詹平

摘要：軟弱圍巖隧道施工安全控制、質(zhì)量控制、進(jìn)度控制一直以來都是工程技術(shù)管理人員需要克服的難題，為突破技術(shù)壁壘，實現(xiàn)工藝、工法的創(chuàng)新，需要工程建設(shè)中的各方管理、技術(shù)人員共同努力作出新的嘗試。本文介紹了湖北省境內(nèi)一條主要高速鐵路線路上長大隧道，在軟弱圍巖（Ⅴ級圍巖）段改變傳統(tǒng)臺階法的開挖工法，采用機(jī)械化、加強(qiáng)超前支護(hù)的方式實現(xiàn)了全斷面開挖，提高了綜合工效、降低了施工安全風(fēng)險，為高速鐵路軟弱圍巖隧道施工機(jī)械化、智能化發(fā)展指出了新的思路。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖隧道;機(jī)械化;全斷面開挖

一、工程背景

該隧道位于湖北省境內(nèi)，設(shè)計時速350km/h雙線高速鐵路，中心里程為DK451+786，全長5498m，最大埋深320m，設(shè)計坡度為23‰，-25‰的人字形坡，隧道采用進(jìn)、出口雙向掘進(jìn)施工，進(jìn)口至DK449+577.4183位于半徑R=7000m的左偏曲線上，DK453+108.2235至出口位于半徑R=7000m的右偏曲線上，其余地段均為直線。本隧道圍巖主要為頁巖及灰?guī)r，灰?guī)r地區(qū)巖溶發(fā)育，施工中存在突水突泥風(fēng)險，頁巖地層穿過炭質(zhì)頁巖夾煤線，含有低瓦斯，屬Ⅱ級風(fēng)險隧道。

其中進(jìn)口DK449+112～DK449+257段（無瓦斯）設(shè)計為Ⅴ級圍巖，圍巖中、強(qiáng)風(fēng)化頁巖為主，巖質(zhì)較軟、巖體較破碎，自穩(wěn)性較差。DK449+111.3掌子面現(xiàn)場實際揭示圍巖為黃褐色頁巖，中厚層狀，中風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，拱部圍巖較破碎，無水，自穩(wěn)能力較好，整體地質(zhì)情況較好，無坍塌掉塊情況。采用地質(zhì)雷達(dá)及超前水平鉆進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，地質(zhì)雷達(dá)成果顯示，前方圍巖分布基本均勻，地質(zhì)狀況與掌子面情況相符，未見其它不良地質(zhì)構(gòu)造;超前水平鉆探顯示前方30m范圍鉆渣成黃褐色，轉(zhuǎn)速均勻，無水，地質(zhì)條件與掌子面地質(zhì)情況相符。結(jié)合已開挖初支后監(jiān)控量測結(jié)果，初支穩(wěn)定，未出現(xiàn)嚴(yán)重沉降及收斂。

二、施工工藝

進(jìn)口DK449+112～DK449+257段（Ⅴ級圍巖、無瓦斯）原設(shè)計為三臺階加臨時仰拱的開挖工法（見圖1），為尋求更高效、安全的開挖工法，在該里程段范圍實施了軟弱圍巖全斷面機(jī)械化施工的創(chuàng)新工法（見圖2）。

1、施工工序

采用2臺全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔、裝藥、爆破、掘進(jìn)，開挖高度12.7m，為保證全斷面含仰拱一次性開挖，拱架安裝時施做臨時安裝作業(yè)平臺。具體施工工序如下：

掌子面爆破→排險→初噴封閉掌子面→出渣（掌子面后方8m仰拱回填洞渣）→三臂鑿巖臺車鉆孔（掌子面炮孔、超前、鎖腳錨桿）→臨時封堵炮孔→施做拱架安裝的臨時作業(yè)平臺→立拱架（注漿、安裝超前管棚和小導(dǎo)管、鎖腳錨桿）→噴射混凝土→裝藥→爆破→進(jìn)入下一循環(huán)。

