从施工实践中总结软岩隧道的施工工艺

吴 冲

神华新准铁路有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000

从施工实践中总结软岩隧道的施工工艺

吴 冲

神华新准铁路有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000

软弱围岩条件下隧道工程施工极易发生大变形及冒顶片帮等安全、质量事故，结合软岩隧道塌方事故处理的实践经验，对软弱围岩条件下隧道工程施工通常所采用的施工工艺进行了系统分析，并以此提出了软岩隧道工程施工必须遵循的基本施工原则与必须引入的先进检测技术。

软岩隧道；施工工艺；检测技术

1 工程概况

大准铁路南坪支线肖家沙墕隧道，是点岱沟至南坪工业广场铁路运煤专用支线全线开通的关键控制工程，隧道进口里程为DK8+520，出口里程为改DK9+765，全长1 245m。隧道进口至DK8+528.11位于半径为800m的曲线上，DK8+528.11至改DK9+039.80位于直线上，自改DK9+039.80至隧道出口位于半径为800m的曲线上。隧道内纵坡自隧道进口至DK8+950为10.5‰的上坡，DK8+950至改DK9+750为7‰的上坡，改DK9+750至隧道出口为1‰的下坡。

1.1 工程地质及水文地质

该隧道位于剥蚀低山区，地形起伏很大，山顶地表大部分辟为耕地，局部为荒地。隧道进口地势较缓，但进口左侧冲沟下切较深；出口地形较陡，线路左侧有一陡洞，深约3m。隧道顶植被稀少，表覆第四系上更新统冲风积层（）湿陷性新黄土，湿陷系数δs=0.015～0.070；洞身地层主要为二叠系上统（P2）泥岩及砂岩，节理发育，呈全风化（W4）～弱风化（W2），岩层产状135°∠ 7°，其中泥岩属膨胀岩；隧道进出口洞顶地层为新黄土夹粉细沙薄层。

本隧道地下水主要为基岩裂隙水，地下水水量不大，主要含水层为节理裂隙发育的砂岩风化层，受大气降水补给，对混凝土不具侵蚀性，渗透系数新黄土及砂岩为K=0.5，泥岩为K=0.001～0.005。

1.2 设计参数（改DK9+010～590段）

隧道改DK9+010～590段，原设计为Ⅳ级围岩，采用短台阶或超短台阶法施工，初期支护及二次衬砌为喷锚施工复合式衬砌（详见图1），参数见表1。

表1 Ⅳ级围岩段支护参数

1.2.1 超前支护

隧道拱部140°范围内采用超前小导管注浆支护，小导管采用φ42热轧钢管，长3.5m。环向每米3根布置，纵向每2榀格栅打一环，施工外插角为10°～15°。注浆材料选用水泥浆，灰水重量比采用1:1，注浆压力0.8MPa。

图1 肖家沙墕隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌断面图（单位：cm）

1.2.2 初期支护

初期支护以喷混凝土、钢筋网、格栅钢架及锚杆组成，支护紧随开挖并封闭成环。其中喷射混凝土采用碳塑加强筋纤维喷射混凝土新工艺，以提高喷射混凝土的质量和增强抗裂性，并减少回弹量；钢筋网拱墙设置，钢筋直径采用φ8，网格尺寸为25×25cm；Ⅳ级围岩段格栅钢架（详见图2）按局部设计，工程数量按2m/榀，实际施工时在需要设置的段落集中架设，间距按1.2m考虑，格栅纵向连接筋为φ22钢筋，环向间距1.0m，单排布置；锚杆拱墙设置，在拱部120°范围内采用带排气管的新型CD组合式中空注浆锚杆，边墙采用砂浆锚杆，锚杆长2.5m，环、纵间距1.2m，呈梅花状布置。

图2 肖家沙墕隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌格栅钢架图

1.3 二次衬砌

拱墙及仰拱为C25混凝土，厚度分别为30cm和40cm，仰拱填充为C20混凝土。仰拱超前封闭，二次模筑衬砌按先墙后拱顺序全断面一次整体灌注。

1.4 防排水措施

隧道初期支护与二次衬砌间于拱墙设置新型HDPE防水排水板，衬砌背后设环向盲沟，间距按12m一道，在墙脚处设纵向软管透水盲沟；衬砌施工缝按8m一道，施工缝设膨润土止水条。

