浅谈卵砾石层隧道施工技术

文∕金星辉

1 前言

目前卵砾石土层隧道的工程实例在国内外都不是太多，相关的设计施工经验与技术也尚不成熟，施工中经常会遇到复杂的问题。由于卵砾石土层地质条件恶劣，开挖时发生大变形的情况非常多，特别是开挖过程中遇到大范围突涌水以及穿越断层破碎带的情况，严重时会发生大规模塌方，带来巨大的经济损失和工期延误[1]。因此，要选择合适的施工技术开挖隧道，这关系到隧道施工的安全、质量、经济效益等诸多问题。我国西部地区山高且河流密集，有数量众多的公路隧道修建在卵砾石土层中，但目前国内外针对卵砾石层隧道施工技术的研究还不多见，因此在工程实践中遇到了很多难题，这不仅使施工过程中面临着经济损失的风险，还会导致严重的安全事故。

2 人为施工对卵砾石层隧道围岩稳定性的影响

隧道围岩稳定性的影响因素比较复杂，经过长期理论研究和对施工实践的认知，从性质上大概分为两大类。第一种为自然因素，包括岩体的力学性质、地质环境、地下水、地应力等因素，这是在长期的地质运动中所形成的；第二种为人为施工因素，如隧道的大小和形状、支护技术、施工工法等，这是人们在隧道修建之前就可以设计以及在隧道修建时就可以控制的影响因素[2]。

在隧道所穿越地层条件无法改变的情况下，所设计隧道的形状、大小以及在施工中采用的技术是决定隧道开挖后能否稳定的主要因素。一般情况下施工单位必须提前做好地质勘探，根据实际情况设计隧道。隧道的尺寸越大，其开挖断面面积和跨度就会增大，对围岩的扰动也随之增大，并且将扩大围岩的塑性区，从而影响到围岩的整体稳定性[3]。采用不同的施工工法在开挖时围岩的变形也是不同的，对于地质条件稳定围岩强度很高的Ⅲ级以上围岩我们可以采取一次开挖全断面的方法；而此施工工法对于软弱围岩则不适用，地质条件稳定性差的围岩采取一次开挖全断面的方法，在支护措施未能完成时围岩已经成型自稳，这必然会产生大变形。超前支护措施是保证隧道开挖时围岩稳定的必要措施，对于大断面卵砾石层隧道围岩来说，围岩缺乏足够的自承能力，一旦进行开挖，常常会导致围岩发生变形。掌子面开挖之前提前通过预注浆的方法提高围岩的强度，形成围岩加固圈，能够防止隧道开挖时坍塌。

3 卵砾石层隧道施工技术及其应用

3.1 工程概况

小山坪隧道是一座典型的四车道高速公路双洞中隧道，左右线间距为16.1m，隧道最大开挖跨度12.7m，最大开挖高度 10.3m，开挖断面面积108.37m2，属于大断面隧道。小山坪隧道上覆地形属于低山丘陵地貌，沿隧道开挖方向，地势起伏很大，最浅处埋深为15m，最厚处埋深达到80m。隧道中部有岩头沟泥石流遗迹穿切而过，且隧道进出口山坡坡度较陡，坡度范围分布在60°～80°之间。

3.2 超前预支护施工技术

超前锚杆注浆、超前小导管注浆、超前深孔帷幕注浆、旋喷预支护等是卵砾石层隧道超前预支护过程中常用的技术[4]。结合小山坪隧道实际地质情况，在该卵砾石隧道中主要采用超前小导管、中空注浆锚杆等方法，并利用超前小导管和中空注浆锚杆向掌子面拱部的围岩进行注浆操作，增强其强度和稳定性。超前预支护是隧道工程施工安全的重要条件，通过超前预支护技术可以使隧道岩层在外力作用下保持稳定，为实施后续的施工工序奠定基础。

超前支护施作完成后，超前支护结构和围岩之间达到平衡状态。随着隧道的开挖，应力发生重分布，但其应力释放是一个较为缓慢的过程，此时为一次支护施作时间。一次支护施作后，将超前小导管和中空注浆锚杆的前端打入在掌子面前方的围岩中，后端固定在一次支护结构的钢拱架上，通过超前小导管和中空注浆锚杆能够把注浆加固区受到的来自围岩上部的应力向钢拱架和尚未开挖的围岩传递，并利用超前小导管、中空注浆锚杆以及钢拱架形成拱效应，从而进一步减少加固区域所承受的围岩压力。

