柴軍鋒

(山西路橋建設(shè)集團有限公司,山西 太原 041000)

1 工程背景

某山區(qū)高速公路隧道凈寬13.41 m,中間巖柱凈寬為8.2 m,為典型的雙洞小凈距隧道。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果,隧道圍巖主要為風(fēng)化石英砂巖,構(gòu)造及風(fēng)化裂隙之間夾雜泥土,并存在軟弱夾層,穩(wěn)定性較差。該隧道單洞設(shè)計長度688 m,左右洞總長1 376 m,其中Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖、Ⅳ類及以上圍巖長度分別為165 m、1 004 m和207 m,結(jié)合圍巖類型共設(shè)計出三種支護形式。

對于重山丘陵地區(qū)高等級公路而言,左右幅隧道可能受到地形條件限制,出現(xiàn)相鄰隧道最小凈距無法滿足設(shè)計的情況,進而出現(xiàn)單線雙洞小凈距隧道形式,這種隧道形式在施工難度、施工進度及造價等方面優(yōu)于連拱隧道?，F(xiàn)行《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70-2-2014)僅對高速公路、一級公路應(yīng)設(shè)置兩座上下行分離式隧道,并規(guī)定應(yīng)根據(jù)施工技術(shù)、圍巖等級、斷面尺寸及爆破影響等進行兩個相鄰隧道最小凈距的確定[1];而對于小凈距隧道施工次序、開挖進度、圍巖變形監(jiān)測、中央巖柱加固、初支等并未作出明確規(guī)定。為此,本文結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗,對雙孔隧道施工擾動圍巖、中央巖柱加固、小凈距隧道施工質(zhì)量控制等進行探討。

2 施工方案

為降低邊界效應(yīng)對施工過程的不利影響,應(yīng)將上邊界和地表自由面、下邊界和洞底之間的距離均控制在洞高的5倍以內(nèi),左右邊界和洞口之間的距離控制在隧道跨度的5倍之內(nèi)。在模型構(gòu)建時忽略二襯作用,通過殼單元shell、Link桿單元、Solid45實體單元分別進行初支C25噴射混凝土及錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿及圍巖等的模擬[2],并通過優(yōu)化加固區(qū)圍巖參數(shù)的方式實現(xiàn)小導(dǎo)管注漿。該隧道有限元模型網(wǎng)絡(luò)圖具體見圖1。地勘資料所揭露的該隧道圍巖力學(xué)指標(biāo)具體見表1。

表1 隧道圍巖力學(xué)指標(biāo)

圖1 隧道有限元模型網(wǎng)絡(luò)圖

結(jié)合相關(guān)規(guī)范、類似工程設(shè)計經(jīng)驗及該隧道特殊的地質(zhì)條件,通過對以上不同施工方案過程的模擬計算,得到該軟弱圍巖雙洞小凈距隧道圍巖應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性等的變動趨勢特征。根據(jù)模擬結(jié)果,從施工效果來看,雙側(cè)壁法和CRD法開挖所造成的圍巖位移量較小、圍巖應(yīng)力分布也較為均勻,塑性區(qū)范圍相對較小,且整體上來看雙側(cè)壁法施工效果略微優(yōu)于CRD法;上下臺階法施工效果最差。從施工工序來看,雙側(cè)壁法因工作面小,施工工序之間存在較大影響,故施工進度較為緩慢;CRD法所對應(yīng)的開挖工作面略大,對于加快施工進度有一定效果,但是該技術(shù)下施工過程銜接控制存在一定難度,支護及施工要求高,施工質(zhì)量控制難度大。

考慮到該隧道屬于全線控制性工程,能否按照要求進度完工直接關(guān)系到整體工程施工進度,為此必須根據(jù)隧道地質(zhì)條件,考慮當(dāng)前施工技術(shù)水平、施工工序及施工力學(xué)因素進行最佳施工方案的選擇。最終確定的施工方案為Ⅱ類圍巖環(huán)形開挖預(yù)留核心土法(圖2)、Ⅲ類圍巖上下臺階法(圖3)、Ⅳ類圍巖左右洞全斷面開挖。圖中數(shù)字表示的是開挖施工步驟。

圖3 上下臺階法

3 洞口施工

該隧道洞口場地處于自然坡度15～40°的斜坡地帶,地形起伏大,覆蓋厚度為3.6～9.8 m的坡積土,極軟Ⅱ類圍巖埋深在15 m以下,地層傾角20°,結(jié)合隧道洞口基巖中裂隙統(tǒng)計結(jié)果,Ⅱ類圍巖傾角在73～88°,延伸長度1.45～2.5 m,裂隙面平整,并表現(xiàn)為黃褐色,填充物主要為泥質(zhì),地下水為基巖風(fēng)化裂隙水和第四系松散土層孔隙水。