2 塌方事故处理

2.1 事故概况

2006年12月5日，结合本隧道复杂地形、地质及前期施工情况，为确保隧道结构永久性质量安全，本着动态施工的管理理念，兼考虑隧道总体施工进度等因素，就改DK9+010～590原Ⅳ级围岩段设计，曾提出如下变更：

1）于仰拱增设砂浆锚杆及钢筋网片，格栅钢架由原设计的局部设置调整为1榀/m设置，全断面封闭成环；

2）初期支护喷射混凝土厚度调整为22cm，二次衬砌厚度按45cm施作，隧道净空断面尺寸不变；

3）其余施工参数维持原设计，变更后的复合式衬砌结构图详见图3。

图3 肖家沙墕隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌变更断面图（单位：cm）

但由于该段地质条件复杂多变，围岩属未固结软弱泥岩夹砂岩，且风化严重，自支护能力较差，开挖后由于其自重应力及构造应力的释放，变形较大，给施工的动态管理造成相当困难。2007年7月23日上午11时，在进行隧道出口改DK9+440～443段左侧边墙初期支护马口开挖时发生突然坍塌，塌方沿临空面迅速扩展，致使改DK9+420～460段左侧初期支护从拱顶至边墙连同格栅一起全部垮塌，围岩发生大面积坍塌，塌方数量约为400多方。从洞内的坍体表面观察来看，该段地质为强风化泥岩夹砂岩，节理发育，基岩裂隙水受雨季降水补给下渗，致使泥岩浸水呈现出中等崩解性、膨胀性及抗剪强度降低等特点，围岩结构十分松散，主要依靠层间粘结力结合，整体稳定性极差。

2.2 处理措施——管棚工法

第一步：对改DK9+460～470段用工字钢做卡口梁，加强锁脚和径向锚杆等加固处理，并尽快施作改DK9+460～476段仰拱及矮边墙，每循环施作4m。仰拱施作完成后拆除卡口梁，及时浇注此段二次衬砌。

第二步：从洞外运土对塌方段右侧进行填筑，用于稳定坍体及施作系统锚杆的平台，同时对右侧没有变形的拱架增加锁脚及径向锚杆。

第三步：在改DK9+461处架设2榀I22型钢护拱，作为管棚施作支撑，护拱间距10cm并采用φ22钢筋与原有拱架进行连接，同时做好管棚顶进钻孔（施工外插角5°）及推进基地。

第四步：在塌方范围内顶进φ89mm、长L=6m的钢管，环向间距30cm，纵向每循环搭接长度为2m，注浆压力1.5MPa（管棚布置图详见图4）。

图4 塌方段管棚及小导管布置图

第五步：待管棚成形后，拆除已垮塌拱架部分，重新进行喷锚挂网，并就塌方范围初期支护采取如下技术措施：

1）边墙增设径向小导管，长度3.5m，环纵间距1.5m，梅花型布置，注浆压力1.5MPa；

2）将CD组合式中空注浆锚杆及砂浆锚杆，由原设计的长2.5m变更为3m，环、纵间距由原设计的1.2m变更为1m，梅花状布置；

3）喷射混凝土厚度由变更后的22cm调整为28cm。

第六步：及时跟进仰拱及二次衬砌，并采用喷浆机对衬砌背后空洞进行填充注浆处理。

3 技术效果分析

3.1 管棚、小导管及锚杆作用分析

3.1.1 管棚工法

管棚工法是沿隧道开挖断面外轮廓以一定间隔与隧道平行钻孔后插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外围岩的抗剪切强度，并使钢管与围岩形成一体，构成棚架体系。在软弱围岩条件下的隧道施工，管棚工法能有效防止围岩的松弛变形，同时其梁式结构对防止围岩的松弛崩塌也是十分有利的。在设计中，要充分考虑围岩地质条件、周边环境、隧道开挖断面、埋深以及隧道的施工方法等，来决定管棚的配置、形状、施工范围、管棚间隔及断面等。

3.1.2 小导管注浆

1）超前小导管

超前小导管注浆是向掌子面附近的围岩压注水泥、砂浆及水玻璃等压注材料，以改善围岩状况并使掌子面达到稳定的方法。由于掌子面斜上方的围岩状况对隧道的稳定性具有很大的影响，因此改善该部分的围岩状况对提高隧道的稳定性是极为重要的。同时作为超前支护，超前小导管以低角度打设的方式沿隧道外轮廓平行打入掌子面前方围岩，可有效约束围岩的松弛变形，防止崩落掉块。

