水平層狀圍巖隧道預防拱頂坍塌施工技術

陳偉明 盧楨龍 劉小珂

1.中鐵十二局集團市政有限公司 廣東 廣州 511458 2.重慶交通大學 重慶 400074

在高速公路隧道工程施工過程中，發生拱頂坍塌事故時有發生，特別是水平層狀圍巖隧道，在開挖后拱頂變形、拱腳下沉、邊墻鼓脹和洞內巖層出現局部剝落，嚴重時會造成整體坍塌，危及行車安全。因此，在水平層狀圍巖隧道施工過程中，應注意以下幾個問題：（1）加強初期支護，控制圍巖變形、沉降和開裂；（2）加強洞內監控量測和超前地質預報工作；（3）采取“短進尺、弱爆破、強支護、快封閉”的施工方法，及時處理拱頂坍塌病害；本文以國道G205線河源市熱水至埔前段改線工程第2標段梧桐山隧道為例，闡述上述觀點。

1 工程概況

1.1 工程簡介

建設工程名稱：國道G205線河源市熱水至埔前段改線工程，第二標段，業主：河源市公路事務中心，設計單位：廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，監理單位：中咨公路工程監理咨詢有限公司，梧桐山隧道左線，正洞：ZK16+034～ZK17+874，長度：1840m；梧桐山隧道右線，正洞：K16+026～K17+854，長度：1828m；工程地點：廣東省河源市，開工時間，以監理工程師批復的開工時間為準，總工期，預計27個月，完工時間，合同范圍：國道G205線梧桐山隧道土建及相關配套工程的施工，工程質量要求：工程一次驗收合格率100%，確保全部工程質量達到國家、交通廳現行的工程質量規范和驗收標準。

1.2 隧道概況

梧桐山隧道小凈距隧道。左線隧道起迄里程ZK16+034～ZK17+874，長1840m，隧道最大埋深約2 5 0 m，熱水端洞門采用端墻式，埔前端洞門采用削竹式，洞內縱坡0.754%/-1.450%；右線隧道起迄里程K16+026～K17+854，長1828m，隧道最大埋深約255m，熱水端洞門采用端墻式，埔前端洞門采用削竹式，洞內縱坡0.750%/-1.450%[1]。

2 水平層狀圍巖隧道預防拱頂坍塌施工技術

2.1 優化爆破工藝技術

2.1.1 炮眼直徑

炮眼直徑的大小，直接影響到整個炮眼的鉆眼效率，炮眼總裝藥量，炸藥單耗，爆破巖塊的塊度和井壁的平整度等。

在隧洞施工中，炮眼直徑的確定主要是根據斷面尺寸、炸藥性能和鉆速等因素來確定；在明挖區進行爆破開挖時，也要考慮到周圍建筑的安全。在本工程爆破鉆孔施工中，應針對不同爆破點采用不同孔徑的鉆孔。

隧洞斷面：采用φ40 mm鉆孔，在隧洞斷面各爆破孔及臨時支護錨桿孔進行鉆孔施工。

2.1.2 炮眼深度

就鉆爆綜合工作而言，炮眼深度是影響爆破效果的主要因素。這是因為它不僅影響到每個掘進周期內各工序的工作量、工期及掘進速度，還影響到爆破效果及材料消耗。本項目擬根據不同的圍巖類型、開挖方式和爆破環境對炮眼深度進行調整，炮眼深度范圍從1.2m到3.5m。在具體的爆破施工中，根據后面設計的爆破說明所提供的參數，根據前幾次爆破效果，可以適當地增深或減小炮眼深度（同時，還需要對其他爆破參數如孔距、裝藥量等進行調整），以加快循環進度。

2.1.3 炮眼數目

炮眼數量的多少，直接關系到鑿巖工作量及爆破效果。孔數太少，大塊巖石增加，井壁外形不規則，甚至出現爆破無法進行的情況；如果孔數過多，鉆孔的工作量就會增大。如何選擇炮眼個數，主要取決于爆破斷面、巖體性質和炸藥性能。在保證爆破效果的同時，盡量減少炮眼個數，是確定炮眼個數的基本原則[2]。

