隧道洞口浅埋偏压富水段施工技术

邹霖

内容提要：新建贵广铁路双界顶隧道全长4476米，隧道进口向出口方向设计为8.86‰单面下坡，进口段位于浅埋偏压地段，洞身穿越花岗岩全风化层，全风化层多呈砂土状，围岩富水。因围岩沉降收敛，施工过程中隧道正洞部分地段结构发生较大变形。本文介绍了在这种复杂地质条件下， 通过围岩监控量测配合系统支护，合理调整支护参数及施工方法，并在工艺上加以细化，总结出了该类地段的施工方法，对同条件下浅埋偏压富水软岩地段的隧道施工有一定借鉴作用。

关键词： 浅埋偏压 监控量测 支护参数 施工方法

1工程概况

新建贵广铁路双界顶隧道穿越双界顶山，隧址区内以构造剥蚀低山为主，地下水类型为基岩裂隙水和花岗岩全风化层孔隙水。隧道区内属亚热带海洋性气候，雨量充沛。隧道洞身位于浅埋偏压地段，洞身穿越花岗岩全风化层，全风化层呈砂土状，黄褐色，富水，强度极低，围岩整体性、自稳性很差。

隧道全长4476米，最大埋深为339m，起讫里程DK623+555～DK628+031，为山岭浅埋隧道。隧道进口段386m设计为Ⅴ级围岩，全风化层呈砂土状，黄褐色，遇水易滑塌、软化，易造成围岩变形甚至塌顶，，有较大的裂隙水，该段最浅埋深为8m；因隧道洞身揭实围岩极差，施工变更130米为Ⅴ级围岩。

双界顶隧道进口段洞身开挖支护存在楔形掉块、滑塌、围岩随水流动等一系列难题；并且因围岩沉降收敛，造成隧道正洞部分地段结构发生较大变形，隧道拱顶下沉、围岩收敛超过预留变形量，出现初期支护局部开裂和侵入二次衬砌界内等问题。

2施工方案

针对隧道洞身位于浅埋偏压地段、围岩软弱富水的特点，我们制定了“超前支护、初支加强、监控加强、合理变形、及时封闭、底部加强、仰拱二衬紧跟、地质预报”的整治原则和总体方案较好的解决了此项难题。

2.1总体方案介绍

2.1.1采用超前支护，开挖后及时封闭围岩；加强初期支护的刚度，采用型钢拱架封闭成环；为达到稳固围岩的目的，系统锚杆采用中空注浆锚杆加固地层，锚杆长度应稍大于塑性区的厚度。

2.1.2加大预留变形量。为了防止喷层变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时即加大预留变形量。

2.1.3施工支护采用“先柔后刚，先放后抗、刚柔并济”原则，使初期支护能适应大变形的特点。

2.1.4及时封闭仰拱、特别是仰拱初支，是减小变形、提高围岩稳定性的措施之一。

2.1.5根据围岩实际和监控量测数据的分析指导施工。

2.1.6隧道开挖尽量减少对围岩的扰动。

2.1.7全过程实施施工地质超前预报工作。

2.2施工技术措施

2.2.1超前地质预报

采用以监控量测、地质素描为主，结合科研测试的综合地质预报方法。综合超前地质预报包括以下方法：掌子面地质素描，监控量测，应力应变测试以及常规地质综合分析等。通过掌子面素描确定节理面的走向和倾向，通过监控量测数据反分析地应力值，从而判定围岩的地质状况。

根据隧道地质资料，双界顶隧道的超前预报重点放在了洞身软弱围岩的变化和围岩富水情况。在施工时采取强有力的超前地质预报，将超前地质预报工作纳入施工工序。

2.2.2超前支护

（1） 超前管棚注浆支护

超前管棚注浆支护是在断层破碎带、软弱围岩开挖中，由钢拱架、钢管与注浆、网喷锚、联合使用形成超前支护的方法。架设钢架后，从钢拱架预先钻好的眼孔中，向开挖面前方钻孔，然后顶入一定数量的开孔的花钢管，注浆形成管棚。管棚的一端支撑在钢拱架上，另一端的一定长度支撑在岩体中，然后在管棚的保护下进行开挖。

