高山岩隧道施工方法及技术控制要点探讨

2015-05-08詹祯祥

福建建筑 2015年5期

詹祯祥

(泉州台商投资区城市建设发展有限公司福建泉州 362122)

1 工程概况

高山岩隧道地处泉州台商投资区，为南北主干道二期工程的组成部分。隧道呈南北走向穿越高山岩山区，主线隧道采用上下行分离式、双向8车道布置，同时在路线东西两侧各设一辅线隧道，4条隧道形成小净距隧道。本隧道全线处于大半径(≥1000m)圆曲线段，最大圆曲线半径3744.000m。隧道全洞段为小净距隧道，最小净距约12m。隧道进出口两端受相交道路琅经三路、秀经三路的控制，隧道长度较短，设计车速较高，隧道段设置“一”字坡。该隧道洞身围岩主要为中－微风化花岗岩，围岩级别以Ⅱ、Ⅲ级为主，岩体多呈镶嵌结构－块状结构。

1.1 地形地貌及地质概况

隧道址区属丘陵地貌，地形起伏较大，山坡较陡，自然坡度呈30～50°。进出口处地面高程9.50～22.90m，洞身最高处高程63.60m，隧道最大埋深约为45.60m，地表植被稀少，为杂草及少量杂木。区域整体位于闽东南沿海断隆带。燕山期至喜马拉雅期的构造运动奠定了本区构造基础，现地壳相对稳定，未见影响场地稳定性的活动性断裂。围岩为燕山晚期侵入的花岗岩，岩性为中粗粒花岗岩。第四系覆盖层薄或无。

北端洞口位于坡脚，洞口侧自然山坡坡度约30～40°，围岩为中等风化花岗岩和砂土状强风化花岗岩，围岩级别为Ⅳ～Ⅴ类，洞顶覆盖层为强风化花岗岩，且处于地下水位下，现状基本稳定，但开挖时稳定性较差。洞身围岩主要为微风化花岗岩，洞顶顶板厚度大，也以微风化花岗岩为主，围岩级别以Ⅱ级为主，勘察时未见断裂破碎带，裂隙局部发育，地下水不丰富。洞身地下水位高于路面设计标高，水量较小。

南端洞口位于坡脚，自然山坡坡度约 35～45°，围岩和洞顶均以中等风化花岗岩为主，围岩级别为Ⅳ类，洞顶中等风化花岗岩厚度10m以上，稳定性较好。但隧道出口段位于早期开采的花岗岩石料场，采坑高度约30.0m，坡度65～80°，因受爆破影响，表层裂缝较多，局部较松散，易发生崩塌、掉块。

1.2 水文地质条件

隧道区地表水不发育，地下水主要为基岩风化裂隙－孔隙水，钻孔显示地下水位埋深 12.90～24.20m，标高32.00～40.00m，水量总体较贫乏，受大气降水的补给，往两侧谷中排泄。根据钻孔简易水位恢复观测试验成果及取样分析，经估算渗透系数K=3.4×10－5cm/s，场地环境类型为Ⅲ类环境，属弱透水岩土层。依据《公路工程地质勘察规范》(JTGC20－2011)附录D及《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)2009年版第12.2.4判定，该场地的地下水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋在干湿交替条件下和在长期浸水条件下均具微腐蚀性。地表水对混凝土结构具中腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水条件下具弱腐蚀性，在干湿交替条件下具强腐蚀性。地基土对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋均具微腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

2 洞身开挖

开挖是隧道施工的一道重要工序，开挖方法在很大程度影响隧道围岩应力以及形变。开挖应前掌握围岩的情况，便于采取相应的措施。施工工序按先开挖两侧辅线隧道，再开挖主线隧道的原则进行施工组织。开挖应减少小径距隧道先行洞与后行洞间爆破影响，各隧道间开挖掌子面纵向错距不小于2倍洞距。根据现场情况以及以往施工经验，错开距离需大于50m。尤其注意的是:开挖时，尽量少扰动岩体，严格控制超欠挖，初期支护紧跟工作面及时封闭成环，确保结构稳定。

2.1 开挖方式

根据小径距隧道的受力特点及现场施工环境，对Ⅱ级围岩段落，采用了三台阶开挖法施工，施工顺序断面见(图1、图2)，按照以下步骤施工:

(1)开挖上台阶(①部位)，施作上台阶周边的初期支护Ⅰ，即喷射4cm厚混凝土，铺设钢筋网，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度;

(2)距上台阶(①部位)开挖掌子面1倍洞距后，开挖中台阶(②部位)，施作中台阶(②部位)周边的初期支护Ⅱ，即喷射4cm厚混凝土，铺设钢筋网，复喷混凝土至设计厚度;

