紫溪隧道软弱围岩施工技术

何振华　何文峰

(江西省上饶市铅山县公路分局　铅山　334500)

紫溪隧道软弱围岩施工技术

何振华何文峰

(江西省上饶市铅山县公路分局铅山334500)

摘要结合隧道工程实例，对软弱围岩洞口地段加固、偏压处治、台阶式洞身掘进和锚喷支护施工技术进行了介绍和分析，指出了超前长管棚、超前小导管和锚喷支护技术是保证软弱围岩隧道施工安全行之有效的方法。

关键词隧道工程软弱围岩施工技术

1工程概况及开挖方法选定

上武高速公路起于赣闽省界分水关，终于上饶经济技术开发区董团乡，与沪昆高速相连接。紫溪隧道位于江西省上饶市铅山县紫溪乡境内。它是一座上下行分离的4车道高速公路隧道，起讫桩号为左洞ZK317+740~ZK319+415，长1 675 m，右洞YK317+815~YK319+430，长1 615 m，建筑限界净宽10.25 m。

隧道沿线气侯温湿，雨量充沛，植被发育，地形起伏。隧道沿线岩土分为全风化、强风化、弱风化、微风化花岗岩，部分岩体破碎，发育深度大，裂隙水较丰富。隧道两端洞口进洞的一段长度均为全风化、强风化花岗岩(V级围岩)，再往里面是V级、IV级、III级围岩交错布置，越往隧道里面地质条件越好。

软弱围岩隧道施工开挖方法主要有台阶法，环形开挖留核心土法、中隔壁法、双侧壁导坑法及中导洞法等其他施工方法。V级围岩的中小跨度隧道在采用了有效的预加固措施后可采用台阶法开挖。环形开挖留核心土法可用于IV～V级围岩或一般土质围岩的中小跨度隧道。中隔壁法适用于围岩较差、跨度大、浅埋、地表沉降需要控制的场合。双侧壁导坑法适用于浅埋大跨度隧道及地表下沉量要求严格而围岩条件很差的情况。开挖方法应根据隧道长度、断面大小、结构形式、工期要求、机械设备、地质条件等，选择适宜的开挖方案[1]。总体控制原则是保持地层稳定，避免塌方危及施工安全，节约工程造价。通过比选，该隧道采用台阶法施工。

2洞口施工及偏压处治

2.1　套拱和超前长管棚施工

隧道两端洞口进洞地质条件较差，较长距离为V级围岩。为了保证安全进洞，在隧道洞口设置了套拱和超前长管棚，以保证成洞面和浅埋地段开挖的稳定与安全。套拱纵向长2 m，设置了60 cm厚C25现浇钢筋混凝土，布设4榀Ⅰ16工字钢支撑，钢支掌纵向由直径22 mm钢筋焊接固定，焊接钢筋环向间距1 m。套拱内预埋直径×壁厚为133 mm×6 mm钢管作为长管棚的导向管。长管棚钢管采用直径×壁厚为108 mm×6 mm有孔钢花管，拱部180°范围布设，环向间距50 cm，共41根，每根长60 m。套拱混凝土强度达到70%后，采用MD-50跟管钻机钻孔，为了防止长钢管在钻进过程中的下沉，钻机仰角应控制在2°～4°，边钻孔，边接长钢管跟进，纵向同一横断面的钢管接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少须错开1 m，钻进过程中经常用测斜仪测量钻进偏斜度。长钢管钻进全部完成后开始注M30水泥浆，水灰比11，掺1%的水玻璃，注浆从拱脚至拱顶逐孔对称进行，注浆压力为0.5～1.0 MPa，终止压力为2 MPa，浆液扩散半径不小于0.65倍的管中心距,一个洞口的设计注浆量为17.81 m3。根据后来洞口掘进显示，浆液扩充与风化岩层凝结为一个整体，保证了安全进洞。

2.2　出洞口段偏压处治

左洞出洞口ZK319+362～ZK319+415长53 m地段，侧面处外露面山体与水平面呈约 45°走向，洞顶离山体外露面不足12 m高，进洞上台阶挖了约30 m长，初期支护基本完成，但由于山体侧向压力的影响，洞体出现了明显的变形。采取的处治方案是：沿洞顶中心山体外露面为起点，以水平填筑宽为30 m，向山下1∶1.5放坡的土体来平衡土侧压力。先在山体表面分层挖1 m宽的台阶，然后通过放样确定山脚填土范围，由下往上分层填筑，直至洞顶中心线山体水平面。通过这几年的运营，未发现该处洞内有变形。

