某工程隧道施工技术的探讨

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　　摘要：本文分析了某工程隧道出口施工过程中出现的多种病害及成因，并介绍了病害处理的具体工程措施和施工方法，总结了浅埋软弱围岩地质段的偏压处理、进洞方案和正台阶法施工所采取的综合技术措施，有效保证了该隧道施工的顺利进行。
　　关键词：某工程；隧道施工；技术；探讨
　　1隧道施工中的主要病害
　　(1)右线出口施工时，施工单位决定直接采用暗挖法进洞，主要考虑：①暗挖法可减少仰坡工程量，减少对洞口岩体扰动和自然地貌的破坏。②采用超前锚杆和钢支撑手段，具备直接开挖进洞的条件，比修明洞省时省事。但在施工过程中，洞大埋深150．38m。地表地形较缓，自然坡度150，岩层倾角200，隧址区上覆第四系上更新统马兰(Q3co1)黄土、中更新统冲洪积物(Q2al+p1)砂、砾、卵石，硬塑至半干硬，厚度为0～24m，土质不匀，含水量不均，下伏白垩系泥岩(K)及印支期花岗岩(y5)。其中洞身通过段围岩为强风化泥岩，质软，易风化，遇水极易软化，在水的长期作用下，风化严重的泥岩多呈软塑状，与软土性质相似，多数为Ⅳ～V级围岩。地下水以孔隙水、裂隙水为主。主要由大气降水补给，水位约4．70m。
　　岩体松散破碎、极不稳定，节理裂隙非常发育，地表渗水严重，属浅埋软岩隧道，且有明显偏压。隧道施工条件极为不利。
　　
　　图1隧道右线出口段地质纵断面
　　口采用上半断面开挖法，开挖后即架设钢拱架和进行钢筋网喷射混凝土支护，进尺达5m后，因边坡、仰坡多次滑坍而失败，造成进洞受挫。
　　(2)右线每天上导坑仅开挖75cm，掌子面处便出现大量渗水，洞顶一直出现掉块，至2007年11月25日晚，右线出口掘进至l1m深时，整个仰坡出现整体下沉及前移，无法继续施工，施工单位只能将已开挖支护的断面重新回填压实。
　　(3)左线ZK188+780处拱顶沉降量最大，一天的下沉量达到2cm。拱顶发生小坍方，掘进困难；洞内拱顶处及两侧裂隙较发育，由于挤压作用，两侧壁喷浆出现剥落掉块现象，且洞内有滴水现象；已做格栅、超前锚杆、网喷等支护措施均出现变形、扭曲及开裂现象(图2～图4)；并导致已支护的部分洞身下沉及变形，根据监测资料，洞身下沉量最大达60cm。
　　
　　图2隧道侧壁支护扭曲图
　　
　　图3隧道拱顶裂隙图
　　
　　图4隧道出口地表裂缝
　　(4)左线ZK188+748～ZK188+825段拱顶出现纵向裂缝，已贯通，同时在距洞口约40m的地表农田发现一条纵向大裂缝(隧道中线左侧约5m)，裂缝走向同隧道中线基本平行；且裂缝发展较迅速，最宽处已由几天前的10cm发展为31cm，裂缝顺田地的坡度自下而上沿洞身方向延伸，已经开裂至超出开挖掌子面13m左右，裂缝长度40m，深度近13m。
　　2病害原因分析
　　经现场实地考察后，对原有的勘察、设计文件进行了复查和原因分析。
　　2．1从设计资料方面分析
　　(1)设计资料不准。鉴于目前勘察设计手段的局限性，设计对工程地质、水文地质资料提供不准，为此设计采用的支护参数和衬砌类型不符合隧道开挖后实际的围岩情况。
　　(2)隧道出口段为浅埋隧道，对相同围岩级别显然浅埋隧道要比非浅埋隧道围岩压力要大；隧道出口端仰坡岩土体为一缓坡，隧道轴线与坡面斜交进入，坡面与洞门非对称，属坡面斜交型，存在一定程度的偏压。
　　2．2从施工方面分析
　　(1)施工方法不当。施工方法针对围岩情况的变化缺乏灵活应变性，各工序间距安排欠妥当，一次开挖量过大，支护不及时或支护强度不够等而引起围岩的坍塌；施工单位放大炮开挖，对于软质岩应遵循“强支护、短进尺，弱爆破”原则，对于浅埋软质岩隧道更应禁止爆破；隧道二次衬砌没有及时跟进，导致隧道抵抗围岩压力能力不足。
