何振華　何文峰

(江西省上饒市鉛山縣公路分局　鉛山　334500)

紫溪隧道軟弱圍巖施工技術(shù)

何振華何文峰

(江西省上饒市鉛山縣公路分局鉛山334500)

摘要結(jié)合隧道工程實(shí)例，對(duì)軟弱圍巖洞口地段加固、偏壓處治、臺(tái)階式洞身掘進(jìn)和錨噴支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，指出了超前長(zhǎng)管棚、超前小導(dǎo)管和錨噴支護(hù)技術(shù)是保證軟弱圍巖隧道施工安全行之有效的方法。

關(guān)鍵詞隧道工程軟弱圍巖施工技術(shù)

1工程概況及開(kāi)挖方法選定

上武高速公路起于贛閩省界分水關(guān)，終于上饒經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)董團(tuán)鄉(xiāng)，與滬昆高速相連接。紫溪隧道位于江西省上饒市鉛山縣紫溪鄉(xiāng)境內(nèi)。它是一座上下行分離的4車(chē)道高速公路隧道，起訖樁號(hào)為左洞ZK317+740~ZK319+415，長(zhǎng)1 675 m，右洞YK317+815~YK319+430，長(zhǎng)1 615 m，建筑限界凈寬10.25 m。

隧道沿線(xiàn)氣侯溫濕，雨量充沛，植被發(fā)育，地形起伏。隧道沿線(xiàn)巖土分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖，部分巖體破碎，發(fā)育深度大，裂隙水較豐富。隧道兩端洞口進(jìn)洞的一段長(zhǎng)度均為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(V級(jí)圍巖)，再往里面是V級(jí)、IV級(jí)、III級(jí)圍巖交錯(cuò)布置，越往隧道里面地質(zhì)條件越好。

軟弱圍巖隧道施工開(kāi)挖方法主要有臺(tái)階法，環(huán)形開(kāi)挖留核心土法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及中導(dǎo)洞法等其他施工方法。V級(jí)圍巖的中小跨度隧道在采用了有效的預(yù)加固措施后可采用臺(tái)階法開(kāi)挖。環(huán)形開(kāi)挖留核心土法可用于IV～V級(jí)圍巖或一般土質(zhì)圍巖的中小跨度隧道。中隔壁法適用于圍巖較差、跨度大、淺埋、地表沉降需要控制的場(chǎng)合。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于淺埋大跨度隧道及地表下沉量要求嚴(yán)格而圍巖條件很差的情況。開(kāi)挖方法應(yīng)根據(jù)隧道長(zhǎng)度、斷面大小、結(jié)構(gòu)形式、工期要求、機(jī)械設(shè)備、地質(zhì)條件等，選擇適宜的開(kāi)挖方案[1]。總體控制原則是保持地層穩(wěn)定，避免塌方危及施工安全，節(jié)約工程造價(jià)。通過(guò)比選，該隧道采用臺(tái)階法施工。

2洞口施工及偏壓處治

2.1　套拱和超前長(zhǎng)管棚施工

隧道兩端洞口進(jìn)洞地質(zhì)條件較差，較長(zhǎng)距離為V級(jí)圍巖。為了保證安全進(jìn)洞，在隧道洞口設(shè)置了套拱和超前長(zhǎng)管棚，以保證成洞面和淺埋地段開(kāi)挖的穩(wěn)定與安全。套拱縱向長(zhǎng)2 m，設(shè)置了60 cm厚C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土，布設(shè)4榀Ⅰ16工字鋼支撐，鋼支掌縱向由直徑22 mm鋼筋焊接固定，焊接鋼筋環(huán)向間距1 m。套拱內(nèi)預(yù)埋直徑×壁厚為133 mm×6 mm鋼管作為長(zhǎng)管棚的導(dǎo)向管。長(zhǎng)管棚鋼管采用直徑×壁厚為108 mm×6 mm有孔鋼花管，拱部180°范圍布設(shè)，環(huán)向間距50 cm，共41根，每根長(zhǎng)60 m。套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，采用MD-50跟管鉆機(jī)鉆孔，為了防止長(zhǎng)鋼管在鉆進(jìn)過(guò)程中的下沉，鉆機(jī)仰角應(yīng)控制在2°～4°，邊鉆孔，邊接長(zhǎng)鋼管跟進(jìn)，縱向同一橫斷面的鋼管接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯(cuò)開(kāi)1 m，鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常用測(cè)斜儀測(cè)量鉆進(jìn)偏斜度。長(zhǎng)鋼管鉆進(jìn)全部完成后開(kāi)始注M30水泥漿，水灰比11，摻1%的水玻璃，注漿從拱腳至拱頂逐孔對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，終止壓力為2 MPa，漿液擴(kuò)散半徑不小于0.65倍的管中心距,一個(gè)洞口的設(shè)計(jì)注漿量為17.81 m3。根據(jù)后來(lái)洞口掘進(jìn)顯示，漿液擴(kuò)充與風(fēng)化巖層凝結(jié)為一個(gè)整體，保證了安全進(jìn)洞。