2.1.4 炮眼利用率

炮眼利用率是合理選擇爆破參數的重要依據。通常用爆破全斷面炮眼利用率來定義并計算，即全斷面炮眼利用率=每周期掘進進尺/炮眼深度；

試驗結果表明：單位裝藥量、炮眼直徑、炮眼個數、炮眼數量、炮眼深度對炮眼利用率有較大影響。巷道掘進最佳炮眼利用率在0.85～0.95之間。

在本項目的設計中，由于隧洞斷面較大，炮眼利用率一般為0.7～0.9，因此，隧道爆破施工是一項十分重要的工作。

2.1.5 炮眼布置

（1）炮眼布置要求

對于隧道爆破，除合理選擇掏槽方式和爆破參數外，為保證安全，提高爆破效率和質量，還需合理布置工作面上的炮眼。其合理的炮眼布置應能保證：

①有較高的炮眼利用率。

②先爆炸的炮眼不會破壞后爆炸的炮眼，或影響其內裝藥爆轟的穩定性。

③爆破塊度均勻，大塊率少。

④爆破后斷面和輪廓符合設計要求，壁面平整并能保持隧道圍巖本身的強度和穩定性。

（2）炮眼布置的方法和原則

工作面上各種炮眼的布置順序是：先掏槽孔，然后是周邊孔、底孔，最后是輔助孔。為了加強切割效果。鉆孔中心深度20cm，裝藥采用1級即發雷管，保證爆破效果。

①槽孔一般位于斷面中心，其位置對拋擲距離及破碎塊度均有影響。

②周邊孔，也就是靠近最外側的輪廓線，通常設置在輪廓線上。但實際施工時，應視巖石性質而定，如果巖石較硬，可以接近或布置在輪廓線上，并向外傾斜，使爆破后周邊距設計輪廓線約100mm；如果巖體比較軟，可以離開等高線100-200mm左右，這樣爆破周圍就不會出現欠挖或過挖過多的情況。

③為了保證開挖面周圍不發生或較小的破壞，爆破時按照光面爆破的要求，各孔間距一致，使孔底落在同一平面內。

④挖槽孔及周邊孔布置完畢后，再進行輔助眼的布置。輔助眼由炮孔空腔作為自由面，分層布置，按斷面尺寸及形狀確定最小抗力及相鄰系數[3]。

2.2 系統錨桿（管）、鋼筋網施工作業

（1）初噴混凝土后，應及時施作錨桿，錨桿應加墊板。巖石巷道拱部系統錨桿須設置排氣裝置，并采取沿錨桿孔注漿的施工技術；根據設計要求，對黃土隧道系統錨桿進行選型。

（2）鋼筋網采用H P B 2 3 5 鋼φ 8 制成，網孔尺寸20cm×20cm，搭接長度為1-2個網孔，網片之間采用焊接連接。

（3）鋼筋網應沿噴射面起伏鋪設，間距不超過3cm，鋼筋網應與錨桿和鋼結構牢固連接，鋼筋保護層不少于4cm。

2.3 安裝鋼架

（1）安裝拱起構件的工序為：放樣決定鋼結構基礎位置，施做定位錨，架設鋼結構，布置縱向加勁肋。

（2）墻體構件的安裝工序為：在墻腳鋪設槽道墊板→安裝定位錨桿→在相應的拱體內安裝墻體鋼構件→布置縱向鋼筋。拱與墻之間的鋼結構單元宜采用栓接方法。

（3）加強鋼框架拱（墻）腳鎖腳錨桿（管）的施工，在每一級鋼框架的拱（墻）腳以上30 cm的位置，按下傾角30°，在鋼框架的兩側邊緣，打4根以上鎖腳錨（管），鎖腳錨桿（管）與鋼架牢固焊接，鎖腳錨桿直徑不小于22mm，鎖腳錨桿直徑不小于42mm，長度不小于3.5m，以控制地基變形。

2.4 超前支護

根據梧桐山隧道水平層狀圍巖隧道的地質條件和施工中發現的問題，為確保隧道開挖和初期支護順利完成，在開挖前對圍巖進行超前支護是非常必要的。超前支護是指在隧道開挖之前，為防止或減輕圍巖失穩坍塌，采取一定的措施，對巖層進行加固并進行預支護。其主要目的是防止或減輕圍巖變形過大，為隧道開挖提供安全保障。根據梧桐山隧道地質條件和施工經驗，超前支護主要采用長管棚支護和小導管預加固法。在梧桐山隧道施工中，主要采用長管棚和小導管預加固法進行超前支護，其具體參數如下：

長管棚的直徑為φ108 mm；小導管直徑為φ50 mm；超前支護的長度為40～80m。在施工中，如遇較大斷層破碎帶、巖層軟弱帶、軟弱夾層等不良地質情況時，為確保施工安全，必須采用超前錨桿或超前小導管等預支護措施[4]。

注漿小導管是將注漿材料按一定的工藝要求制成管狀，利用注漿泵將漿液注入圍巖空隙，并向周圍擴散，通過漿液在圍巖與管壁之間形成一個加固層，使圍巖得以加固并起到止水的作用。

超前小導管是在巖層中鉆出一排直徑為φ50的小導管，再向四周鉆出一排直徑為φ108的小導管，形成一個環形空間。小導管內采用水泥砂漿填充。其作用：一是增大了圍巖與管棚的接觸面積；二是使圍巖形成一個整體；三是提高了圍巖的自穩能力。

