临崖巨型孤石与软弱围岩夹杂的大断面隧道进洞施工技术

2019-12-23江海宇

福建建筑 2019年11期

王霞江海宇

(1.厦门市集美国投置业有限公司福建厦门 361000； 2.厦门市集美区国有资产投资有限公司福建厦门 361000)

1 地形地质概况

莲花隧道全长4545m，为一座上、下行分离式四车道特长高速公路隧道，隧道右线洞口左侧地质主要由残积砾质粘性土夹杂小孤石组成，泡水易软化崩塌，属Ⅴ级围岩。洞口轮廓线右上方是临崖状态的巨型孤石，部分嵌于隧道轮廓线内，其余处于拱顶轮廓线外，洞口左、右侧地质情况严重不均。

2 工程重难点

洞口原地面边坡坡度最大达到1∶0.25，若将巨型孤石爆破后再开挖隧道，则爆破范围大，山体扰动大且对边坡造成严重破坏，势必影响施工安全加大洞口段的开挖和支护难度。若洞口段岩体重复进行应力释放与应力重分布，更容易引起洞口段地表滑塌、偏压塌方的事故发生。隧道开挖前处于稳定状态，开挖后巨型孤石基底将基本被掏空，处于半悬空状态。拱顶孤石与隧道顶的交叉部位受力状态接近二维，孤石将由隧道初期支护结构承受，受力形式极为不利，且有向左侧软弱面倾倒的可能，进洞难度极大。如何在不破坏原有地面，做好洞口段施工，尽快安全、稳定地形成进洞局面，就成为莲花隧道能否确保如期进洞展开规模施工的关键[1-2]。

3 施工技术处理方案

按设计初期支护设计为超前小导管结合工字钢架、Φ25中空锚杆并网喷C25混凝土。根据施工技术细则及现场施工经验，优先开挖上部环形导坑右半边临崖孤石，初期支护紧跟。但监控量测数据显示，拱顶明显出现下沉，洞口左侧仰坡顶出现2.8cm～4.1cm裂缝，并有进一步发展趋势。因此，决定立即暂停掘进，从安全、经济性方面重新研究施工方案。研究结果认为，造成进洞困难主要有两方面原因，一是边坡坡度过大，隧道洞口边坡在长期表生地质作用下处于平衡状态，隧道施工破坏了山体原有平衡。隧道洞口仰坡开挖后，仰坡由三维受力状态转为接近更不利的二维受力状态，容易出现坍塌；二是左右侧地质情况严重不对称。所以对洞口左侧仰坡进行注浆、喷射砼加固及稳固右侧临崖孤石，以平衡右侧临崖孤石的侧向压力，保持原有的三维受力平衡，同时通过超前地质预报和监控量测指导施工。

4 洞口支护加固方案设计

4.1 洞口左侧仰坡加固及洞口上方陡坎加固方案[3]

针对洞口左侧仰坡开裂的不稳定情况，在右侧孤石爆破开挖前稳固洞口仰坡土体，首先使用防水布将洞顶覆盖，消除因雨水渗入仰坡顶造成土质含水率过大引起的溜塌隐患；依照梅花形1.0m×1.0m间距设置Φ22砂浆锚杆，锚杆外露端使用Φ18钢筋连成一体，并网喷加厚C25混凝土反压土体，使洞口轮廓线外侧形成具有一定厚度的由锚杆与土体共同组成的复合承载拱，起到初期稳定仰坡[3]，防止雨水渗入土体。加固措施效果如图1所示。

图1 梅花形设置Φ22锚杆并网喷砼

网喷临时稳定仰坡后，按梅花形1.0m×1.0m间距钻设Φ42注浆小导管。小导管采用42mm、厚4mm的热轧无缝钢管，长度为3.5m，超前小导管依照15×15cm间距梅花形制作注浆孔，进行仰坡体注浆加固。水泥浆水灰比为1∶1(重量比)，注浆压力控制在0.5～1.0MPa，注浆过程随时观测注浆压力及注浆泵排浆量变化，以便分析注浆效果。达到设计终压时，持压5min，以使注浆小导管、及仰坡表面网喷混凝土形成整体，平衡右侧临崖孤石的侧向压力，使洞口仰坡由二维受力状态转变为三维受力状态，有效保护仰坡坡脚及洞口上方陡坎。

