天河山隧道安全进洞施工关键处理技术研究

1.天河山隧道工程概况

1.1 工程概况

天河山隧道呈东西走向，位于山西省左权县和河北省邢台市交界处，穿越太行山山脉，隧道进口位于左权县拐儿镇骆驼村北侧的山坡上，出口位于邢台县白岸乡水村西侧的山坡上。太行山脉总体为南北走向，地势北高南低、中间高两边低，全长11695m。隧道一般埋深100m ～300m，最大埋深615m，该隧道为单面坡、单洞单线隧道。

天河山隧道所穿越的太行山山体地层自上而下依次为：第四系全新统冲洪积粗角砾土和碎石土，第四系上更新统坡、洪积粉质黏土、细角砾土和粗角砾土，寒武系上统页岩石灰岩互层，寒武系中统页岩石灰岩互层，寒武系下统页岩石灰岩互层，震旦系下统串岭沟组砂岩和常州沟组砂岩。

该段线路位于太行山区，由于该段区域太行山山系庞大，地下水蕴含能力较强。地下水的形成受地形地貌、岩性、构造、降水等多种因素的影响，区内地下水主要为岩溶裂隙水、构造裂隙水及砂岩层间水，岩溶裂隙水与砂岩的层间水多层状分布，且通过构造带实现由上向下的联通，形成补给和排泄关系。本文结合天河山隧道正洞进口工程地质及水文条件，详细介绍天河山隧道超前地质预报处理技术，对正洞进洞施工方法进行分析，监控量测布置及数据分析。

1.2 主要工程地质问题

该段路线的工程地质问题主要包括：一是隧道突水、涌水涌泥；二是岩爆；三是高地温、软弱围岩塌方变形、缓倾岩层的塌方掉块[1]-[3]。

2.超前地质预报

结合隧道的地质条件，超前地质预报采用地质雷达与红外探水相结合的方法，确保预报的准确性[4]-[5]。

2.1 地质雷达法

2.1.1 测线布置

由于掌子面凹凸不平，为了提高数据采集质量，保证隧道超前地质预报的准确性，此次采用测点方式采集数据，在距掌子面底部0.5m和2m处分别布设一条测线，共计2条测线，测点间距0.1m。测线布置如图1所示。

2.1.2 地质雷达成果

运用Gredwin2软件对采集原始数据进行处理，分别对原始数据进行时间距离归一、背景去噪、水平带通滤波（时间域）、道间能量平均、垂直带通滤波（时间域和频率域）等处理，最终得到地质雷达解释图，如图2所示。

图1 测线布置示意图

图2 LO1雷达测线成果图与LO2雷达测线成果图

图3 掌子面测点数值

图4 红外探水成果图

图5 钢花管构造图

2.2 红外线探水法

采用HW-305T红外探测仪对掌子面往大里程方向30m、往小里程方向60m地质情况进行探测，分析如下：

2.2.1 掌子面测点数值

掌子面上24个测点的数值如图3所示,其中最大值为171、最小值为155，差值为16，大于所取安全值10。因此推断掌子面前方30m范围内红外辐射场异常，可能出现滴渗-线状出水情况。

2.2.2 红外探水成果

根据探测区域（从掌子面往已开挖段每隔5m布置一个测点），绘制曲线图如图4所示。可以看出该段落红外辐射场正常，数据上下波动较小，结合现场开挖的地质条件，综合分析推测该段落内具有含水构造的可能性小。

2.3 结果分析

掌子面围岩为砂岩，弱风化、红褐色，中厚层状构造，岩体较完整，节理裂隙较发育，呈块石状镶嵌结构，拱部无支护时可能产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌，需加强支护，掌子面围岩等级为Ⅲ级。

掌子面前方0-30m段内推断围岩发育情况如下：围岩岩体较完整，节理裂隙较发育；局部围岩较破碎，开挖过程汇总可能出现滴渗-线状出水现象；拱部易掉块，需加强支护和做好防水措施。

掌子面后方60m范围内可以看出该段落红外辐射正常，出现含水构造可能性小，建议在施工过程中加强对含水构造观测，定制防水措施，避免不良地质灾害的发生。

3.进洞施工处理

3.1 进洞超前长管棚施工

根据超前地质预报情况，进洞采用长管棚施工，对隧道待开挖岩体形成了超前加固效应，可提前预防隧道洞身软弱破碎围岩坍塌、下沉或松弛，平稳进洞。

管棚设置于隧道拱顶范围内，10m每环，管棚单根长度10m，环与环搭接不小于3m。钢管与钢花管交替分布，奇数号用钢花管，偶数号用钢管，管口环向间距中至中为40cm，外插角为3°- 8°，如图5所示。管棚选用φ108×5mm的钢管加工而成，用每节长4m-6m的热轧无缝钢管以丝扣连接而成。为保证同一断面内接头数量不得超过钢管总数量的50%，每环长管棚（长10m）。奇数号钢花管按照梅花型布设，每根钢花管预留孔径为10mm-16mm、孔间距为15cm的注浆孔，钢花管结构如图5所示。洞口段管棚设置1m厚导向墙，采用C20混凝土，导向墙设2榀I 18工字钢架。同时，为防止注浆压力对隧道掌子面及洞壁的影响，可对周围一定范围内及待开挖面进行喷射混凝土，防止掌子面塌方。