2.2　出洞口段偏壓處治

左洞出洞口ZK319+362～ZK319+415長(zhǎng)53 m地段，側(cè)面處外露面山體與水平面呈約 45°走向，洞頂離山體外露面不足12 m高，進(jìn)洞上臺(tái)階挖了約30 m長(zhǎng)，初期支護(hù)基本完成，但由于山體側(cè)向壓力的影響，洞體出現(xiàn)了明顯的變形。采取的處治方案是：沿洞頂中心山體外露面為起點(diǎn)，以水平填筑寬為30 m，向山下1∶1.5放坡的土體來(lái)平衡土側(cè)壓力。先在山體表面分層挖1 m寬的臺(tái)階，然后通過(guò)放樣確定山腳填土范圍，由下往上分層填筑，直至洞頂中心線(xiàn)山體水平面。通過(guò)這幾年的運(yùn)營(yíng)，未發(fā)現(xiàn)該處洞內(nèi)有變形。

3臺(tái)階式洞身掘進(jìn)

軟弱圍巖隧道采用短臺(tái)階法施工，初期支護(hù)及時(shí)跟上。洞身掘進(jìn)采用人工風(fēng)鎬配合挖掘機(jī)開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺1.2 m，在上臺(tái)階開(kāi)挖至30 m時(shí)，開(kāi)始下臺(tái)階開(kāi)挖，采用左半幅馬口跳槽開(kāi)挖，馬口開(kāi)挖長(zhǎng)度不宜超過(guò)四榀工字鋼，初期支護(hù)跟上。然后是右半幅跳槽開(kāi)挖，跳槽開(kāi)挖必須單側(cè)落底，左右錯(cuò)開(kāi)3 m以上，開(kāi)挖后立即支護(hù)。掘進(jìn)超出長(zhǎng)管棚保護(hù)范圍，為了保證掌子面開(kāi)挖安全,在拱頂部120°范圍內(nèi),布設(shè)超前小導(dǎo)管，壓注水泥漿。目的是使洞頂圍巖形成整體，成一層堅(jiān)硬的承載環(huán)殼體，不致崩塌。小導(dǎo)管采用直徑×壁厚為42 mm×5 mm鋼管,管壁四周鉆6 mm壓漿孔,尾部1.0 m不設(shè)壓漿孔。

4洞身初期支護(hù)

初期支護(hù)應(yīng)緊跟開(kāi)挖盡快對(duì)圍巖施加約束，確保施工安全。隧道初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，即由錨桿、鋼支撐、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土組合起來(lái)的支護(hù)形式。錨噴支護(hù)是一種符合巖體力學(xué)原理的積極支護(hù)方法，錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)柔性好，它能及時(shí)支護(hù)和加固圍巖，與圍巖密貼，同圍巖共同變形，能封閉巖體的張性裂隙和節(jié)理，加固圍巖結(jié)構(gòu)面，從而提高巖體自身的強(qiáng)度、自承能力和整體性[2]。

4.1　錨桿

4.1.1錨桿作用的理論根據(jù)

(1) 組合梁作用。錨桿可將若干層層狀巖體串聯(lián)在一起，增大層間摩阻力形成組合梁，防止巖層的滑移和坍塌。

(2) 整體加固作用。按一定間距在隧道周邊呈放射狀布置的成組錨桿，將隧道四周一定深度的圍巖進(jìn)行擠壓、粘結(jié)加固，組成一個(gè)承載環(huán)。

(3) 懸吊作用。把隧道壁面附近具有裂隙、節(jié)理的不穩(wěn)定巖體，用錨桿固定在深層的堅(jiān)固穩(wěn)定的巖體上，可將不穩(wěn)定巖體的重量傳遞給深層堅(jiān)固的巖體負(fù)擔(dān)，以起到懸吊作用。