(3)开挖下台阶(③部位)重复第二步。

图1 三台阶法施工工序横断面图

图2 三台阶法施工工序纵断面图

对Ⅲ级围岩段落，采用了中隔壁(CD)法开挖施工，施工顺序断面见(图3、图4)，按照以下步骤施工:

(1)开挖左侧壁导坑(①部位)，施作左侧壁导坑周边的初期支护Ⅰ和Ⅱ，即喷射4cm厚混凝土，铺设钢筋网，架设拱架钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度;

(2)距左侧壁导坑(①部位)开挖掌子面1倍洞距后，开挖右侧壁导坑(②部位)，施作右侧壁导坑周边的初期支护Ⅲ，即喷射4cm厚混凝土，铺设钢筋网，架设拱架，复喷混凝土至设计厚度;

(3)拆除临时支护Ⅱ，施作仰拱Ⅳ及仰拱回填混凝土。

图3 CD法施工工序横断面图

因隧道开挖时极易造成围岩扰动，施工时应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行。开挖爆破时，Ⅱ级围岩每部循环进尺按2.0m控制，Ⅲ级围岩每部循环进尺按1.0m控制，爆破震动波速应控制在3cm/s以下。应及时进行监控量测，并根据结果进行分析，及时调整支护参数。

图4 CD法施工工序平面图(系统锚杆未示出)

2.2 爆破作业控制

钻爆作业是隧道施工控制工期、保证开挖轮廓的关键。为了充分发挥围岩的自称能力，减轻对围岩的振动破坏，高山岩隧道采用微振动控制爆破技术，实施光面爆破，并根据围岩情况及时修正爆破参数，达到最佳爆破效果，形成整齐圆顺的开挖断面，减少超欠挖。

Ⅱ级围岩施工采用光面爆破作业，Ⅲ级围岩施工采用预裂爆破作业。光面爆破作业和预裂爆破作业应根据作业面岩层情况、同类工程经验或施工规范，合理选择周边眼的眼距、不偶合系数、最小抵抗线等技术参数。

周边眼是沿边缘轮郭线布置的炮眼。炮眼间距50cm，必须采用小直径药卷，严格控制装药量，并使药量沿炮眼合理分布，采用毫秒微差爆破，可使周边爆破时产生临空面。掏槽眼布置于开挖断面中央偏下位置，先掏出开挖面上的部分岩石，增大其它炮眼爆破时的临空面。采用复式楔形掏槽。辅助眼用以扩大掏槽的体积，为周边眼爆破创造条件。辅助眼交错均匀地布置在周边孔和掏槽眼之间，并垂直于开挖面打眼，力求爆渣块体大小适合装渣要求。

钻爆作业中应加强监测爆破扰动深度、爆破震动对周边环境及中夹岩的破坏程度，确保中夹岩的稳定。根据实际施工情况，先开挖隧道初期支护处引起的震动应控制在3m/s以内。

3 初期支护

小净距隧道的初期支护较之普通的隧道尤为重要，初期支护总的原则是随开挖随支护。高山岩隧道初期支护以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢拱架为组成。

系统锚杆支护:系统锚杆支护主要采用Φ25长6m普通砂浆锚杆及Φ25长6m预应力锚杆。普通砂浆锚杆主要施工过程是:锚杆孔位放样→钻孔→清孔→锚杆孔验收→锚杆加工制作→安插锚杆→安装垫板、垫圈和螺帽→水泥砂浆灌注封孔。Φ25长5m预应力中空注浆锚杆施工过程是:锚杆孔位放样→钻孔→清孔→锚杆孔验收→锚杆加工制作→安插锚杆→安装垫板、垫圈和螺帽→锚杆张拉→水泥砂浆灌注封孔。

喷射混凝土:围岩开挖后立即进行喷射混凝土施工，混凝土喷射分层进行，第一层厚度控制在3cm左右，保证开挖围岩的稳定，为后续的拱架、钢筋网施工提供保障，第二层喷射混凝土的施工在第一层钢筋网片和拱架安装完毕后实施，喷至设计厚度为止。喷射混凝土顺序由下而上进行，围岩岩面有较大凹洼时，应先用砼填平。每台喷锚机配置专人添加速凝剂，速凝剂添加均匀，既保证了初支的强度又减少了回弹量。

