高速公路中浅埋偏压隧道穿越岩堆体施工技术

高速公路中浅埋偏压隧道穿越岩堆体施工技术

娄闪

中铁一局集团有限公司广州分公司广东广州510000

摘要：本文结合笔者多年的工作实践经验，针对高速公路中浅埋偏压穿越松散岩堆体的隧道施工技术难题，结合隧道地质及山体等实际情况，运用理论分析、最优化方法和现场验证等手段，确定了浅埋偏压穿越松散岩堆体隧道的CD开挖方法，提出了较为可行的支护技术方案及参数，总结出了隧道施工工艺流程。实践表明，提出的浅埋偏压穿越岩堆体的隧道开挖方法、支护方案与参数以及施工工序等一系列技术可以满足工程需要，能确保隧道施工安全，并获得了非常好的经济及社会效益，可为后续其他类似工程提供可靠参考。

关键词：隧道工程；浅埋；偏压；岩堆体；开挖方法；支护方案；施工流程

随着我国基础建设高速发展，高速公路与铁路等工程建设日趋迅猛，对隧道工程建设问题的研究也取得了极为丰富的成果[1-2]。然而，隧道工程设计和施工是复杂的系统性工程，其围岩的变形与稳定、施工工艺以及特殊环境影响等问题均需详细论证，如果遭遇不良地质及气候等其他影响因素作用时，就可能会对施工进度和安全有着严重影响。为此，必须对在复杂条件下的隧道施工技术、方法甚至围岩力学行为及其特性等大量问题进行研究，才能确保工程顺利完工。

高速公路全长106.87公里，工程中的隧道起讫里程K21+384（ZK21+402）～K22+203（ZK22+248），右线洞身长819m，左线洞身长846m。隧道在出口段分布有180m长的岩堆体，且同时存在浅埋、偏压、滑坡现象，施工安全风险高。基于恶劣的地质条件和施工空间限制，须在施工前期对隧道施工开挖顺序、开挖工法、爆破振动扰动岩堆体、围岩应力重分布、变形和长期的固结沉降规律等进行专题研究，以及为现场施工提供科学有效的岩堆体控制措施的可靠依据。

1.工程条件分析

1.1地质条件分析

在建高速公路路线主要穿越山麓，地表大部分为坡积块石土、黄粘土，基岩主要出露与两侧山坡和山顶。根据勘察结果并结合初勘资料，隧址区第四系覆盖层主要为更新统坡积成因（QPdl）粉质黏土、碎石及崩积成因（QPc）碎石、块石等，分布不均匀，部分地段基岩出露，隧址出露地层岩性主要为志留系下统黄葛溪组（S1h）泥灰岩和奥陶系（O）灰岩、泥灰岩。隧道工程区段不良地质现象主要为危岩、崩塌与岩堆，洞口处岩堆发育，堆积体主要由块石组成，岩堆上部地表可见较多块径0.3～0.8m新近补给的块石，母岩成分主要为灰岩、泥灰岩，棱角状，碎石、粉质黏土及角砾充填，结构较松散，均匀性差，工程地质条件较差，围岩级别为Ⅴ2～Ⅲ2级，共分为５个围岩段，较为复杂，具体见图1所示。

图1隧道工程区段不良地质

1.2山体条件分析

左、右线隧道A端洞口段隧道轴线方向约271°，位于岩堆体中部，岩堆发育且堆积体主要由块石组成，岩堆上部地表可见较多块径0.3～0.8m新近补给的块石，母岩成分主要为灰岩、泥灰岩，棱角状，碎石、粉质黏土及角砾充填，结构较松散，均匀性差，工程地质条件较差；钻孔揭露岩堆厚24.5m～30.1m，坡面为上陡下缓型，天然状态下该岩堆体处于基本稳定状态，在施工扰动、暴雨、地震等不利作用容易失稳，这对在偏压条件下还要浅埋隧道施工是极其不利的。