通过对右洞掘进前洞顶地表沉降观测，变化值趋于平稳，仰坡趋于稳定，支护措施见成效。仰坡体注浆小导管如图2所示,莲花隧道右洞进口地表下沉如表1、图3所示。

图2 梅花形设置Φ42超前小导管并注浆

监控断面累计沉降量(mm)变化趋势右洞P-1-22.6起始变化量值较大,趋势平稳P-2-34.2起始变化量值较大,趋势平稳P-3-27.8起始变化量值较大,趋势平稳P-4-23.4起始变化量值较大,趋势平稳P-5-21.3起始变化量值较大,趋势平稳P-6-25.6起始变化量值较大,趋势平稳

4.2 进洞施工方案选定及防坍塌措施

首先,探明洞口左侧软弱的残积砾质粘性土夹杂小孤石区域的范围，以及洞口右侧巨型孤石大小及走向，确认巨型孤石随着里程的推进嵌入整个隧道轮廓线范围内，亦或是从洞口的一部分在轮廓线内往偏离隧道轮廓线外延伸。这对当前洞口进洞方案及对应采取的加固措施和后续洞身开挖方案的确定起到决定作用。采用地质雷达对洞口上部环形导坑区域左、右侧往隧道掘进方向15m范围内围岩情况分别进行超前探测[4]，得到地质雷达探测图像如图4～图5所示。

图3 莲花隧道右线地表沉降位移曲线

图4 洞口左侧地质雷达波形图

根据雷达探测图像分析，在洞口左侧段雷达波呈弱反射，反射波同相轴不连续，无规则、分散，初步推断该范围内岩体与当前掌子面相似，围岩破碎，自稳能力差，存在夹杂小型孤石。洞口右侧14m范围内，反射波同相轴较连续、较规则。推断该范围内岩体与当前掌子面巨型孤石呈现的微风化花岗岩相似，岩体完整。但在14m～15m段，反射波同相轴呈现分散趋势，初步判断该临崖孤石延伸至隧道纵向13m范围，并在该处断开或存在夹层。参考地质雷达探明的岩体情况，并充分考虑现场洞口环境，结合以往施工经验，确定洞口左侧软弱部位采用超前双排注浆小导管，右侧采用超前长管棚稳固巨型孤石相结合的施工方案。同时，通过长管棚钻孔过程记录，可以进一步确定孤石的深度及走向，指导洞身施工。

4.3 巨型孤石侵入洞门轮廓线管棚施工工艺

(1)大管棚受力特征及技术参数选定

为防止在隧道开挖过程严重偏压的临崖孤石失稳防坍，采用大管棚以稳固临崖孤石(与通常用于软弱滑塌体施工有所区别)，起点位于孤石上，中部跨过夹层，尾端嵌入稳定的基岩，形成两端有约束力的类简支梁，与初期支护的钢支撑形成一整体共同承受孤石在掘进过程的向心压力。管棚施工主要技术参数：采用φ108热轧无缝钢管，壁厚6mm，单根长18m。鉴于隧道右线洞口段设计坡度为+2.95%，考虑充分发挥管棚结构受力，并防止侵入隧道轮廓线内，钻孔倾角取4°～6°，方向与线路中线平行。

(2)类套拱施做

施做管棚套拱以保证管棚钻孔精度。对巨型孤石不规则岩体进行控制定向爆破，将孤石突起处“削”成与成洞面相适宜的岩面，如图6所示。工字钢与超前注浆双排小导管相结合，预先进行上部环形导坑开挖1.0m，环向设置4榀间距为20cm的 I18工字钢支撑形成类套拱，如图7所示。在喷射砼支护前，在工字钢与岩石接触部位预埋3个应力感应片并做好保护，供后期开挖施工过程支护应力监测。每榀工字钢拱脚两侧各自钻打8根双排锁脚锚管，并与工字钢焊接牢固，同时考虑洞口段设计坡度为+2.95%。为了充分发挥工字钢支撑与管棚形成共同受力体系，工字钢安装时，拱环有意向山体方向倾斜3°～5°，以抵抗山体的水平向外推力，使合力方向更趋近竖直向上，实现合理受力。工字钢架上焊接直径为127mm的孔口导向管。使用全站仪以坐标法在工字钢上定出其平面位置，水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角，运用前后差距法设定孔口管的外插角。