2.5 控制施工循環進尺

在水平層狀圍巖中，水平層狀圍巖受力狀態類似于單向板，各層巖層受力較均勻，在隧道開挖過程中，隨著開挖高度的增加，巖層受力逐漸改變，應力重分布的規律為先變大再變小。本項目在隧道開挖過程中采用了“短進尺、多循環”的施工方法。“短進尺”是指每循環開挖長度控制在2.0m以內，“多循環”是指根據隧道斷面大小，采用上、下臺階交替作業的方式進行循環掘進。在本項目中，上臺階開挖采用氣腿式鑿巖機鉆眼，使用3～4臺氣腿式鑿巖機鉆眼，弱爆破，或人工配合機械開挖，下臺階開挖采用人工配合機械開挖，每循環進尺按照設計鋼架的間距確定。除此之外，在本工程項目中，上臺階開挖作業高度為一般控制2.0m左右，使用3～4臺氣腿式鑿巖機鉆眼，弱爆破，或人工配合機械開挖，每循環進尺按照設計鋼架的間距確定。下臺階開挖一次到仰拱，也使用3～4臺氣腿式鑿巖機鉆眼，弱爆破，或人工配合機械開挖，每循環進尺控制按照設計鋼架的間距確定。初支及時成環。

2.6 安全步距控制

在水平層狀圍巖中，圍巖的整體強度差異較大，在隧道開挖過程中，若每循環開挖進尺過快，容易造成拱頂沉降、拱腰下沉及拱頂塌方等情況；若每循環開挖進尺過慢，則不利于控制拱頂塌方。因此，在進行隧道開挖時，應根據圍巖情況進行分級開挖，并對每循環進尺進行嚴格控制，并應根據隧道拱頂坍塌風險大小的不同采取不同的安全步距。

（1）對于Ⅰ級圍巖段或淺埋偏壓段的隧道，在進行下行線開挖時，應采用“短進尺、弱爆破、強支護”的原則進行開挖，即保證拱頂沉降和拱腰下沉不大于1 cm/d（天）；根據現場地質情況和支護結構情況確定隧道仰拱開挖寬度。（2）對于Ⅱ級圍巖段的隧道，在進行下行線開挖時，應采用“弱爆破、強支護”的原則進行開挖，即保證拱頂沉降和拱腰下沉不大于1 cm/d （天）；在拱部區域可進行超前支護，在下行線開挖完成后，及時對上行線的仰拱進行封閉，保證拱部不產生坍塌[5]。

3 水平層狀圍巖隧道預防拱頂坍塌施工技術應用的保障措施

3.1 通信與信息保障

為確保隧道施工中的通信與信息保障，在隧道掌子面施工前應按照隧道施工標準化的要求，將無線通訊系統、電話系統、電視監控系統、計算機網絡系統等配套通信與信息設備進行安裝，并按照計劃進行試驗和試運行。在隧道施工過程中應按照已建立的通訊與信息保障系統，確保設備運行正常。隧道內應配備一名專職通信值班員，負責對本工程的通信與信息保障系統進行管理和維護，及時檢查和更換設備，確保通信暢通。并且為提高通訊與信息保障效率，在梧桐山隧道采用光纜與隧道內現有通訊網絡相連接，以提高通訊信號傳輸速度和效率。

3.2 應急支援與保障

（1）根據《公路橋梁隧道工程施工安全風險評估制度與指南》，梧桐山隧道工程采用的超前地質預報技術、監控量測技術和信息化施工技術，是基于隧道施工過程中出現的地質異常變化而預先編制的施工預案。當隧道出現地質異常變化時，應及時補充或更新該預案。

（2）針對水平層狀圍巖隧道預防拱頂坍塌施工中出現的風險問題，可提前編制水平層狀圍巖隧道預防拱頂坍塌施工應急預案，并結合超前地質預報技術、監控量測技術和信息化施工技術等，制定相應的應急響應措施，以保障隧道在出現風險問題時能及時響應和開展救援工作。

（3）針對水平層狀圍巖隧道預防拱頂坍塌施工中出現的風險問題，應按“預防為主、防治結合”的原則，建立隧道施工安全風險評估制度。通過對隧道施工過程中存在的風險因素進行全面、系統和準確的評估，制定風險應對措施，并對施工安全風險進行控制和管理。

（4）根據水平層狀圍巖隧道預防拱頂坍塌施工中出現的風險問題，應制定相應的應急支援措施。例如，當隧道發生突泥、突水、瓦斯爆炸、塌方、落石等災害時，應立即停止施工作業，組織人員進行緊急疏散，同時向上級報告有關情況。當發現可能發生安全事故時，應立即采取相應措施，防止事故擴大。

4 結束語

總而言之，水平層狀圍巖隧道拱頂坍塌是個復雜的系統工程，它不僅涉及到地質條件，還涉及到施工方法和工藝等多方面問題。如果在施工中不能嚴格按照設計要求進行施工，就容易引起拱頂坍塌。因此，在水平層狀圍巖隧道施工中，必須對可能發生拱頂坍塌的不良地質進行詳細分析，采取切實有效的預防措施，才能保證隧道施工安全和質量。在水平層狀圍巖隧道施工中，初期支護和仰拱是施工的重點和難點。