2、超前支護(hù)措施

為保證隧道施工安全、充分發(fā)揮三臂鑿巖臺車鉆孔施工優(yōu)勢，在該Ⅴ級圍巖地段采用φ76中管棚+大仰角Φ42超前小導(dǎo)管超前支護(hù)措施。

（1）φ76中管棚施工參數(shù)

中管棚布設(shè)于拱部150°范圍，長度15m，環(huán)向間距50cm，共計50根，每五個開挖循環(huán)施作一環(huán)，搭接長度3m，外插角為7～10°（見圖3、圖4）。為保證管棚外插角，在掌子面立拱架前鉆孔施做，增大其操作空間，施工完畢后安裝拱架。中管棚采用φ76mm×6mm熱軋無縫鋼管，注漿采用1：1水泥漿，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。

（2）大仰角φ42超前小導(dǎo)管施工參數(shù)

為進(jìn)一步加強(qiáng)開挖輪廓線外2m范圍圍巖穩(wěn)定性，擬采用大仰角φ42超前小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管布設(shè)于拱部150°范圍，每循環(huán)施工長度4m，環(huán)向間距50cm（布設(shè)于中管棚中間），外插角為30°（見圖5、圖6）。每2.4m施工一環(huán)（循環(huán)進(jìn)尺2.4m，每循環(huán)施做），有效搭接1m。小導(dǎo)管采用φ42mm×3.5mm熱軋無縫鋼管，注漿采用1：1水泥漿，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。

3、掌子面超前預(yù)加固措施

掌子面穩(wěn)定是大斷面隧道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，對掌子面采用玻璃纖維錨桿進(jìn)行超前預(yù)加固。玻璃纖維錨桿抗拉強(qiáng)度高、抗剪強(qiáng)度低，開挖過程中，錨桿不需拆除，方便大斷面隧道機(jī)械化快速施工需要。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，對掌子面超前注漿預(yù)加固采用φ22玻璃纖維錨桿，玻璃纖維錨桿單根長度18m，每循環(huán)搭接5m，結(jié)合現(xiàn)場圍巖實際情況及系統(tǒng)錨桿布設(shè)間距，圍巖注漿擴(kuò)散半徑按1.3m考慮，掌子面玻璃纖維錨桿按7㎡/根布設(shè)，根據(jù)圍巖情況可對局部進(jìn)行加密。

4、每循環(huán)開挖進(jìn)尺

在對掌子面進(jìn)行有效的超前預(yù)加固后，每循環(huán)全斷面開挖進(jìn)尺為2.4m。根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，結(jié)合初期支護(hù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整開挖進(jìn)尺。

5、超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報采用地質(zhì)素描法、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆、超前炮孔等探測方法與ZYS113全電腦三臂鑿巖臺車地質(zhì)分析數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。

地質(zhì)雷達(dá)每次預(yù)報距離為25m，前后兩次搭接5m以上;超前鉆探孔每循環(huán)30m，搭接長度5m，外插角控制在13o～20o;電腦鑿巖臺車自帶地質(zhì)分析軟件通過對每循環(huán)鉆孔壓力、扭矩、鉆進(jìn)速度等數(shù)據(jù)綜合分析，形成地質(zhì)云圖，預(yù)報前方圍巖地質(zhì)情況。通過對各項超前地質(zhì)預(yù)報成果進(jìn)行分析，綜合判定前方地質(zhì)情況，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

6、監(jiān)控量測

圍巖監(jiān)測目的在于掌握圍巖變形動態(tài)，了解支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)，動態(tài)設(shè)計指導(dǎo)后續(xù)施工。本隧道采用無接觸法進(jìn)行拱頂沉降、圍巖收斂、掌子面擠出變形監(jiān)控量測，結(jié)合圍巖壓力、初支鋼架應(yīng)力監(jiān)測等方式，對圍巖穩(wěn)定情況進(jìn)行綜合分析，互相驗證，得出較準(zhǔn)確的周圍巖體變形狀態(tài)，更好的指導(dǎo)后續(xù)施工。

（1）根據(jù)量測數(shù)據(jù)繪制周邊位移，拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線，以及距開挖面距離關(guān)系圖等。對時態(tài)曲線進(jìn)行回歸分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的最大拱頂下沉及周邊收斂值。