3台阶式洞身掘进

软弱围岩隧道采用短台阶法施工，初期支护及时跟上。洞身掘进采用人工风镐配合挖掘机开挖，循环进尺1.2 m，在上台阶开挖至30 m时，开始下台阶开挖，采用左半幅马口跳槽开挖，马口开挖长度不宜超过四榀工字钢，初期支护跟上。然后是右半幅跳槽开挖，跳槽开挖必须单侧落底，左右错开3 m以上，开挖后立即支护。掘进超出长管棚保护范围，为了保证掌子面开挖安全,在拱顶部120°范围内,布设超前小导管，压注水泥浆。目的是使洞顶围岩形成整体，成一层坚硬的承载环壳体，不致崩塌。小导管采用直径×壁厚为42 mm×5 mm钢管,管壁四周钻6 mm压浆孔,尾部1.0 m不设压浆孔。

4洞身初期支护

初期支护应紧跟开挖尽快对围岩施加约束，确保施工安全。隧道初期支护采用锚喷支护，即由锚杆、钢支撑、钢筋网、喷射混凝土组合起来的支护形式。锚喷支护是一种符合岩体力学原理的积极支护方法，锚喷支护结构柔性好，它能及时支护和加固围岩，与围岩密贴，同围岩共同变形，能封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性[2]。

4.1　锚杆

4.1.1锚杆作用的理论根据

(1) 组合梁作用。锚杆可将若干层层状岩体串联在一起，增大层间摩阻力形成组合梁，防止岩层的滑移和坍塌。

(2) 整体加固作用。按一定间距在隧道周边呈放射状布置的成组锚杆，将隧道四周一定深度的围岩进行挤压、粘结加固，组成一个承载环。

(3) 悬吊作用。把隧道壁面附近具有裂隙、节理的不稳定岩体，用锚杆固定在深层的坚固稳定的岩体上，可将不稳定岩体的重量传递给深层坚固的岩体负担，以起到悬吊作用。

4.1.2洞顶围岩锚杆施工

V级围岩锚杆采用直径22 mm螺纹钢筋，长为3.5 m ，环向间距1 m，纵向间距0.6 m，每环29根。

(1) 钻孔。按设计标识孔位，孔径为直径37 mm，钻孔方向尽量与岩层主要结构面垂直，当围岩主结构面不明显时，可与隧道周边轮廓垂直布置。钻好孔后用高压水将孔冲洗干净。

(2) 砂浆制作。砂浆强度等级不低于M20，砂浆配合比(质量比)为水泥∶砂∶水=1∶1∶0.47，砂的料径不宜大于3 mm，速凝剂掺量为水泥用量的5%。

(3) 注浆及安设锚杆。将砂浆充满注浆器，并用高压空气将水泥砂浆由注浆管注入钻孔中，注浆管应插至距孔底5~10 cm处，随水泥砂浆的注入缓慢匀速拔出，随即迅速将锚杆插入，杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%，锚杆插到设计深度时孔口应有砂浆流出，若孔口无砂浆流出，则应将杆体拔出重新灌浆，全长粘结锚杆应灌浆饱满。锚杆一旦插入完成，不得再次扰动。

4.2　钢支撑支护

V级围岩采用Ⅰ18工字钢支撑，IV级围岩采用Ⅰ16工字钢进行支撑。它的特点是刚度大，架设后能立即发挥支撑机能。Ⅰ18工字钢支撑纵向间距0.6 m，Ⅰ16工字钢支撑纵向间距0.8 m，纵向榀与榀之间用直径22 mm钢筋焊接固定，横向用锁脚锚杆焊接固定，钢支撑应尽量靠近围岩。

4.3　钢筋网挂网

隧道V级围岩在初喷1层混凝土后再进行钢筋网铺设。V级围岩张挂2层焊接钢筋网，采用直径6 mm钢筋，间距20 mm×20 cm，在工字钢支撑内侧布设1层，外侧布设1层，第2层钢筋网应在第1层钢筋网被喷射混凝土全部覆盖后进行铺设。钢筋网必须与钢支撑及锚杆牢固焊接，以增加整体效果。张挂钢筋网可提高喷射混凝土支护层的抗拉能力、抗裂性、抗震性。