結(jié)合對該隧道洞口地質(zhì)條件的考察與分析,其施工任務(wù)主要包括洞門修筑、截水溝修砌、邊仰坡護砌及洞外土石方開挖等。通過以上施工為洞內(nèi)開挖創(chuàng)造條件,但是考慮到該隧洞洞口段埋深小,設(shè)置承載拱的難度較大;在地質(zhì)地形及地下水等因素的綜合作用下,施工期間出現(xiàn)坡面滑塌、地表沉降、掌子面崩塌的可能性非常大,并很容易受到上覆荷載及土壓力變動的作用。為此,必須優(yōu)化施工方案設(shè)計,加強對施工過程的控制和坡面失穩(wěn)等情況的監(jiān)測。

3.1 洞外土石方開挖

該軟弱圍巖隧洞洞口為Ⅱ類軟巖,且覆蓋土層薄厚不均。通過挖掘機從上至下進行土層的逐層開挖,并加強邊坡穩(wěn)定程度的監(jiān)測;通過爆破法進行石方開挖,并通過優(yōu)化爆破方案降低對周圍巖體及臨近建筑物的擾動。為控制對洞口仰坡的不利擾動,確保仰拱邊坡達到穩(wěn)定,洞口土石方開挖必須遵循早進洞原則,提前進行排水系統(tǒng)施工。

3.2 洞口圍巖加固

先按照設(shè)計要求噴射厚度為5 cm的混凝土,再施作錨桿后掛鋼筋網(wǎng);此后進行第二層同樣厚度混凝土的噴射,為保證圍巖穩(wěn)定,應(yīng)在噴射混凝土過程中增設(shè)鋼格柵。為避免在開挖隧洞洞口Ⅱ類軟巖的過程中發(fā)生巖體崩塌,應(yīng)用長度40 m和16 m的注漿長管棚超前支護方式加固洞口淺埋段,長管棚主要材料為厚6 mm的φ89熱軋無縫鋼管,環(huán)設(shè)置向間距按照50 cm確定,管壁按照15 cm間隔開設(shè)直徑8 mm的梅花形孔。按照水泥∶水玻璃=1∶0.5制備雙液漿。將長管棚設(shè)置在隧道開挖環(huán)形輪廓外的20 cm處,按照10°外插角縱向開孔,待將管棚打入軟巖后通過膠泥將空隙封堵。再按要求采用雙液注漿機注漿,初始及終止壓力分別按照0.5 MPa和1.5 MPa控制,隨著注漿壓力升高至終壓水平后持續(xù)注漿至少10 min,待實際漿液注入量達到設(shè)計量的80%以上或全部注漿孔均達到結(jié)束注漿條件后結(jié)束注漿[3]。以上過程中如遇串孔,則應(yīng)立即暫停注漿,轉(zhuǎn)而進行下一孔注漿,并嚴格按照具體要求控制注漿過程。

4 洞身開挖

4.1 Ⅱ類軟巖淺埋段開挖

隧道圍巖淺埋段開挖必然會對圍巖造成較大擾動,進而增大支護難度和壓力。為防止圍巖出現(xiàn)過大變形而造成初支結(jié)構(gòu)及襯砌結(jié)構(gòu)開裂,必須采用側(cè)壁導(dǎo)洞開挖技術(shù)。結(jié)合實際條件及技術(shù)水平,從該隧道出口端開始單向掘進,洞口段為Ⅱ類軟巖,左洞開挖斷面應(yīng)比右洞開挖斷面超前施工35～45 m,開挖后應(yīng)立即進行初支結(jié)構(gòu)的施作。為降低大斷面爆破開挖施工對中間巖柱的不利擾動,應(yīng)在該隧道左右洞上臺階開挖前開挖側(cè)導(dǎo)洞,并進行中間巖柱超前加固。在左洞開挖進尺達到40 m以上并完成注漿加固后再進行右洞側(cè)導(dǎo)洞短進尺開挖,并按照全斷面一次開挖到設(shè)計位置。此后進行鋼支撐架設(shè)以及錨桿、鋼筋網(wǎng)和混凝土噴涂等初支施工,連接中間巖柱對拉錨桿,并按設(shè)計要求施加預(yù)應(yīng)力。最后采用與左洞相同的工序完成右洞上中下臺階的開挖與支護。

4.2 Ⅲ類圍巖開挖

采用上下臺階法進行Ⅲ類圍巖深埋段開挖,并在上臺階開挖8～10 m后再開挖下臺階,上下臺階緊跟開挖初支施作。在進行環(huán)向系統(tǒng)錨桿施作時必須向中間巖柱壓力注漿,保證巖體穩(wěn)定性。根據(jù)設(shè)計,將預(yù)應(yīng)力對拉錨桿增設(shè)在巖石破碎段,并加固中間巖柱。

4.3 Ⅳ類圍巖開挖

采取全斷面開挖技術(shù)進行Ⅳ類圍巖左洞開挖,通過光面爆破方式保證每一循環(huán)進尺一次成型。右洞開挖斷面比左洞開挖斷面落后約30～35 m,在左斷面底中心開挖出長5 m、寬3 m、高4 m的超前導(dǎo)洞,再應(yīng)用光面爆破技術(shù)將剩余斷面一次開挖到位。這種處理既能增大初爆點與中間巖柱之間的距離,降低爆破開挖對中間巖柱所造成的擾動,又能使大斷面開挖施工的臨空面大大增加。為提升爆破開挖工效,降低炸藥用量,剩余斷面一次開挖采用崩解式爆破技術(shù)。此類圍巖僅僅在巖石破碎帶增設(shè)預(yù)應(yīng)力對拉錨桿,加固中間巖柱。

