心土位置不影響鎖腳施作時重新按設計長度補打鎖腳，鎖腳從鋼架上焊接的帶孔鋼板內穿過并焊接。同時注意左右臺階開挖需要錯開3榀以上，由于巖體容易發生溜塌造成拱腳對稱懸空。嚴格控制臺階長度，及時跟進仰拱，使初支封閉成環。

圖3 三臺階七步開挖法效果圖

實際施工組織過程中，應堅持開挖后立即初噴封閉掌子面，注意時間點的把控，可以在開始開挖時就通知拌合站生產混凝土，待洞內各臺階開挖完成后，修好通往掌子面便道，混凝土即到現場，噴錨機械手立即封閉掌子面，每次厚度不大于5cm；新巖體暴露時間約為10～15min，拱部及掌子面噴射混凝土封閉層厚度控制在13cm 左右，邊墻部位封閉層噴射混凝土控制在8cm 左右，局部圍巖極差部位噴層厚度15cm左右，可有效解決掉塊問題。封閉完成后，初支混凝土等強過程中再進行出渣，準備鋼架等后續工作。

富水地段要嚴格排水，不得浸泡拱腳。拱部出水點，用初支混凝土內隱蔽盲管環向引排至離下臺階拱腳1.5m處的臨時排水溝內。同時在仰拱開挖面前挖坑埋設鋼板焊制的集水井，做好積水抽排，保持拱腳和地面的干燥。

開挖支護預留量的選取，根據該處工點隧道實際施工數據統計，最大沉降量為60cm左右，碳質頁巖開挖時一定要做好圍巖量測工作，及時統計好沉降數據，特別是最大沉降量以及沉降穩定時長，為開挖支護的預留量選取提供數據支持。

3.4 仰拱、二襯施工

3.4.1 仰拱施工

由于隧道施工配置了智能化裝置，大多采用液壓棧橋，但是由于棧橋長度較長，另外軟弱圍巖隧道仰拱每循環開挖進尺為3m，此時液壓仰拱棧橋又成了不利因素；在碳質頁巖隧道施工過程中，配置臨時仰拱棧橋，再用42＃工字鋼焊接制作，長度為8m，方便施工仰拱初支，及時與洞身鋼架形成封閉成環的初期支護系統。待仰拱初支施工完成后，用洞渣回填，仰拱襯砌施工時采用仰拱液壓棧橋裝置，方便每板12m的仰拱施作。

3.4.2 二襯施工

碳質頁巖隧道襯砌施工須待初支收斂變形穩定后方可進行，同時配備智能化布料系統的襯砌臺車，解決分層澆筑反復拆泵管、接泵管的麻煩。臺車端頭采用定型組合鋼端模（帶環向中埋式止水帶固定夾具），臺車拱頂每次澆筑前安裝壓力傳感帶，帶有徑向預埋PRC注漿管與拱頂帶模注漿技術及注制漿一體機，澆筑二襯混凝土后壓力傳感帶顯示紅燈即為襯砌混凝土壓力不足，即進行帶模注漿，解決襯砌后背空洞問題。具體施工方法參照《雙線隧道輔助施工措施及施工方法》（彌蒙施隧附07）[3]，在此不做贅述。

4 結束語

彌蒙鐵路南洞隧道開挖與支護施工過程中，運用三臺階預留核心土法進行開挖、采用拱腳縱梁加固法進行支護的施工方法，重點做好核心土的留取、超前支護、初噴封閉、拱架鎖定、封閉成環、調整預留量、做好排水等要點工作，經過反復施工實踐論證，單次開挖1榀鋼架的情況下每天可保證1.8m 左右的施工進度，解決了碳質頁巖隧道施工易發生溜塌和沉降的難題，保證了工程進度。