4.1.2洞頂圍巖錨桿施工

V級(jí)圍巖錨桿采用直徑22 mm螺紋鋼筋，長(zhǎng)為3.5 m ，環(huán)向間距1 m，縱向間距0.6 m，每環(huán)29根。

(1) 鉆孔。按設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)孔位，孔徑為直徑37 mm，鉆孔方向盡量與巖層主要結(jié)構(gòu)面垂直，當(dāng)圍巖主結(jié)構(gòu)面不明顯時(shí)，可與隧道周邊輪廓垂直布置。鉆好孔后用高壓水將孔沖洗干凈。

(2) 砂漿制作。砂漿強(qiáng)度等級(jí)不低于M20，砂漿配合比(質(zhì)量比)為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.47，砂的料徑不宜大于3 mm，速凝劑摻量為水泥用量的5%。

(3) 注漿及安設(shè)錨桿。將砂漿充滿(mǎn)注漿器，并用高壓空氣將水泥砂漿由注漿管注入鉆孔中，注漿管應(yīng)插至距孔底5~10 cm處，隨水泥砂漿的注入緩慢勻速拔出，隨即迅速將錨桿插入，桿體插入孔內(nèi)的長(zhǎng)度不得短于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%，錨桿插到設(shè)計(jì)深度時(shí)孔口應(yīng)有砂漿流出，若孔口無(wú)砂漿流出，則應(yīng)將桿體拔出重新灌漿，全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿應(yīng)灌漿飽滿(mǎn)。錨桿一旦插入完成，不得再次擾動(dòng)。

4.2　鋼支撐支護(hù)

V級(jí)圍巖采用Ⅰ18工字鋼支撐，IV級(jí)圍巖采用Ⅰ16工字鋼進(jìn)行支撐。它的特點(diǎn)是剛度大，架設(shè)后能立即發(fā)揮支撐機(jī)能。Ⅰ18工字鋼支撐縱向間距0.6 m，Ⅰ16工字鋼支撐縱向間距0.8 m，縱向榀與榀之間用直徑22 mm鋼筋焊接固定，橫向用鎖腳錨桿焊接固定，鋼支撐應(yīng)盡量靠近圍巖。

4.3　鋼筋網(wǎng)掛網(wǎng)

隧道V級(jí)圍巖在初噴1層混凝土后再進(jìn)行鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)。V級(jí)圍巖張掛2層焊接鋼筋網(wǎng)，采用直徑6 mm鋼筋，間距20 mm×20 cm，在工字鋼支撐內(nèi)側(cè)布設(shè)1層，外側(cè)布設(shè)1層，第2層鋼筋網(wǎng)應(yīng)在第1層鋼筋網(wǎng)被噴射混凝土全部覆蓋后進(jìn)行鋪設(shè)。鋼筋網(wǎng)必須與鋼支撐及錨桿牢固焊接，以增加整體效果。張掛鋼筋網(wǎng)可提高噴射混凝土支護(hù)層的抗拉能力、抗裂性、抗震性。

4.4　噴射混凝土

噴射混凝土使用潔凈的中砂并過(guò)篩，碎石粒徑不宜大于15 mm，。水泥與砂石重量比為1∶4，用水量憑噴射手的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)掌握。隧道V級(jí)圍巖初期支護(hù)厚度為25 cm，采用濕噴混凝土的施工方法，速凝劑用量為水泥用量的5%，將拌和好的料運(yùn)至噴射機(jī)邊，投入噴射機(jī)料頭，同時(shí)加入速凝劑，用壓縮空氣將混合料壓送到噴槍?zhuān)趪婎^處加入高壓水混合，以較高的速度噴射到巖面上。噴射的順序是先墻后拱，自下而上。分層噴射的間隔時(shí)間一般為15 min。如巖面凹凸不平時(shí)，應(yīng)先噴凹處找平，然后向上噴射。每次噴射的厚度拱部為5～6 cm，邊墻為7～10 cm。過(guò)厚則由于混凝土自重下墜，影響混凝土與巖面的黏結(jié)力，不易保證噴層致密。

5監(jiān)控量測(cè)

5.1　監(jiān)控量測(cè)的目的

監(jiān)控量測(cè)是施工工藝流程中的一個(gè)重要工序，應(yīng)貫穿施工的全過(guò)程。監(jiān)控量測(cè)的目的是掌握圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)信息并及時(shí)反饋，指導(dǎo)施工作業(yè)。通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)的變形、應(yīng)力量測(cè)，為修改設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5.2　監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目和實(shí)施

該隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目是:地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察,周邊位移量測(cè),拱頂下沉量測(cè)。地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察應(yīng)進(jìn)行洞內(nèi)、外觀察，洞內(nèi)觀察分開(kāi)挖工作面觀察和已支護(hù)地段觀察2部分。