　　(2)边、仰坡开挖后暴露时间过长，未采取措施对仰坡进行处理，是导致失稳的原因之一。排水沟、截水沟应先期做好，仰坡开挖后应尽早打设锚杆和喷射混凝土进行封闭加固。但右线洞口未做加固就匆忙开挖进洞，难免造成坍塌。
　　(3)开挖时未进行地质和支护的观察量测工作。对围岩节理裂隙发育性状了解不足，施工方法和手段缺乏针对性。对已施工的钢拱网喷支护，缺乏观测数据，不能在失稳前先行察觉并采取相应措施。
　　2．3从其他方面分析
　　(1)出口段从开挖的掌子面看到，在拱脚以上为厚层强风化泥岩，节理裂隙发育，厚层泥岩被切割成块状，岩层倾向线路右侧(向山里)，进洞施工的过程中，破碎岩层受扰动，加之地下水的影响及对边坡约束措施不足等，导致了隧道边坡坍方；开挖后应力释放，发生较大膨胀压力使坑道变形，围岩坍塌；因围岩压力过大，拱脚承载力不足，两侧土体被挤压内涌，并沿线路轴向推挤移动，引发过大变形而侵入限界，并导致大范围牵连性坍塌和地表下陷。
　　(2)隧道衬砌：从现场调查和地质钻孔勘探取样分析来看，隧道病害段并不存在影响隧道安全的深层滑坡，衬砌开裂的主要原因是：因隧道洞身处于软基之上，岩层为泥岩，作为V级围岩的泥岩属软质岩类，遇水极易软化，强度低，在地下水的作用下，其本身就具有流滑性，且受扰动后，自稳能力差使围岩压力增大，施工中围岩长时间产生缓慢的塑性变形，向洞内挤压，破坏支护和衬砌。该段拱部塌方的处理措施不够彻底，隧道二衬施工时间安排得不够好，导致隧道洞身衬砌开裂。
　　(3)地面裂缝：隧道出口较大范围内潜伏着较深上层滞水，由于浸泡变形，使土的强度降低，造成斜坡失稳；同时因隧道开挖后围岩应力调整的影响，上覆土体自下而上产生松弛，并牵动上部曾遭受浅滑层扰动的土体，导致了地面裂缝的产生，隧道开挖此种岩体松动(扰动)范围较大，山岩压力也较大，往往形成洞体较大变形。因初期支护不力、不及时，衬砌未紧跟，由于隧道施工爆破的震动，使挤压破碎带的松散岩体的缝隙和空隙不断震动挤密，引起体积的调整，形成差异变形，地表出现裂缝，雨水补给渗入和地下水从隧道中的渗出，加剧了此种变形。[!--empirenews.page--]
　　3主要整治措施
　　3．1对已开挖段落的处理
　　(1)地表沉陷和裂缝用不透水土夯填密实，并开挖截水沟，防止地表水渗入洞身段。
　　(2)ZK188+819～ZK188+761段尽快施作临时仰拱(ZK188+761～ZK188+742段已用砂袋填充)，临时仰拱由I18工字钢和30cm厚C20砼组成，I18工字钢与初期支护钢拱架逐一对应，并加钢板楔紧焊接。临时仰拱基础应做处理(如清除表层泥土，进行碎石换填)，确保在稳定地基上。临时仰拱施工时应边施作边拆除竖直支撑。对初期支护扭曲变形、表面存在裂缝的部分应同时在初期支护表面增设环向临时支撑(纵向间距70cm)，与初期支护钢拱架间隔设置，并设置纵向连接筋。环向临时支撑拱脚处用纵向支撑与临时仰拱焊接起来。
　　(3)初期支护外背拱：背拱采用I18钢拱架，钢拱架纵向间距为50cm，纵向加设连接筋，确保钢拱架纵向稳定。每片工字钢接头处必须栓接后焊接牢靠并增加锁脚导管，钢拱架与初期支护之间如有空隙用楔块楔紧。对已开挖段落，采用长4．5m直径50mm的注浆钢花管进行洞内环向注浆加固，间距100cm×100cm。环向注浆钢花管在拱脚处向下斜打。落底时，侧墙处亦进行环向注浆。环向注浆顺序，按先拱脚，后拱顶，由下而上对称进行。
　　(4)注浆完成后待收敛稳定以后，进行下导坑开挖(每循环以5m为宜)，并用工字钢将仰拱初期支护封闭成环(与初支钢拱对应，换拱段在变形拱圈钢拱位置，仰拱预埋双拼钢拱，与换拱拱圈的新架双拼钢拱对应)，浇筑仰拱进行仰拱充填，拆除临时仰拱，按该步骤直至仰拱施作完毕。未施做临时仰拱段下半断面落底时，采取拉中槽跳马口的施工方法，每次最大错开3m左右，杜绝单侧落底。下半断面落底、仰拱封闭成环后，应根据监控量测结果及时浇筑暗洞二次衬砌。
　　3．2对未开挖段落的处理方案
　　3．2．1地表加固