超前支护基本是借助构件的抗弯刚度发挥作用，因此采用抗弯刚度大的构件是有利的，对于单管超前支护，一般采用34mm～48mm的钢管，以30cm～60cm的间隔和5°～30°的仰角打入，打入长度一般为掘进进尺的2倍～3倍。

2）径向小导管

小导管注浆不仅是掌子面稳定的对策，还可充分运用于改善隧道周边围岩的稳定性。对于径向小导管注浆，是在隧道开挖后径向打入隧道拱部及边墙，并向周边围岩压注注浆材料，其设计、施工、原理及效用与超前小导管基本相同。

3.1.3 锚杆

锚杆是隧道施工过程中维护围岩稳定，保证施工安全的重要支护手段之一，施工完成后，在一定程度上还可以作为永久支护结构的一部分发挥作用。对于软弱围岩中的隧道施工，锚杆能有效限制约束围岩变形，制止围岩强度的恶化，其加固作用，可使围岩中松动区的节理裂隙及破裂面等得以联结，使锚固区围岩形成整体加固带，大幅提高围岩强度，同时锚杆群可有效提高层状围岩的层间结合力，以提高隧道的整体稳定性。

锚杆施工中，要合理确定锚杆参数，充分发挥群锚作用，避免不配置垫板、布置不合理、砂浆充填不密实及长锚短打等现象发生。

3.2 塌方处理效果

本次塌方处理从7月24日开始，至9月底处理完毕，整个处理过程历时2个多月，实际注浆量224.0m3。注浆完毕后，开挖情况显示，坍体泥岩破碎体及土石松散体相当于凝结成一个低标号的混凝土整体，隧道拱部也具备了自稳能力，经量测资料分析，坍体处于稳定状态，从开挖支护到二次衬砌，塌方段再没有发生变形和下沉等安全质量事故，完全达到了塌方处理的预期目的，这同时也说明了处理方案选择的正确与合理性。

4 结论

在隧道施工的整个工程中，一旦发生灾害性事故，不仅延误工期、大幅度提高工程费用，同时如处理不当，还会遗留工程质量后患，甚至出现人生伤害，但由于隧道施工地质条件的不断变化，当一些不能预计到的突发现象发生时，应采取各种应变措施，按照安全、优质、高效、投资节约的总原则对事故进行处理，这就是动态施工管理的本质含义。

在软弱围岩中的隧道施工，导致塌方的原因虽然是多种多样的，但如果在施工管理和技术上加以认真地改善，遵循“先预探、管超前、预注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、快反馈、紧衬砌”的施工原则，加强超前地质预报和监控量测信息反馈，及时调整设计参数，就会使塌方事故得到有效控制，因此要更多地从施工方面去分析塌方的原因，如由于抢工期心切而忽略地质因素；片面追求进尺而不及时封闭断面或不及时跟进衬砌；在出现塌方迹象时不采取或被动采取辅助措施；破碎岩层中不设超前支护或支护不到位等，都是造成塌方或是塌方扩大的原因。

[1]关宝树，杨其新.地下工程概论[M].成都：西南交通大学出版社，2001.

[2]铁道部.铁路隧道工程施工技术指南（TZ 204-2008）[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[3]铁道部.铁路隧道喷锚构筑法技术规范[S].北京：中国铁道出版社，2002.

[4]铁路工程施工技术手册——隧道（上、下册）[M].北京：中国铁道出版社，2003.

The Construction Technology of Weak Surrounding Rock Tunnels from the Tunnel Construction Work

WU Chong
Shenhua Xinzhun Railway Co.，Ltd. Inner Mongolia，Ordos 017000

In the condition of weak surrounding rocks，safety and quality accidents will probably happen during the tunnel construction work，such as the great deformation and side fall roof caving. Based on the weak surrounding rock tunnel collapse treatment experience，this essay systematically analysis the construction technology that the weak surrounding rock tunnel construction usually takes. Further，a proposal can be raised that the basic construction rules should obey and the advanced detection technology should import in the weak surrounding rock tunnel construction work.

Weak Surrounding Rock Tunnels; Construction Technology; Detection Technology

U25

A

1674-6708（2011）48-0172-03

吴冲，助理工程师，工作单位：神华新准铁路有限责任公司，从事铁路基本建设项目本质安全管理工作