在DK623+623～DK623+847段软弱围岩施工中采用了直径为89mm，长 10m的长管棚，钢管的前端制作成圆锥形，为确保超前管棚切实起到防护加固围岩的作用，超前钢管间距定为40cm，同时为保证钢拱架的位置，钢管的外插角控制在80°～100°，相邻两环管棚之间的搭接为3m。

洞身超前管棚施工工序主要有：钻孔、顶入钢管、注浆。

①工作面处理。由于软弱围岩易塌落，钻孔工作面必须作处理。在紧挨掌子面处应先施作钢拱架支护。

②钻孔。为保证钻孔位置及方向满足要求，施工中采取了以下措施：（1）钻孔前，按40cm的环向间距沿开挖轮廓线布置孔眼的位置，并用红油漆做好醒目标记，钻机就位后，调整好钻杆开钻角度，并随时检查纠正钻进方向；（2）在钻进工艺上采取措施，开孔钻进时采取低压低速推进，推力均匀，速度尽量放慢。

③安装管棚钢管。因钢管长度较长，采用装载机配合挖掘机顶进。

④注浆。管棚钢管顶入后，进行注浆，目的是通过将水泥浆液压入钢管并扩散到钢管周围的软弱破碎围岩体中，固结周围碎散岩体，增加围岩的整体强度，提高围岩的自承能力。注浆机具采用BW-150注浆泵，注浆采用水灰比1：1的水泥浆液，注浆压力控制在0.5～3.0MPa。

（2）超前小导管注浆支护

超前管棚施作后，为了加强超前管棚的支护效果，进一步固结松散的岩体，提高围岩的整体性能与自承能力。在上台阶前，按2.4米一个循环，增设φ42（L=3.5米）的小导管注浆支护。

①小导管采用外径42mm、壁厚3.5mm无缝热轧钢管制作，前端加工成锥形并封焊密实，管身设若干注浆孔，孔径6～8mm，孔间距15mm，按梅花型布置；尾部长度不小于30cm，作为不钻孔的止浆段。

②注浆小导管按拱顶外轮廓中心高程和支距进行布孔放样，插空布置在洞身长管棚钢管之间。小导管环向间距40cm ，纵向搭接长度为1.1m，外插角为3°～5°。

③小导管安设采用钻孔打入法，先按设计要求钻孔，钻孔直径比钢管直径达3～5mm，然后将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出。小导管插入钻孔后外露一定长度，以便连接注浆管路，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵密实，防止工作面坍塌。

④注浆材料为1：1（重量比）水泥浆液，小导管注浆的孔口最高压力严格控制在允许范围内，以防压裂开挖面，注浆压力一般为0.5-1.0Mpa，止浆塞必须能承受注浆压力。

⑤注浆量达到设计注浆量或注浆压力达到设计终压时结束注浆。

⑥隧道的开挖长度小于小导管的注浆长度，预留部分作为下一循环的止浆墙。

⑦注浆前应进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆。

实践证明，在该浅埋、软弱围岩破碎带，采用超前小导管配合洞身长管棚注浆进行超前支护的措施，对于改善围岩的整体性能、提高围岩的自承能力、预防围岩坍塌、堵截地表水方面，起到了较好的效果。实践也证明，该段所采用的二次超前支护结构中，单一管棚注浆浆液难以扩散全面，以致在增强围岩的整体性和浆液固结层形成的截水帷幕截水效果上存在死角，而在开挖过程中再次采用小导管注浆的措施，起到了明显的弥补效果。

2.2.3洞身开挖

根据工期要求、地质条件和现有机械设备，综合比较开挖方法的优缺点，我们选择了台阶法施工，上、中台阶断面开挖预留核心土，超前小导管配合洞身长管棚进行超前支护。这种开挖方法的优点是：环状开挖降低了开挖高度，增强了围岩的自稳能力，所留核心土不但为后续工序提供了作业平台，而且有利于掌子面的稳定。