2.隧道开挖方法的确定

2.1开挖方法

隧道包括Ⅴ2～Ⅲ2等五级围岩，开挖方法也有所不同，在此主要对最为柔弱及复杂的洞口段进行分析，其他不做赘述。

依据隧道施工技术[3-4]，充分结合隧道设计围岩情况及施工要求，考虑150mm预留变形量后可得隧道洞身开挖最大高度为1035㎝、拱脚宽度为1250㎝。据此，Ⅴ级围岩浅埋段采用CD法开挖，开挖及初期支护分6步，即6个导洞。左侧上下两个导洞为先期开挖的第一、二导洞，左侧隧底为第三导洞，右侧按上下按顺序分别为第四、五导洞，右侧隧底为第六导洞。左侧一、二、三导洞成台阶状，右侧四、五、六导洞成台阶状，具体开挖步骤见图2、图3。

图3Ⅴ级围岩三台阶开挖示意图

2.2爆破技术方案

参考隧道工程技术及理论[5-6]，结合该工程地质及山体条件，浅埋施工无支护时拱部极易坍塌、侧壁容易失稳，加上块石层结构松散，对隧道排水不利导致集中降雨状态下洞室可能呈淋雨状或涌流状出水，因此开挖主要采取短进尺、弱爆破开挖。

3.隧道支护方案及参数

按隧道工程支护技术及方法[7-8]，对隧道支护方案及参数进行分析，在此主要对初期支护进行说明，二次衬砌不做讨论。

3.1总体支护参数

初期支护以网喷混凝土+锚杆+型钢钢架组成，锚杆采用自进式φ25中空注浆锚杆，长3.5m，间距1.0×0.5m呈梅花状布置。仰拱基底采用φ42注浆小导管加固，长度L=3.5米，间距1.2×0.5m；I22a临时钢架拱、墙、仰拱架设；喷射C25混凝土，喷射混凝土厚度为29cm。

3.2初期支护

3.2.1超前管棚

由于隧道进出口围岩较差且浅埋偏压，采用30m长直径Φ108mm长管棚。长管棚一般为10m～30m，采用每节长4～6m的Φ108*6mm热轧无缝钢花管，环向间距中至中为40cm，钢管轴线与衬砌外缘线夹角1°～3°，设置与衬砌拱部为120°范围。洞内超前支护与洞口管棚有不小于300cm的纵向搭接长度，管棚注浆采用水泥浆液，注浆量达到设计注浆量或注浆压力达到设计2MPa终压时，可结束注浆，采用钢管内加钢筋笼，以增强管棚强度。

3.2.2超前小导管

隧道V级围岩洞身及IV级围岩中薄层状结构、裂隙块状结构洞身施做超前小导管。超前小导管外径为Φ42mm，厚4mm的热轧无缝钢管，长度L=4.5m钢管管身带Φ10mm注浆孔，前端成尖锥状，尾部焊Φ6mm箍筋。环向30cm，设置于衬砌拱部约120°范围，纵向搭接长度不小于1.0m，外插角5～15°（如图3），钻孔采用YT28型风枪钻孔，钻孔深度不小于3.2m，钻孔直径比钢管直径大3～5mm。小导管用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于3.15m，并用高压风将管内砂石吹出。小导管安装后，用快凝水泥砂浆封堵孔口及周围裂隙，必要时在附近喷混凝土。超前小导管布置见图4。

图4超前小导管布置（单位：cm）

3.2.3型钢I22a拱架施工

钢架间距为50cm，钢架脚放在牢固的基础上，钢架各部接头及纵向拉杆等装配齐全﹑连接牢固，拱脚安置稳定。

3.2.4系统锚杆

锚杆采用Φ25（L=3.5m）间距1.0×0.5m（环×纵）中空注浆锚杆，在中空注浆锚杆中注水泥浆液。安装中空注浆锚杆时注意保护尾部不受损，以便与注浆管路连接注浆，锚杆布置如图5所示。