图6 洞口右侧定向爆破形成成洞面

图7 工字钢与超前注浆导管共同形成骨架

(3)搭设钻孔平台及钻孔

使用钢管脚手架搭设钻机平台并固定于开挖台车上，精确核定钻机位置与已设定好的孔口管方向平行。使用经纬仪、钻杆导向相结合，反复调整确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。在钻孔过程，为便于安装钢管，采用直径φ127mm钻头，钻进过程实时记录钻进情况以判断成孔质量，同时做好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断。作为开挖洞身的地质预探预报，指导洞身开挖。现场实际第一孔钻进12.6m时钻进速度突然加快，孔口岩屑由白色粉末状变为深褐色，与超前地质雷达探测的相吻合，决定继续钻进。当钻至15.4m时，钻进速度减慢，岩屑渐变为白色，岩体转好。确定1号管棚长度为23.0m，同时2-5号管棚均钻至24m～26.5m不等(表2)。钻孔完成后，利用高压水将孔内余渣清洗干净，防塞管时卡管。

表2 长管棚施工参数

(4)安装管棚钢管并注浆

采用挖掘机与管棚钻进机配合安装管棚。管棚安装完成后，与工字钢支撑预留的定位钢筋焊接牢固，并用C30混凝土将管棚与工字钢端头固结，作止浆墙。由于管棚存在向上4°～6°倾角，为了确保注浆饱满，在管棚顶进安装前，预先埋设直径为2cmPVC管作为排气管，长度与管棚长度相同，从管棚最里端直通至洞口端头上表面，如图7所示。

端头安装注浆孔，使用额定工作压力3.0MPa的DSB-3型注浆泵注浆。注浆采用纯水泥浆液，注浆压力控制在0.7～1.0MPa。注浆过程参照理论计算注浆量，严格做好注浆记录。当浆液从排气管冒出时，表明注浆已满，以此方式分别对2～5号管棚进行注浆，现场施工如图8～图9所示。

图8 定向钻孔及管棚顶进

图9 管棚注浆

待管棚注浆强度达到70%，采用环形导坑法开挖，控制台阶长度，初期支护紧跟的开挖方案，并依照设计设置纵向间距为2.4m超前双排注浆小导管加固。根据在洞口K3+068断面，管棚与工字钢支撑之间预埋的应力感应片的监测数据，如图10所示。

图10 K3+068断面工字钢拱应力时程曲线

从K3+068断面工字钢拱应力时程曲线可看出初期支护工字钢拱经历了两次明显的变化：第一次是开挖9d后在上部环形导坑封闭初支撑，继续开挖上部核心土的过程，由于围岩荷载作用使工字钢支撑内力增大，该段工字钢拱应力呈缓慢上升态势，上部环形继续开挖过程趋于稳定，说明管棚与工字钢拱形成整体受力；第二次是开挖14d后，随着下部核心土的开挖，该断面工字钢拱应力出现一定幅度的上升，其中，中线拱顶应力上升较为明显，最大达81.6MPa。这是由于下部核心图开挖并施做仰拱闭合成环后，该断面工字钢拱应力出现少量下降并趋于稳定。左侧拱腰的最终观测应力为26.2MPa，中线拱顶的最终观测应力为81.3MPa，右侧拱腰的最终观测应力为63.9MPa。使用超前大管棚稳固巨型孤石达到预期的效果，将巨型孤石的应力分散到每榀工字钢拱中，消除隧道坍塌的隐患，同时避免隧道大开挖，创造较大经济效益。表3是全断面超前长管棚施工方案同长管棚与注浆小导管结合的施工方案的施工工期及经济效益对比表，从表中可看出，方案2节省工期达15工日，且创造58.2万元的经济效益，具有明显的优越性。