不良地質條件下隧道洞身開挖施工關鍵技術

韓叢

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司，廣州 510800）

1 引言

隧道建設期間可能遇到各類不良地質條件，隧道圍巖的穩定性難以得到保障，輕則拖慢工期，重則誘發質量問題乃至安全事故。為順利推進隧道工程的建設進程，需從現場不良地質條件出發，采取適宜的施工技術，因此，圍繞關鍵施工技術進行探討具有必要性。

2 工程概況

玉磨鐵路南聯山隧道位于西雙版納—飛龍區間，設計時速160 km/h，隧道進口接路基，出口接飛龍車站，車站布置進入隧道693 m。除出口段693 m 為雙線隧道外，其余段為單線隧道。隧道進口里程DK368+800，出口里程DK378+650，全長9 850 m。隧道最大埋深250 m。隧址區地層巖性以圍巖、輝長巖、閃長巖為主，隧道穿越山體為低緩丘陵，進出口端均分布軟巖。隧道支護采用復合式襯砌結構，集錨噴支護和模筑混凝土于一體。

3 病害描述

工程資料顯示，隧道左洞上臺階開挖至DK369+280.2，仰拱開挖至DK369+267 時，斷面的初期支護變形量異常增加，斷面拱頂下沉速度由1～3 mm/d 迅速增加至5～10 mm/d，且DK369+267～DK369+280 初期支護結構存在多條寬度為1～10 mm 的環向裂縫，結構完整性受到影響，下臺階右側拱腰有一條寬5 mm 的縱向裂縫。支護結構表現出變形、開裂等問題，支護效果變差，存在質量隱患和安全隱患。

4 病害成因分析及臨時處治措施

4.1 病害成因分析

初期支護變形、開裂是多因素共同作用的結果，主要原因有以下3 點。

1）隧址區的巖質較軟，隧道開挖后，周邊圍巖應力增加并向內釋放，出現塑性變形。隧道開挖采取的是2 臺階弧形導坑預留核心土法，上臺階鋼支撐在下臺階開挖時呈懸空的狀態，初支和圍巖均有大幅度的變形。臺階較長，難以在短時間內完成仰拱的施工作業，受此影響，未快速將支護系統閉合成環，部分結構所承受的荷載超出其許可范圍，出現破壞性變形。

2）隧道進口段存在軟巖，且地形有較大的起伏。拱頂圍巖屬軟質巖，開挖后拱周有明顯的塑性變形，圍巖的狀態由穩定轉變為松動，產生變形壓力并作用于初期支護，不利于初支的穩定性。洞身深埋側主動土壓力作用較強，受此類力的作用，鋼支撐向淺埋側移動。初期支護在淺埋偏壓的特殊條件下需承受較強的應力，力的不良影響作用于深埋側拱腰噴射混凝土，導致此部分結構因應力作用而被壓裂[1]。

3）初期支護變形、開裂病害出現時正值雨季，地表水下滲現象持續發生且具有較大的下滲量，上覆松散層孔隙水增加，水的侵蝕作用迫使拱頂圍巖軟化，圍巖自承性能降低。

4.2 病害的臨時處治措施

在發現病害后，隨即增加監控斷面，并加大量測頻率，以便及時掌握最新的病害信息，主動防控；聯合采取增設臨時仰拱、補噴混凝土等方法，用于加強初期支護、穩固圍巖。

對掌子面噴混凝土封閉；對裂縫部位噴射混凝土，厚度約為3 cm；針對DK369+267～DK369+280.2 段病害較為嚴重的情況，在此段上、下臺階處設I20a 工字鋼鋼架，形成臨時仰拱，連接至上臺階拱腰和下臺階拱腳，具體如圖1 所示。

圖1 病害臨時處治示意圖

針對下臺階DK369+267～DK369+274.2 段內、外側拱腰做加強處理，采用的是打設小導管并注漿的方法，取長度為3.5 m的φ45 mm×4 mm 注漿小導管，按照0.6 m 的間距在內外側拱腰打設2 排小導管，拌制水泥-水玻璃雙液漿，以0.2～0.5 MPa的壓力進行不少于10 min 的注漿處理，加固初期支護結構[2]。

5 洞內施工關鍵技術

5.1 開挖工法的選擇

經過病害的臨時處治后，病害發生段圍巖保持穩定狀態，在此基礎上優化開挖方法，保證后續施工的有效進行。開挖工法的選擇屬于首要任務，現階段淺埋隧道的開挖方法包含三臺階七步法、中隔壁法、雙側壁導坑法等，具體根據現場施工條件和工程要求而定。在本工程中，隧道施工現場的地質條件較差，開挖范圍內分布大量的軟巖，在兼顧施工安全性、質量可靠性、工期、造價、最新開挖工法與原開挖工法的銜接等因素后，以上、下臺階法進行剩余部分的開挖，如圖2 所示。

圖2 上、下臺階法施工步序圖

隧道開挖須在必要的超前支護完成后進行。上、下臺階法主要施工步驟為：（1）開挖上臺階1；（2）拱部初期支護Ⅰ；（3）左右交錯開挖下臺階（2、3）；（4）下臺階邊墻初期支護Ⅱ。