　　地表采用地面灌浆锚杆，锚杆采用3根直径25mm的焊接钢筋束，纵、横间距1．5m×1．5m梅花形布置，锚杆尾部用直径25mm钢筋焊接，并用砂浆保护，加固范围为K188+750～K188+820，隧道右侧山体方向布置5排。
　　3．2．2平衡压重止偏
　　隧道出口冲沟较深，隧道位于半坡上，右覆盖层薄，偏压明显。为防止隧道结构的剪切破坏，采取了填土压重的防偏措施。填土厚距拱顶2．1m，填土顶边缘至隧道轴线宽28m，下侧设墙收缩坡角，回填材料为隧道弃渣。洞身衬砌为砼复合衬砌，衬砌断面不等厚布置，左侧边墙厚25cm+80cm，右侧边墙厚25cm+60cm。
　　3．2．3进洞方案
　　(1)坡面锚喷加固。按照设计的边坡，仰坡及洞口位置刷洞门至上台阶，在边坡、仰坡上进行锚喷砼防护。锚杆采用直径22mm螺纹钢，长度3．5m，梅花形布置，间距1m×lm，挂间距20cm×20crn直径8mm钢筋网；喷射砼厚15cm。
　　(2)架立洞外工字钢拱架。在进洞里程之外设三榀I18工字钢拱架，间距为50cm。用环向间距lm的直径22mm螺纹钢作纵向连接筋，将三榀钢拱架连成整体。
　　(3)小导管预注浆超前支护。小导管采用外径42mm，壁厚3mm热轧钢管，长度4m。管壁四周每隔20cm交错钻10mm的出浆孔。为了防止漏浆，钢管尾端无孔部分长1m，钢管前端焊成尖锥形，尾端焊拓直径6mm钢箍，以防锤击时击坏小导管。小导管布置：小导管支护范围为1380～1500，双层水平布置，环向间距40cm，层距40cm，内层距开挖轮廓线10cm，外环30～41根，内环37～42根，内外层小导管交错设置。采用水泥～水玻璃双液注浆。最后挂网、喷射砼形成护拱。
　　3．3洞口浅埋段施工
　　为吸取暗挖进洞的教训，施工中以“弱爆破、少扰动、短进尺、管超前、强支护、勤量测”为施工原则，保证了围岩较差地段的施工顺利进展。
　　(1)开挖方法：为抵抗正面土的侧压力，稳定掌子面，采取环形开挖法。先进行上半断面施工，开挖断面尺寸比原设计径向加大10cm，作为施工误差和预留变形量。开挖爆破时预留核心土，核心土的纵向长2～3m，两侧拉槽宽3．0m，以便于CAT953装载机进退出渣，平台至拱顶1．8m，便于立拱。
　　(2)施工步骤及支护措施：鉴于围岩自稳性差，施工中一次进尺严格控制在0．6～1．0m，并在每个掘进循环开始前，先沿开挖面拱部钻孔注浆，安设早强砂浆超前锚杆。锚杆间距0．5m，长3．0m，仰角20。～300。该段采用支架式风钻钻孔，钻出开挖面炮眼后，装药起爆、通风排烟、找顶、埋设观测点。然后喷射初次混凝土和打设系统锚杆。锚杆长3．0m，间距0．8mX1，0m。装载机出渣后，架立16号工字钢制作的钢支撑，纵向用直径22mm螺纹钢筋连接，焊在钢拱外缘。在其上征集织好的钢筋网，最后再继续喷射混凝土至设计厚
　　度。
　　(3)对于左线出口段，为防止拱脚以上的泥岩受地下水的影响，导致泥岩失稳，洞口拱部等处变形，采取接长明洞10m的措施，即左洞延长明洞至ZK188+840，及时施作明洞，进行反压回填。以缩短洞口高边坡长度、增强仰坡稳定性。
　　(4)排、截水：在靠近砂袋码砌处，拱顶、两侧拱腰处各打一处泄水孔，要求采用长7～8m、直径89mm的钢花管，钢管上打设直径10mm小孔，交错布置，孔间距15cm，并用土工布将钢花管包裹。是否考虑井点降水和洞内泄水孔的排水视排水效果而定。
　　3．4下阶段施工方案研究
　　经专家会议反复论证，确定按新奥法原理，采用留核心土正台阶法开挖。采取双层小导管围壁注浆超前支护与锚喷支护相结合的技术措施，加强初期支护的方案施工。上台阶施工法具体的步骤与方法为：
　　(1)双层小导管周壁预注浆超前支护。洞口开挖支护后，沿隧道纵向开挖轮廓线设置双层注浆管，小导管长3．5m，外插角100～300，两环搭接长度不小于Im。其环向布置、施工方法、注浆参数均与洞口双层小导管预注浆超前支护同。