注浆前须进行试验，确定注浆施工参数；注浆结束后采用M10水泥砂浆充填钢管，以增强管棚刚度。注浆采用隔孔灌注。注浆压力为0.5Mpa-2Mpa，并按照实际现场情况及时结束注浆（①单孔注浆量达到设计注浆量的1-1.2倍；②单孔注浆压力达到设计注浆压力并稳定10min）。钢管和岩体周边空隙应充满浆液，注浆量及止浆应满足设计要求。严格按照规程施工作业，防止爆管、爆浆。注浆应交错进行，从低到高、从下而上。

3.2 正洞开挖

正洞开挖时，必须保证超前预支护效果，判断补浆与否，确定无需注浆后方可开挖。根据工程地质及水文情况选择施工方法，并根据地层条件变化及时调整施工方案。进口段严格按照设计要求进行开挖，采用全断面法施工，开挖后及时施工做初期支护。

Ⅲ级围岩采用全断面法开挖，开挖示意图如图6所示。循环进尺4.5m，为了保证开挖轮廓圆顺、准确，维护围岩自身承载能力，减少对围岩的扰动，拱部及边墙采用光面爆破。

4.监控量测

4.1 监控量测布设

采用全断面法施工时，每个断面设置一个拱顶沉降监测点，设置一条水平向收敛监测点（图7）。

4.2 数据分析

4.2.1 拱顶沉降数据分析

根据施工规范，选取双曲函数u=t/(a+bt)建立累计沉降量（u)随时间（t)发展的时态函数，绘制实测数据与时间关系曲线和回归方程曲线，两条曲线吻合度高，表明施工安全，如图8所示。从图中可以看出，第20天沉降值为6.60mm，沉降率为91.21%；第40天沉降值为6.90mm，沉降率为95.40%；第60天沉降量为7.01mm，沉降率为96.88%。曲线趋于稳定，根据以上推算可知最终沉降量为7.23mm，管理等级为Ⅲ级，满足设计要求，可以继续施工。

图6 Ⅲ级围岩开挖示意图

4.2.2 水平收敛数据分析

根据施工规范，采用回归方程y=x/(1.7409+0.7511*x)建立时态函数，绘制实测数据与时间关系曲线和和回归方程曲线，如图9所示，累计值与回归值近似，说明施工安全。从图中可知，水平收敛累计收敛量为5.8mm，根据曲线预测最终收敛量为6.78mm，最大沉降速率为1.5mm/d，管理等级为Ⅲ级，满足设计要求，可以继续施工。

4.2.3 地表沉降数据分析

根据施工规范，采用回归方程y=x/(1.7409+0.7511*x)建立时态函数，绘制实测数据与时间关系曲线和和回归方程曲线，如图10所示，累计值与回归值趋向一致，说明施工安全。当前沉降量为1.3mm，根据曲线预测最终收敛量为1.31mm，最大沉降速率为0.4mm/d，管理等级为Ⅲ级，满足设计要求，建议继续施工。

图7 全断面法施工测线布置示意图

图8 拱顶沉降数据回归分析图

图9 水平收敛数据回归分析图

图10 地表沉降数据回归分析图

5.结语

通过以上对天河山隧道进洞施工的调查、施工设计、监控量测数据分析表明：掌子面围岩等级为Ⅲ级，为砂岩，弱风化，节理裂隙较发育，拱部无支护时可能产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌，需加强支护；掌子面前方0-30m段开挖过程汇总可能出现滴渗-线状出水现象，拱部易掉块，需加强支护和做好防水措施；掌子面后方60m范围内可以看出该段落红外辐射正常，出现含水构造可能性小，建议在施工过程中加强对含水构造观测，定制防水措施，避免不良地质灾害的发生；进洞采用管棚支护，全断面法施工，并结合实际情况确定循环进尺长度为4.5m；通过对监控量测数据分析，拱顶沉降、水平收敛、地表沉降，均属于Ⅲ级管理基准，变形量在规范规定范围内，施工安全，可以继续施工。