（2）獲取軟弱圍巖地段圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的受力水平、規(guī)律，驗證設(shè)計強(qiáng)度是否滿足要求，結(jié)合監(jiān)控量測位移與超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，為超前預(yù)加固施工提供信息反饋，做到動態(tài)施工。

（3）根據(jù)開挖面狀態(tài)，周邊位移，拱頂下沉量的大小以及速率，進(jìn)行綜合分析，判斷圍巖及支護(hù)的穩(wěn)定性。

（4）采用變形總量和變形速率對隧道監(jiān)控量測安全等級進(jìn)行管理。測點(diǎn)位移速率測點(diǎn)位移速率≧5mm/d時，由監(jiān)理工程師組織施工現(xiàn)場分析原因并采取處理措;當(dāng)速率連續(xù)2天大于10mm/d時，由監(jiān)理單位組織施工單位進(jìn)行原因分析和制定措施并報建設(shè)單位批準(zhǔn);當(dāng)速率大于15mm/d時由建設(shè)單位組織設(shè)計、監(jiān)理、施工單位進(jìn)行原因分析和制定措施。

三、質(zhì)量控制措施

1、開挖質(zhì)量控制措施

（1）加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報，堅持先預(yù)報后開挖的施工原則;采用光面爆破技術(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況和爆破效果，調(diào)整鉆爆參數(shù)，不斷優(yōu)化爆破設(shè)計，嚴(yán)格控制超欠挖。

（2）鉆眼嚴(yán)格控制外插角角度，按照設(shè)計控制開挖斷面，控制超欠挖。隧道開挖后，在兩側(cè)及洞頂每隔10m～20m設(shè)一個標(biāo)志樁，實測開挖斷面尺寸。

（3）鉆孔前清除掌子面松散巖塊。鉆眼深度、角度按設(shè)計施工，鉆孔偏斜度不大于1°，周邊眼在斷面輪廓線上開孔并向外擴(kuò)散，眼底向外張量不大于20cm。

（4）裝藥前先將炮眼內(nèi)的泥漿、石粉等吹洗干凈，經(jīng)檢查合格后裝藥，嚴(yán)格控制裝藥量。周邊眼采用間隔裝藥，輔助眼采用不耦合裝藥。

2、支護(hù)質(zhì)量控制措施

（1）超前管棚、超前小導(dǎo)管

①鉆孔前在掌子面上正確測放出鉆孔位置，調(diào)整好鉆機(jī)鉆孔的角度，確保成孔后孔位、角度、搭接長度滿足要求。

②注漿漿液流動性好，固結(jié)后收縮小，具有良好的粘結(jié)力和較高的早期強(qiáng)度。

③注漿過程中嚴(yán)格控制注漿壓力，注漿結(jié)束后檢查其效果，不合格者補(bǔ)注漿。注漿強(qiáng)度達(dá)到要求后方可進(jìn)行開挖。注漿順序由拱腳向拱頂逐管注漿。

（2）鋼拱架

①按設(shè)計材料、尺寸采用廠家制作。安裝前根據(jù)施工圖紙檢查驗收加工質(zhì)量，確保鋼支撐有足夠強(qiáng)度、剛度。

②安裝確保中線、標(biāo)高、尺寸、安裝垂直度與設(shè)計相符，安裝穩(wěn)固牢靠。保證鋼支撐在襯砌斷面以外。附件與腹桿安裝位置準(zhǔn)確，焊接牢固。

（3）噴射混凝土

①水泥、水、骨料的各項技術(shù)指標(biāo)確保滿足規(guī)范中有關(guān)條款要求。所用外加劑確保不引起鋼筋銹蝕、腐蝕和對混凝土耐久性產(chǎn)生有害影響。