4.4 爆破施工

考慮到軟弱圍巖雙洞小凈距隧道中間巖柱寬度不大,隧道爆破開挖對周圍巖體影響較大,對于該隧道工程而言,前開挖處爆破震速應(yīng)不超出15 cm/s的范圍,并據(jù)此進行后開挖隧道炸藥用量的測算依據(jù)。為盡量防止震動波疊加,應(yīng)通過微差控制爆破,并根據(jù)震動測試結(jié)果確定起爆時間;根據(jù)震速衰減規(guī)律,按照下式進行震動速度估算

式中:v為起爆點震速(cm/s);K為隧道工程地質(zhì)條件系數(shù),堅硬基巖、基巖及淺層表土分別取150、220和300;Q為裝藥量(kg),齊發(fā)情況下表示總藥量,延發(fā)情況下表示最大斷裝藥量;R為監(jiān)測點與爆破中心中間的距離(m);α為爆破施工誤差系數(shù),堅硬基巖、基巖及淺層表土分別取1.70、1.67、1.60。

Ⅲ類以下圍巖采用預(yù)裂爆破,Ⅳ類以上圍巖則采用光面爆破,兩種情況下均應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行抵抗線、周邊眼間距、裝藥集中度、裝藥量等施工參數(shù)的確定和調(diào)整。沿設(shè)計開挖輪廓線設(shè)置周邊眼,并使用小直徑藥卷,加強裝藥量控制,保證炮孔全長段內(nèi)合理布置藥量;由毫秒雷管以微差次序起爆,保證爆破期間能形成臨空面。掏槽孔則設(shè)置在開挖斷面下部,以達到較好的底部巖層破碎開挖效果。輔助孔應(yīng)在周邊眼和掏槽眼之間均勻交錯布置,且與開挖面垂直,以確保爆破后得到的石渣塊體較小且大小均勻。

在以上爆破開挖施工過程中,必須進行圍巖爆破擾動深度、震動影響及中間巖柱破壞程度等的實時監(jiān)測,以保證中間巖柱等圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

5 中央巖柱加固

結(jié)合類似工程實踐來看,對于軟弱圍巖結(jié)構(gòu),開挖和加固次序的設(shè)置會直接影響施工效果,為此該軟弱圍巖雙洞小凈距隧道Ⅱ、Ⅲ類圍巖中央巖柱初支結(jié)構(gòu)中的錨噴、鋼支撐等參數(shù)必須在設(shè)計基礎(chǔ)上適當(dāng)加強,而Ⅲ、Ⅳ類圍巖則僅在巖石破碎帶實施加固。采用貫穿兩洞的水平預(yù)應(yīng)力對拉錨桿進行中央巖柱深層圍巖加固處理,且遵循從左洞右側(cè)拱腰至右側(cè)墻腳、右洞左側(cè)拱腰至左側(cè)墻腳的施工次序。

根據(jù)設(shè)計,Ⅳ類及以上圍巖中央巖柱區(qū)域通常不存在塑性區(qū),對于Ⅳ類圍巖條件必須采取長度0.5～1.0 m錨桿,對于Ⅳ類以上圍巖則應(yīng)增設(shè)局部系統(tǒng)錨桿加固。為避免因隧道間距過小而引發(fā)的圍巖結(jié)構(gòu)變形、爆破震動影響過大,必須充分考慮中間巖柱特殊的加固要求,在施工過程中應(yīng)先開挖左洞,并在左洞中間巖柱處施作φ50小導(dǎo)管,此后再開挖右洞及進行右洞小導(dǎo)管施作,結(jié)束初支后安裝預(yù)應(yīng)力錨桿。為保證加固效果,小凈距隧道中央巖柱深層加固時最好只采用兩種加固措施,圍巖過度加固反而會使其整體強度削弱。

6 結(jié) 論

綜上所述,該隧道工程開挖施工實踐表明,對于圍巖軟弱、地質(zhì)條件不良的隧道工程,采用小凈距結(jié)構(gòu)形式能降低施工難度,節(jié)省工期。中間巖柱加固是小凈距隧道施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接關(guān)系到軟弱圍巖隧道施工的成敗,此類隧道圍巖自穩(wěn)性差、支護結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,必須采用注漿及增設(shè)預(yù)應(yīng)力對拉錨桿等加固技術(shù)增強中間巖柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。施工監(jiān)測結(jié)果也表明,如果能采取有效措施降低對中間巖柱的擾動,則能確保支護結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。總之,雙洞小凈距隧道支護參數(shù)比傳統(tǒng)分離式隧道優(yōu)異,且施工工藝也更為簡捷,投資更為節(jié)省,可在軟弱圍巖雙洞隧道工程中推廣應(yīng)用。