图5系统锚杆布置

3.2.5混凝土喷射

采用湿喷砼工艺，喷砼自下而上施喷，喷嘴离岩面距离1～1.2m左右，喷层表面平整﹑光滑，无干斑或滑移流尚现象。每次喷层厚度拱顶为3～5cm，边墙5～7cm，喷枪大致垂直岩面，尽可能减少回弹。当喷砼厚度较大时，采用分层喷射，当前一层喷砼已经初凝后，即可进行下一层砼的喷射。对于有渗漏水的岩面，喷砼前应做好引水处理（预埋盲管），然后再喷砼，并从无水处向有水处逐步逼近。

4.隧道施工工艺及施工效果分析

4.1隧道施工工艺流程

隧道采取A端洞口单头掘进的施工方案，隧道明洞采用明挖法施工，暗洞采用新奥法施工，洞口V级围岩段采用以注浆大管棚作为预支护加固地层确保安全进洞，初期支护以锚网喷支护为主，辅以钢拱架。洞身V级围岩段以注浆小导管超前支护，初期支护以锚网喷支护为主，辅以钢拱架。

隧道施工流程为：测量→钻孔→装药→爆破→通风→找顶→初喷→出碴运输→立钢拱架→测量检查→挂钢筋网→锚杆施作→超前小导管→复喷砼→下一循环。其主要步骤如图6所示，具体如下：

图6CD法开挖施工步骤

第一：YT-28凿岩机钻眼，弱爆破，CD法开挖每循环进尺1.0m；

第二：利用上一循环架立的钢架施作隧道主体结构超前支护；

第三：分台阶开挖1、2、3部，同时逐步施作导坑周边的主体结构的初期支护和中隔壁临时支护，即初喷混凝土，架立隧道钢架和接长临时钢架，铺设钢筋网片、安装径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。同时每级台阶底部及时喷射10cm混凝土封闭，并设锁脚锚杆；

第四：分台阶开挖4、5、6部，除中隔壁部分临时钢架已施工完毕，其余步骤均参见第一、二。

第五：拆除开挖尾部靠近二次衬砌仰拱6～8m范围内临时中隔壁钢架，灌注该段内仰拱；

第六：灌注该段内隧底填充，接长中隔壁临时钢架，使得钢架底支撑于仰拱填充顶面；

上述步骤逐步循环，并根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，逐段拆除临时钢架，利用衬砌模板台车一次性灌注二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

4.2施工效果分析

从目前该隧道实际施工看，尽管在上覆岩层全部为松散堆积体且最小浅埋段仅有2m，但在长达近180m的隧道开挖中，竟然没有出现塌方事故，即便是小塌方事故均未发生，被认为是本条公路施工特别是隧道工程建设中的一个奇迹。由此可见，本文所提出的浅埋偏压隧道穿越岩堆体施工技术是可靠的，是完全可以保证复杂条件下的工程安全的，更是可以为今后同类工程积累经验，并能为其他工程提供一定的借鉴。

5.结束语

(1)本隧道地质及山体条件非常复杂，上覆松散堆积体且偏压浅埋均为施工带来了极大困难，在施工扰动、暴雨、地震等不利作用下极有可能诱发围岩或山体失稳而造成重大事故，对此必须在施工前期及过程中引起重视，并对其施工技术方案及参数提前进行专项研究和论证，以保证隧道工程安全顺利完工。

(2)在分析隧道地质及山体等条件的基础上，提出的浅埋偏压穿越岩堆体的隧道开挖方法、支护方案与参数以及施工工序可以满足工程需要，能够保证复杂条件下的隧道施工安全，并获得了极好的经济及社会效益。

(3)鉴于工程地质条件及工程本身的复杂性，研究出的开挖方法、支护及施工工序等一系列成果还有待于在今后做进一步的提炼和探索，从而可为后续其他类似工程提供更好的参考。

参考文献:

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