钢拱架:钢拱架均在加工场地试拼装之后用装载机运至施工现场。钢拱架在拼装时做到与初喷混凝土面相接触，拱架施做中，主要控制锁脚锚杆的打设。

钢筋网支护:挂双层 Φ8钢筋网，钢筋网间距20cm×20 cm。第一层钢筋网根据被支护岩面的实际起伏状铺设，并在初喷3～5cm厚C25喷射混凝土后进行，第二层钢筋网和第一层钢筋网之间支撑采用焊接，保证层之间的牢固，钢筋网与钢筋网、锚杆、钢架连接筋点焊在一起，使钢筋网在喷射时不晃动。

4 中夹岩加固施工

隧道全线皆为小净距段，施工中的重点为保证中夹岩的稳定。为确保开挖过程中围岩稳定，减少因隧道间距小导致围岩变形、爆破震动等不利情况，洞身中央岩柱Ⅱ级围岩段主要是通过Φ25长6m，@150×150普通砂浆锚杆来完成;Ⅲ级围岩段主要是通过Φ25长6m，@200×100预应力锚杆来完成。锚杆施工工艺控制要点如下:

(1)钻孔前做好准确放样测量工作，严格按设计图纸要求布孔并做好标记，孔位偏差控制在±50mm;孔轴方向满足施工图纸的要求，操作时，将凿岩机钻杆的位置摆好并稳固地顶在岩面上。

(2)锚杆孔深、孔径、间距和锚杆长度、数量均符合设计及规范要求。孔深偏差值控制±50mm，孔径偏差控制在0～+20mm之间。锚杆安设后不得任意敲击触碰，其端部3日内不得悬挂重物。

(3)用高压风冲洗、清扫锚杆孔，确保孔内不留石粉，不得用水冲洗钻孔。

(4)预应力锚杆在进行张拉和锁定时，台座的承压面应平整，并与锚杆的轴线方向垂直。

5 二次衬砌及其他工程

隧道二次衬砌严格遵循“仰拱超前、拱墙整体衬砌”的原则，在初期支护施工完毕后，为控制隧道围岩变形，仰拱将紧跟开挖面施工，仰拱填充利用栈桥平台解决洞内运输问题，施工时全幅一次性完成。仰拱完成后，利用多功能作业平台人工及机械配合铺设防水板，钢筋绑扎及预埋件无误后，使用液压整体式衬砌台车进行二次衬砌施工，拱墙一次性整体灌注施工，最后完成整体道床施作。混凝土在洞外拌和站集中拌和，采用自防水混凝土，抗渗等级不低于P8，拱墙砼掺加防水剂，仰拱砼掺加高效抗裂防水膨胀剂。混凝土搅拌运输车运至洞内，泵送混凝土浇筑，插入式捣固棒配合附着式振捣器捣固。施工工艺见(图5)。

图5 隧道二次衬砌施工示意图

防排水、路面、洞内装饰、栏杆、供配电及照明、消防等工程的施工方法与普通双线双洞隧道的施工方法相同，此处不再详述。

6 监控量测

现场监控量测是本隧道实施性施工组织设计的一项重要内容，认真做好监控量测目的有:可以了解各施工阶段底层与支护结构的动态变化;判断围岩的稳定性、支护、衬砌的可靠性;可以弥补理论分析过程中存在的不足，并把检测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别，变更设计支护参数提供依据;对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然;可以判断初期支护的稳定性，确定二次衬砌合理的施作时间;可以了解该工程条件下所表现、反映出来的地下工程规律和特点，为今后类似工程或该施工方法本身的发展提供借鉴、依据和指导作用。

该隧道施工进行监控量测的项目有:地质及支护状况观察、周边收敛位移、拱顶下沉、地表下沉、锚杆拉拔力、围岩体内位移、围岩压力及两层支护间压力、钢支撑内力及外力、支护衬砌内应力、表面应力及裂缝量测、围岩弹性波测试、爆破震动，其中前四个项目为必测项目。通过这些量测以反馈信息，保证洞内施工安全。

为更好的指导隧道的施工，我们将监控量测作为重要工作落实，特委托湖南科大工程检测中心负责隧道全程监控量测工作，包括测点的埋设、日常量测和数据处理工作，并及时的信息反馈。根据2～3月份量测汇总结果显示，隧道内周边位移累计最大值为－3.27mm，拱顶沉降最大值为－11.15mm，地表沉降最大值为－4.27，各项变形监测数据基本无明显异常。隧道围岩节理裂隙不发育，岩体较完整，自稳能力较强;目前洞内开挖段拱顶沉降、周边位移及地表沉降处于正常变形状态;隧道整体结构较稳定。从而表明我们在高山岩隧道的开挖、支护、二次衬砌等施工所采取的施工方法是成功的。