上臺階長度10～15 m，高度不大于5 cm，并根據圍巖情況靈活調整，開挖循環進尺控制在1～2 榀鋼拱架的距離。初期支護緊跟開挖面，嚴格控制裝藥量。

臺階法施工要點如下。

1）臺階不宜多分層，上下臺階之間的距離盡可能滿足機具正常作業，并減少翻渣工作量；當頂部圍巖破碎，需支護緊跟時，可適當延長臺階長度。

2）施工時應先護后挖，宜采用超前錨桿或超前小鋼管輔助施工措施。開挖應盡量采用微震光面爆破技術。

3）初期支護應緊跟開挖面；上臺階施工時，鋼架底腳宜設鎖腳錨桿和縱向槽鋼托梁以利下臺階開挖安全。下臺階在上臺階噴射混凝土強度達到設計強度的70%后開挖。

4）隧道兩側的溝槽及鋪底部分應和下臺階一次開挖成型。

5）臺階分界線不得超過起拱線，上臺階長度不得大于30 m，下臺階落底長度不大于2 榀鋼拱架的長度，應一次落底，并盡快封閉成環。

6）臺階長度不宜過長，應盡快安排仰拱封閉成環，改善初期支護受力條件。

7）嚴格控制每循環進尺在2.0 m 以內，盡量減少對圍巖的擾動；開挖成形后應及時進行初期支護，確保工序銜接，當地層變差時，應隨時噴射早強混凝土封閉工作面；施工過程中對圍巖及支護結構進行位移及應力量測，以便監控穩定狀態。

5.2 開挖進尺及順序

1）開挖進尺過小，開挖效率低，臨時支護工程量增加，材料、人力等方面的成本攀升；開挖進尺過大，難以保證拱頂覆土的穩定性，嚴重時發生塌方事故。因此，根據適中的原則控制開挖進尺，具體以埋深、圍巖等級、工期等為參考予以確定，兼顧安全、開挖效率多項要求。開挖前，采取超前支護措施，為開挖創設良好的條件；開挖后，初噴3～5 cm 混凝土，設錨桿、鋼筋網片，搭建鋼拱架，復噴混凝土。

2）合理的開挖順序是保障開挖安全、提高效率的重要前提。在本隧道工程中，首先開挖的是淺埋側導坑，原因在于先對此部位進行開挖時可維持結構受力的穩定性以及減小圍巖變形。因此，先開挖左洞隧道淺埋側導坑，同時此部分與右洞錯開距離需達到隧道跨徑的2 倍或適當增加，經計算以30 m左右較為合適，經過淺埋側導坑的開挖后，再進行其他部位的開挖[3]。

5.3 支護結構設計

為使隧道淺埋軟巖段圍巖維持穩定以及確保隧道建成結構的安全可靠性，綜合考慮量測分析結果和類似地質條件下的隧道施工經驗，經技術可行性分析后擬采用加固初期支護和加強超前支護等措施。對原施工方案進行參數優化，預留變形量由12 cm 增加至18 cm，超前支護注漿小導管、中空注漿錨桿的長度分別由4.0 m 增至4.5 m、4.0 m 增至4.5 m，每隔1榀布置1 環超前小導管，相較于原設計方案而言具有加密的變化；鎖腳錨桿不再采用每榀8 根φ22 mm 藥卷錨桿的布置方法，取而代之的是每榀設12 根長度均為4.5 m 的φ45 mm的鎖腳錨管；鋼筋網片為雙層，以加強應用效果；其他作業方式及具體參數保持原設計不變。

5.4 其他措施

為全面保障不良地質條件下隧道的開挖安全以及提高開挖質量，還采取如下措施。

1）加強對施工工序的協調，現場開挖后隨即以噴射混凝土的方法封閉掌子面，縮短掌子面暴露至環境中的時間?；炷凉探Y后，限制圍巖變形、提升掌子面的穩定性，保障施工安全，以便工程后續施工活動的順利進行。

2）對圍巖預加固，以提高圍巖的自承性能，方法為布設超前注漿小導管并進行注漿，隨著漿液的固結，圍巖得到加固處理；與此同時，注漿過程中漿液發生流動，具有封堵地表水下滲路徑的效果，以免圍巖由于水的侵蝕而發生軟化，在此方式下，較好地規避塌方、冒頂等事故。

3）為及時掌握現場施工情況，適當增加監控斷面的數量，提高監控量測的頻率，斷面布設間距取5～10 m，具體可視實際情況適當加密。對于可能出現大變形的部位，要求每斷面設11個測點，布設測點后加強觀測，開挖后的1 個月內以每日2 次的頻率進行觀測，根據觀測數據縱向分析圍巖的變化趨勢，判斷穩定的穩定狀態，一方面針對當前圍巖采取加強防護措施，另一方面優化后續的施工方法，保證施工的有效性。

4）病害發生部位普遍分布地表水或地下水，同時圍巖裂隙發育，為水的流動提供了通道，水到達襯砌結構時對其產生侵蝕作用，隨著時間的延長，隧道有不同程度的滲水現象，結構的穩定性下降。為保障隧道的安全和穩定，需采取防排水措施。例如，初期支護面有嚴重的滲水現象時，在此部位埋設φ2 cm 的透水軟管，用于將支護面的滲水引流至襯砌背后墻角外側排水管，避免支護面遭到水的侵蝕。

6 結語

綜上所述，隧道施工條件復雜，可能遇到淺埋、軟巖等不良地質，同時受到地下水、降雨等水文條件的影響，若施工方法不合理，易發生結構嚴重變形、塌方冒頂等問題，嚴重威脅施工人員的人身安全。本文結合具體工程實例，針對隧洞開挖過程中支護結構表現出變形、開裂等問題，采取增加監控斷面，并加大量測頻率，以便及時掌握最新的病害信息，主動防控；聯合采取增設臨時仰拱、補噴混凝土等方法，以加強初期支護、穩固圍巖，最終在安全的環境中順利完成隧道開挖作業，提高隧道工程的施工質量。