　　(2)注浆间隔4h后(若注纯水泥浆应间隔8h)，可视围岩情况采用弱爆破，或用风镐开挖，尽量减小围岩扰动。第一步开挖左、右两侧，第二步开挖拱顶部分，循环进尺为一榀钢支撑间距(本例间距为50～60cm)。然后开挖核心土(图5)。需注意的是核心土的开挖不是每个循环都进行，而是若干循环后才开挖，一般核心土保留长度为3～5m为宜。
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　　图5正台阶法开挖示意图
　　(3)开挖完成后立即初喷5cm厚砼填充封闭掌子面，防止碎落掉渣。
　　(4)架设钢支撑，并用直径22mm纵向连接筋与前一榀焊成一整体，挂直径8mm钢筋网，安设结构锚杆，分层喷射砼(每层5～8cm厚)至设计厚度。
　　下台阶施工：
　　当上台阶掘进50m左右，且上断面初期支护基本稳定后，进行下台阶开挖(浅埋软弱隧道采用长台阶法施工为妥，避免围岩短时间内重复扰动)。
　　(1)在下台阶开挖前，必须采取措施加固拱脚。具体措施为：
　　①在上断面钢支撑拱脚两侧各施打4根锁脚锚杆(锚杆采用直径22mm螺纹钢，长3．5m，外露端加工成螺杆)，然后穿人240mmX240mmX26mm钢垫板，用螺帽拧紧(或锚杆同钢支撑两侧焊接)，防止下断面开挖时拱脚下沉。
　　②在上断面两侧拱脚处沿纵向各焊1根I20工字钢纵梁，纵梁接头搭接长为1．2m，将上断面各榀钢支撑连接成一整体，这样在下台阶时，除了端头一榀是悬臂开挖，其余各榀均是简支开挖，防止掉拱，保证下台阶开挖安全。
　　(2)下台阶开挖：第一步开挖(I部)中槽，(Ⅱ、Ⅲ部预留顶宽大于2．0m，防止坍帮)，开挖长度10～20m，然后由洞内向洞外开挖(Ⅱ、Ⅲ部)边帮，双侧必须交错施工，避免上断面两侧拱脚同时悬空。应特别注意下台阶开挖时必须对应上断面钢支撑，开挖一棍支护一棍。
　　(3)架设下断面钢支撑(下断面钢支撑与上断面钢支撑接头必须严实，下端必须落底)，安设结构锚杆、挂钢筋网，喷射砼封闭。
　　(4)及时施做仰拱，尽快使初期支护形成封闭结构，仰封底至开挖工作面的距离在浅埋偏压段应不大于1．5倍洞跨(本例为一个中槽开挖循环，即10～20m)。
　　(5)二衬浇筑前应拆除I20工字钢纵梁，割除锁脚锚杆外露端及钢垫板，保证排水板铺设平顺，防止排水板被顶破，造成二衬渗水。至此待初衬稳定后，即可根据施工计划浇筑二衬。
　　由于采取了切实可行的技术措施，按新奥法原理，采用正台阶开挖法，在隧道浅埋、弱岩、偏压段施工中，取得了成功。经监控量测资料统计，最大拱顶下沉量为25mm，水平收敛22mm，同时地表最大下沉量也仅为7mm，远小于设计允许值。表明施工中采取的各项技术措施发挥了作用，特别是利用常规设备与材料完成特殊地质条件下的施工，保证了工期与质量。
　　4结语
　　在这种软岩地层中修建隧道，特别又是浅埋、偏压隧道，由于地质条件差，施工中如何确保施工安全及结构物的质量，是隧道工程技术人员长期探索的课题。
　　(1)建议在隧道勘察设计中，应特别重视地质勘探工作，完善地质勘察手段，提高地质判别的准确性。完善特殊地质加固措施与方案，施工方法得当，支护及时、有效，保证隧道施工安全与营运安全。
　　(2)地质构造复杂的软岩隧道开挖，当雨水补给丰富时，应短开挖、强支护并及时跟进衬砌。应坚持信息法施工，做好变形量测，对浅埋隧道，必要时建立地表变形监测网，及时掌握洞室及山体变形规律，以便作出相应的处理措施。
　　(3)隧道施工中应切实做好围岩地质超前预报工作，逐段核实围岩类别。在施工过程中要尽量少扰动山体，并做好施工过程中的量测，有针对性地进行防治。
　　(4)在洞口开挖影响范围内进行地表注浆并加设锚杆，以加固该范围的围岩，避免开挖造成山坡或山体的扰动。稳固山体后，才进行治理。待拆除更换拱墙衬砌中，始终坚持拱墙仰拱及时闭合成环的措施，在完成拱部未施工边墙的地段，采用下部挖井法施工并及时灌注混凝土衬砌，成功地完成了治理隧道的任务。