(1) 開(kāi)挖工作面觀察應(yīng)在每次開(kāi)挖后進(jìn)行。及時(shí)填寫(xiě)開(kāi)挖工作面地質(zhì)狀態(tài)記錄表和施工階段圍巖級(jí)別判定卡。對(duì)已支護(hù)地段的觀察每天應(yīng)進(jìn)行一次，主要觀察圍巖、噴射混凝土、錨桿和工字鋼架等的工作狀態(tài)。觀察中發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化時(shí)，應(yīng)撒出洞內(nèi)施工人員和設(shè)備，立即上報(bào)設(shè)計(jì)、監(jiān)理、業(yè)主單位，采取相應(yīng)處理措施。

(2) 洞外觀察重點(diǎn)應(yīng)在洞口段，內(nèi)容應(yīng)包括地表開(kāi)裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)變形異常，立即上報(bào)，確保施工安全。對(duì)于周邊位移和拱頂下沉的量測(cè)，隧道Ⅴ級(jí)圍巖每20 m布置1個(gè)斷面，周邊位移布設(shè)2對(duì)點(diǎn)，拱頂下沉布設(shè)3個(gè)點(diǎn)，每天測(cè)2次。根據(jù)位移速率變化趨勢(shì)判斷：速率小于0.2 mm/d時(shí)，圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定。當(dāng)圍巖位移速率變化上升時(shí)，圍巖處于危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即停止掘進(jìn)，采取應(yīng)急措施。根據(jù)第三方檢測(cè)報(bào)告，周邊位移最大值為5.17 mm，拱頂下沉最大值為8.40 mm，都在允許變形范圍內(nèi)，而且都趨向穩(wěn)定。

6二次襯砌

圍巖的初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后及時(shí)進(jìn)行二次襯砌，變形基本穩(wěn)定應(yīng)符合拱腳水平相對(duì)凈空變化速度小于0.2 mm/d，拱頂相對(duì)下沉速度小于0.15 mm/d。

隧道V級(jí)圍巖襯砌厚度45 cm，采用C25防水鋼筋混凝土，摻加HEA抗裂型防水劑，摻量為水泥用量的8%，采用二襯臺(tái)車(chē)模板(長(zhǎng)10 m)澆筑。澆筑混凝土前，應(yīng)將基底石渣、污物和積水排除干凈。首先澆筑仰拱并填充C15片石混凝土，然后澆筑路面調(diào)平層和矮邊墻，最后用二襯臺(tái)車(chē)澆筑拱部及曲面墻混凝土。二襯臺(tái)車(chē)每側(cè)沿高度2 m開(kāi)設(shè)4個(gè)梅花形0.5 m×0.5 m振搗窗洞，直至拱頂，以利澆注和振搗混凝土。混凝土澆筑嚴(yán)格按配合比施工，拱墻混凝土澆注應(yīng)分層由下往上從兩側(cè)向拱頂平衡施工，每澆筑一層，就用振搗器振搗密實(shí)，澆注拱部混凝土?xí)r，在襯砌臺(tái)車(chē)頂部預(yù)留4個(gè)注漿孔，注漿孔離二襯臺(tái)車(chē)兩端1.25 m，注漿孔之間間距2.5 m。二襯混凝土澆注完成后由于干縮和自身重力作用，拱頂混凝土?xí)c上面的防水板脫開(kāi)，形成空鼓。拱頂注漿的目的就是使拱頂混凝土與上面的防水板和初支混凝土緊貼，作用就是避免空鼓積水，使初支和二襯混凝土同時(shí)承受?chē)鷰r壓力，且均勻受壓。待襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后再注漿充填。混凝土襯砌應(yīng)連續(xù)澆注，每一模盡可能一次澆筑完成。如因故中斷，中斷時(shí)間應(yīng)小于前層混凝土的初凝時(shí)間，否則應(yīng)按施工縫處理。

7結(jié)語(yǔ)

采用超前長(zhǎng)管棚和超前小導(dǎo)管對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行預(yù)支護(hù)，采用錨噴混凝土對(duì)洞身進(jìn)行初期支護(hù)，這樣能夠保證洞身掘進(jìn)的安全。在下臺(tái)階施工中盡快使初期支護(hù)落地封閉，確保及早封閉成環(huán)，仰拱填充及時(shí)跟進(jìn)，以控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定。同時(shí)二次襯砌必須根據(jù)監(jiān)測(cè)單位的監(jiān)測(cè)結(jié)果盡快進(jìn)行，確保隧道施工安全。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG/T F60-2009公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S]. 北京：人民交通出版社，2009.

[2]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

收稿日期：2015-09-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.017