（1）上台阶开挖：宽1m，进尺0.5米，留核心土，以防止掌子面坍塌，同时注意减少对围岩的扰动。0.5米的环形开挖完成后，应立即架设钢拱架支护，焊接纵向连接钢筋，加快支护进度，以减少围岩的暴露实践。

（2）中台阶可单工序作业，即上台阶贯通后再行开挖，也可与上台阶平行作业，由于工期紧迫，选择平行作业。

（3）下台阶拉中槽后，单边轮换开挖，两边保证10米的安全距离，以保证施工的安全。

（4）在施工过程中，保证各台阶拉开的最大距离20米，留够从上台阶向中台阶翻碴的作业平台即可。隧底开挖紧跟下台阶，隧底开挖施作完初期支护后，紧跟进行仰拱及仰拱填充混凝土的浇筑，以稳定隧底，抑制围岩的可能出现的大变形。

（5）在各台阶开挖过程中，尽量不采用爆破开挖，在必要时采用了小药量的预裂爆破，然后用风鎬配合挖掘机开挖。开挖后，人工用风鎬修整开挖面后，马上用C25的喷射混凝土进行初喷、钢拱架的架设、网片、锚杆、喷射混凝土等工序，尽量减少开挖面的暴露时间。

（6）为了有效的控制拱脚下沉，首先钢拱架安装前，考虑到增大钢板垫块的接触面积和钢架间距的约束，每两榀钢架脚底部垫一块钢板，钢板厚10mm，钢板可重复使用；其次钢拱架安装后，在两侧拱脚处各安装2根长4m的φ42的锁脚钢管，并用注浆机采用1.5Mpa的压力注满水泥砂浆，以增强锁脚钢管的刚度。

2.2.4初期支护

施工中对于该软弱围岩段，初期支护采用I22a钢拱架、带排气装置的注浆锚杆、φ22砂浆锚杆、φ8网片及C25喷砼的加强支护措施。具体初期支护参数如下表所示：

初期支护是永久衬砌的重要组成部分。初期支护与围岩共同受力，既要与围岩共同变形，又要有足够的强度和刚度能抑制围岩的过大变形。该围岩浅埋、破碎段，虽然通过超前支护对拱顶部分围岩进行了注浆固结，但是注浆范围以下拱腰部分的围岩未经过注浆进行超前支护，其自身的自稳能力还是很差。开挖后必定变形很大，所以必须通过加强初期支护，保证初期支护的质量，以此来控制围岩的大变形。

在开挖完当循环后，必须马上对开挖面进行初喷4cm的C25混凝土，以防止小量的岩块掉落及限制围岩的收敛变形，然后架设钢拱架、打设锁脚钢管、焊接钢拱架间的连接钢筋、打设系统锚杆、中空锚杆注浆、安装钢筋网片及喷射C25混凝土至设计厚度。

在该段初期支护的各道工序施工过程中，为了保证初期支护的质量，达到抑制围岩大变形的目的，在施工过程中，我们着重注意了以下几个方面：

（1）钢架加工完成后要放在水泥地面上试拼，周边拼装误差控制±3cm以内，平面翘曲不得大于2cm，钢架的焊接焊缝要饱满。安装时人工平整拱脚处的围岩，并在钢架的拱脚下垫设厚100的钢板垫块。

（2）钢筋网片网格严格控制在20cm×20cm范围内，网片的搭接采用焊接，搭接长度不得小于40cm。

（3）锁脚钢管采用φ42的注浆钢管，打设时钢管斜向下与钢架成45o的夹角，钢管与钢架紧贴并焊接牢固。然后注浆以增加钢管的刚度。

（4）拱部的注浆锚杆及边墙的砂浆锚杆，严格按照锚杆的施工规范进行施工，必须加设锚杆钢垫板，锚杆的间距、注浆等必须满足设计及规范要求。

（5）喷射混凝土采用湿喷工艺，喷射时风压必须满足对喷射混凝土强度、密实度的要求。为了减小喷射混凝土的开裂，在混凝土喷射料中掺加了1.2Kg/m3的改性聚酯纤维。混凝土喷射完两小时后，保证对混凝土进行2周的湿润养护。