②噴射混凝土實施前，按照監(jiān)理工程師指示進(jìn)行現(xiàn)場試驗。噴射前用高壓風(fēng)或水對受噴面進(jìn)行清理。

③噴射混凝土作業(yè)分片自下而上，分段進(jìn)行。分層噴射時，后層噴射在前次噴射混凝土終凝后進(jìn)行。

④一次噴層厚度一般不大于5cm。各層間隔30min～60min，如果間隔時間大于1h，對已噴混凝土面用水或風(fēng)清洗。

⑤噴射混凝土?xí)r噴頭垂直于受噴面，噴頭離受噴面距離保持在0.6m～1.2m。

⑥按照規(guī)范要求對噴射混凝土進(jìn)行養(yǎng)生。

3、襯砌質(zhì)量控制措施

（1）在澆筑邊墻基礎(chǔ)和仰拱前，將基底的浮石、雜物、泥漿和積水清理干凈。

（2）澆筑混凝土前確保二襯鋼筋綁扎和防水板鋪設(shè)已通過監(jiān)理工程師驗收。

（3）隧道襯砌必須保證其中線、水平、斷面尺寸、凈空大小符合設(shè)計要求，每襯砌循環(huán)不論長短都要進(jìn)行測量放樣，復(fù)核檢查。模板臺車準(zhǔn)確就位，模板面光滑平順，不漏漿，接縫嚴(yán)密整齊。脫模后對模板認(rèn)真整修，使每段襯砌接縫平整，內(nèi)實外光。

（4）混凝土拌和、運(yùn)輸、入模、搗固、養(yǎng)生必須按規(guī)范要求施工。模板支撐牢固，表面平整光滑，尺寸符合設(shè)計中線水平要求?；炷翐v固密實，做到外光內(nèi)實，成型美觀。

（5）嚴(yán)格把好原材料進(jìn)場質(zhì)量關(guān)，先檢后用，不合格材料不準(zhǔn)驗收，保證使用的材料全部符合工程質(zhì)量的要求。

（6）利用超聲波檢測儀對襯砌混凝土厚度、強(qiáng)度、密實度等采用超聲回彈綜合法進(jìn)行檢測，以指導(dǎo)施工并確保工程質(zhì)量。

四、安全控制措施

1、爆破安全控制措施

（1）爆破材料的運(yùn)輸、儲存、加工、現(xiàn)場裝藥、聯(lián)線、起爆及瞎炮處理，必須遵守《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）的有關(guān)規(guī)定。

（2）洞內(nèi)各爆破作業(yè)做到統(tǒng)一指揮，爆破前調(diào)度人員通知受影響的相鄰工作面人員、車輛撤離到安全距離外，距爆破工作面的距離不少于200m。

（3）爆破期間，所有動力及照明電路均斷開或改移到距爆破點(diǎn)不小于50m的地點(diǎn)。

（4）每日放炮時間及次數(shù)根據(jù)施工條件明確規(guī)定，爆破前爆破人員嚴(yán)格檢查爆破網(wǎng)絡(luò)，確保一次起爆。

（5）遇到下列情況時嚴(yán)禁裝藥爆破：照明不足;工作面巖石破碎尚未支護(hù);發(fā)現(xiàn)可能有高壓水及泥涌出地段。

2、防止坍塌安全控制措施

（1）按照“超前探、預(yù)支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、快噴錨、勤量測、緊襯砌”的施工原則，開挖作業(yè)必須制定切實可行的施工方案和安全措施。

（2）加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報，對地質(zhì)情況或水文情況進(jìn)行探測，及時觀察洞內(nèi)圍巖受力及變形動態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)塌方的可能性及征兆。

（3）嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行超前支護(hù)預(yù)注漿，嚴(yán)格注漿工藝，提高圍巖自承能力和開挖面的穩(wěn)定性。

五、結(jié)束語

在軟弱圍巖隧道中，施工安全風(fēng)險大和施工工效低一直以來是工程技術(shù)管理人員關(guān)注的重點(diǎn)，在本工程實例中實施了機(jī)械化全斷面開挖工法，為尋求更加安全、高效的隧道開挖施工工藝作了一次新的嘗試，引導(dǎo)廣大工程技術(shù)人員在機(jī)械化、智能化施工前進(jìn)的道路上不斷作出創(chuàng)新，使我們的高鐵工程施工技術(shù)走出國門、走向世界。

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