3.3 卵砾石层隧道常用施工工法

综合分析国内外在卵砾石层中修建的隧道，总结出目前穿越卵砾石层隧道所常用的施工工法有三台阶法、分步开挖法等。

3.3.1 三台阶法

三台阶法指的是将开挖的断面从上到下分为三个台阶，三个台阶同时施工并行推进的施工方法。这种施工工法主要应用于地下水较少、下半部围岩强度较大的隧道工程中，也可以应用于水量较低的围岩破碎带[5]。

3.3.2 分步开挖法

3.3.2.1 三台阶七步开挖法。这种施工工法主要应用于易发生坍塌的强度较低的围岩或者地质条件一般的隧道工程中。三台阶七步法将作业面自上而下分为三个区域。通过三台阶七步开挖法进行作业，使核心土能够有效提高开挖面的稳定性，但由于围岩在作业过程中所受到的干扰比较多，而且断面分为多块，对支护结构进行封闭作业所需的时间也就更多，因此在工程实践中需要利用一些辅助措施对施工部位及其前方的岩层进行预支护。

3.3.2.2 单侧壁导坑法（CD 法）。单侧壁导坑和上下台阶将断面划分为3 个部分，施工时先开挖侧壁导坑，随后再开挖上下台阶。开挖断面面积大的软弱松散围岩隧道适用于单侧壁导坑法。

3.3.2.3 双侧壁导坑法（DCD 法）。通过双侧壁导坑和上下台阶将作业面分成4 个区域，作业时先对侧壁导坑进行开挖，然后进行支护操作，最后对上下台阶进行开挖，在操作此方法时应及时完成侧壁导坑的闭合。这种施工工法的优缺点非常明显，其优点是施工不会造成围岩的较大变形，缺点是成本较高且施工速度很慢。

3.3.2.4 十字中隔墙法（CRD 法）。十字中隔墙法将隧道断面划分为4 个部分，上半断面2 个，下半断面2 个，施工时先开挖左部上单元，支护结构封闭后再开挖左部下半部分，同理完成右半断面的开挖。大跨度断面和地表沉降要求很小且受力不均的隧道适用于十字中隔墙法。

3.4 小山坪隧道施工工法开挖步骤

小山坪隧道卵砾石层的复杂地质条件，最终确定隧道采用二次模筑工法设计的V 级卵砾石底层施工开挖，通过三台阶七步开挖法，开挖循环进尺保持1m。首先将作业面分为自上而下分成三个台阶和七个开挖面，三个台阶保留核心土，七个开挖面之间保持相应的间距分别作业，开挖后分别支护，并形成整体的支护结构，在各开挖面平行推进的前提下缩短作业循环时间。

第一步，在掌子面的拱部完成超前预支护后对弧形导坑进行开挖，开挖过程中注意上台阶核心土的保留，小山坪隧道预留的核心土长度和宽度分别为3m和3.6m。开挖循环进尺保持1m，在初喷凝土后达到5cm 后利用喷、锚、网进行支护作业，然后对钢拱架进行架设，并将其和事前打入围岩的锁脚锚杆通过焊接的方式进行连接，最后喷射混凝土直到其满足设计要求。

第二、三步，完成上部弧形导坑开挖作业后对左、右侧导坑和中间台阶进行开挖，开挖循环进尺保持1m，高度保持在3.3m，开挖时左右台阶须错开3m 并以最大程度减小对围岩的扰动。然后按照第一步后面的方式进行初喷和钢拱架的架设，直至满足设计要求。

第四、五步，对左、右侧导坑和下部台阶进行开挖作业，开挖循环进尺保持1m，高度保持在3m，开挖过程中左右台阶间隔应大于3m，以防止破坏围岩自承力。然后按照第一步后面的方式进行初喷和钢拱架的架设，直至满足设计要求。

第六步，对上、中、下台阶处保留的核心土进行开挖作业，循环进尺保持1m。

第七步，对隧道底部进行开挖作业，开挖循环进尺保持2m，初喷凝土达到5cm，两个开挖循环后进行仰拱施作。

4 结语

小山坪隧道多为卵砾石层，围岩自承能力不足且易坍塌，虽然在干燥环境下具备相应的稳定性，但易受到地下水及人为施工因素的影响，在地下水及施工扰动作用下自稳时间迅速减小，从而给围岩的稳定性控制和施工带来很大困难。留核心土的三台阶七步开挖法对围岩的扰动更小，不仅发挥了围岩的自承作用，而且还能使围岩变形在允许的范围内，因此该方法是适合小山坪卵砾石层隧道的施工工法。本文以小山坪隧道复杂工程地质环境为背景，开展了卵砾石层隧道施工技术研究，希望为西北地区同类隧道的建设提供一定参考。