（6）在距拱脚的一米以外的位置，各挖一条排水沟，以便将洞内积水排出，防止积水浸泡拱脚处的围岩，造成拱脚不稳。

（7）对于开挖面有渗水的部位，在初喷完成后，在初喷面上安设土工布包φ50打孔波纹管，把渗水引流至拱脚附近的排水沟内。

2.2.5及时封闭隧底

下台阶工作面与隧底施工不要拉开过大距离，要及时开挖支护隧底，使得隧道初期支护尽早封闭成环，有助于隧道结构的稳定。隧底开挖支护每循环的进尺不超过3榀拱架，闭合3～4个循环后尽快施作仰拱和填充，具体支护参数见初期支护参数表。

2.2.6仰拱二衬紧跟

对于该软弱围岩段施工中仰拱二衬要紧跟，二次衬砌采用C35钢筋混凝土、衬砌钢筋采用φ22（环向主筋）、φ14（纵向钢筋）、φ8（箍筋）绑扎而成。具体衬砌参数如下表所示：

2.2.7监控量测

鉴于双界顶隧道进口段围岩的特殊情况，为了能尽快掌握施工过程中所采取的措施在控制围岩变形方面产生的效果、及支护的受力情况、围岩的变形情况的数据，以便能在施工过程中及时的调整开挖方法及支护参数、预报可能会发生的情况。对此，我们制定了如下的监控量测方案。

（1）按5米的间距进行量测断面的布设。

（2）每个断面，在拱顶布设一个沉降点，上台阶边墙位置一组周边收敛点，中台阶边墙一组周边收敛点（如图下图所示）。

（3）观测频率为每天一次。

（4）对量测的数据绘制成时间-位移曲线图，进行数据回归分析。

（5）量测方法

①量测断面按5米设一个，在该初期支护完成后立即布设测点，以确保在开挖后24h内（下次开挖之前）能测得第一次围岩变形情况。量测断面滞后掌子面的距离不宜大于2米。周边收敛点的位移用收敛计测，拱顶下沉点的位移用水准仪和钢尺测量。测点的埋设方法为：在初期支护完成后，在该断面的初期支护砼的指定位置钻眼，然后用锚固剂把加工好的带弯钩的钢筋锚固在钻眼孔内，并用红油漆在旁边标记上测点的标号。量测方法具体见下图：

②量测结果及对数据分析

通过对各个断面下沉和周边收敛值的数据回归分析，该段围岩在采取了超前支护、三台阶开挖等施工措施后，下沉和收敛变形的变化趋势是平缓的，有规律的。最大变形值都在允许变形范围之内。观测数据显示，在施作了仰拱和仰拱填充后，变形马上趋于停止。这也充分验证了对于软弱、浅埋隧道施工 “管超前，少扰动，早喷锚，强支护，紧封闭，勤量测”在控制围岩大变形方面的重要性。

3结束语

通过本隧道进口偏压浅埋软弱富水段的施工，以及技术措施在施工中的实施，初步总结以下几点仅供参考：

3.1应重视超前地质预报，提高隧道超前支护施工质量，为制定切实有效的施工方案提供依据。

3.2加强监控量测，以量测反馈的数据分析，并指导施工。

3.3应制定周密的处理软弱围岩地段的施工方案和施工方法，坚持按新奥法的原理指导施工；坚持“以防为主，宁强勿弱，步步为营，稳重求快”的指导思想；坚持“管超前，少扰动，早喷锚，强支护，紧封闭，勤量测”的施工方针。

3.4加强钢拱架、锚喷等的质量，软弱围岩地段对支护能力要求较高，一定要加大钢筋直径、减小布置间距，增大喷射砼的厚度，提高初期支护的质量。开挖后及时进行初喷及初期支护各道工序。

3.5隧道开挖支护期间各施工部位、工序等交替作业间隔较长时，有必要对掌子面等作业面进行锚喷封闭。

3.6隧道开挖支护做好洞内排水工作。