4.4　喷射混凝土

喷射混凝土使用洁净的中砂并过筛，碎石粒径不宜大于15 mm，。水泥与砂石重量比为1∶4，用水量凭喷射手的经验目测掌握。隧道V级围岩初期支护厚度为25 cm，采用湿喷混凝土的施工方法，速凝剂用量为水泥用量的5%，将拌和好的料运至喷射机边，投入喷射机料头，同时加入速凝剂，用压缩空气将混合料压送到喷枪，在喷头处加入高压水混合，以较高的速度喷射到岩面上。喷射的顺序是先墙后拱，自下而上。分层喷射的间隔时间一般为15 min。如岩面凹凸不平时，应先喷凹处找平，然后向上喷射。每次喷射的厚度拱部为5～6 cm，边墙为7～10 cm。过厚则由于混凝土自重下坠，影响混凝土与岩面的黏结力，不易保证喷层致密。

5监控量测

5.1　监控量测的目的

监控量测是施工工艺流程中的一个重要工序，应贯穿施工的全过程。监控量测的目的是掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈，指导施工作业。通过对围岩和支护的变形、应力量测，为修改设计提供依据。

5.2　监控量测的项目和实施

该隧道监控量测项目是:地质和支护状况观察,周边位移量测,拱顶下沉量测。地质和支护状况观察应进行洞内、外观察，洞内观察分开挖工作面观察和已支护地段观察2部分。

(1) 开挖工作面观察应在每次开挖后进行。及时填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定卡。对已支护地段的观察每天应进行一次，主要观察围岩、喷射混凝土、锚杆和工字钢架等的工作状态。观察中发现围岩条件恶化时，应撒出洞内施工人员和设备，立即上报设计、监理、业主单位，采取相应处理措施。

(2) 洞外观察重点应在洞口段，内容应包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态。发现变形异常，立即上报，确保施工安全。对于周边位移和拱顶下沉的量测，隧道Ⅴ级围岩每20 m布置1个断面，周边位移布设2对点，拱顶下沉布设3个点，每天测2次。根据位移速率变化趋势判断：速率小于0.2 mm/d时，围岩达到基本稳定。当围岩位移速率变化上升时，围岩处于危险状态，必须立即停止掘进，采取应急措施。根据第三方检测报告，周边位移最大值为5.17 mm，拱顶下沉最大值为8.40 mm，都在允许变形范围内，而且都趋向稳定。

6二次衬砌

围岩的初期支护变形基本稳定后及时进行二次衬砌，变形基本稳定应符合拱脚水平相对净空变化速度小于0.2 mm/d，拱顶相对下沉速度小于0.15 mm/d。

隧道V级围岩衬砌厚度45 cm，采用C25防水钢筋混凝土，掺加HEA抗裂型防水剂，掺量为水泥用量的8%，采用二衬台车模板(长10 m)浇筑。浇筑混凝土前，应将基底石渣、污物和积水排除干净。首先浇筑仰拱并填充C15片石混凝土，然后浇筑路面调平层和矮边墙，最后用二衬台车浇筑拱部及曲面墙混凝土。二衬台车每侧沿高度2 m开设4个梅花形0.5 m×0.5 m振捣窗洞，直至拱顶，以利浇注和振捣混凝土。混凝土浇筑严格按配合比施工，拱墙混凝土浇注应分层由下往上从两侧向拱顶平衡施工，每浇筑一层，就用振捣器振捣密实，浇注拱部混凝土时，在衬砌台车顶部预留4个注浆孔，注浆孔离二衬台车两端1.25 m，注浆孔之间间距2.5 m。二衬混凝土浇注完成后由于干缩和自身重力作用，拱顶混凝土会与上面的防水板脱开，形成空鼓。拱顶注浆的目的就是使拱顶混凝土与上面的防水板和初支混凝土紧贴，作用就是避免空鼓积水，使初支和二衬混凝土同时承受围岩压力，且均匀受压。待衬砌混凝土强度达到100%后再注浆充填。混凝土衬砌应连续浇注，每一模尽可能一次浇筑完成。如因故中断，中断时间应小于前层混凝土的初凝时间，否则应按施工缝处理。

7结语

采用超前长管棚和超前小导管对软弱围岩进行预支护，采用锚喷混凝土对洞身进行初期支护，这样能够保证洞身掘进的安全。在下台阶施工中尽快使初期支护落地封闭，确保及早封闭成环，仰拱填充及时跟进，以控制围岩变形，保证围岩稳定。同时二次衬砌必须根据监测单位的监测结果尽快进行，确保隧道施工安全。

参考文献

[1]JTG/T F60-2009公路隧道施工技术细则[S]. 北京：人民交通出版社，2009.

[2]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

收稿日期：2015-09-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.017