贵南高铁软弱围岩隧道关键施工技术

高海亮

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

0 引言

贵南高铁（贵阳至南宁）九万大山2 号隧道全长6 199 m，穿越荔波世界自然遗产地，处于中低山岩溶峰丛洼地地貌，地质条件十分复杂，地形起伏较大（绝对高程为390～880 m， 最大相对高差为490 m），坡陡（自然坡度一般为20°～60°）、深沟，山顶孤峰多为陡崖。 洞身断面大多为槽谷、洼地和峰丛，隧道最大埋深为446 m。 本标段隧道岩溶、断层、褶皱等不良地质条件发育。除降水丰富外，山体排水系统四通八达，地下暗河、天坑、溶洞、溶蚀裂隙十分发育。 由于存在垂直渗流带、地表岩溶带、水平径流带等，隧道涌水量增加，初步预测：单工作面最大涌水量已超过12 万m3。 由于地质情况复杂，该工程为贵南高铁全线重难点工程。针对这种复杂的地质情况，施工方制订了科学的施工组织方案。 笔者试对其关键施工技术进行分析。

1 不良地质条件下的掘进方法

隧道开挖采用钻爆法施工，其中，Ⅲ、Ⅳ主洞围岩采用台阶法施工， Ⅴ主洞采用台阶法＋临时仰拱法施工［1］。斜井Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面法开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法开挖［2］。

1.1 台阶法

台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分，分步开挖。它是最基本、运用最广泛的施工方法，而且是实现其他施工方法的重要手段。 台阶法施工的优点为：灵活多变、适用性强；台阶有利于掘进面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业相对安全；台架掘进法初期，设备投资小［3］。 台阶法施工的缺点为：上下部作业有干扰，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。

台阶法施工流程如图1 所示，具体施工步骤为：（1）先弱爆破，开挖①部分，然后在①部分台阶周围进行初期支护。支护方法为：先喷混凝土，再挂网、搭设钢拱架（设置锁脚锚管或锚杆）、复喷混凝土，最后进行系统锚杆施工，并使其达到设计要求。 （2）对②－1 部分进行弱爆破开挖， 然后对其进行初期支护。 支护方法为：先喷混凝土，再挂网、搭设钢架（设锁脚锚管或锚杆）、复喷混凝土，最后进行径向锚杆施工。（3）对②－2 部分进行开挖和支护，其工序与第②－1 部分相同。（4）对第③部分进行弱爆破开挖，采用湿喷法进行初期支护。 （5）在第③部分拉开一定间距后，浇筑④部分的仰拱边墙。 （6）仰拱混凝土初凝后，灌注仰拱，填充⑤部分，使其达到设计高度。（7）进行防排水工程施工，对第⑥部分拱墙进行衬砌施工。

1.2 台阶法＋临时仰拱法

台阶法＋临时仰拱法是在采用台阶法施工的同时，采用临时仰拱方法将每个小单元及时封闭成环，形成环向受力，以有效阻止支护结构变形。该方法主要应用于Ⅴ级围岩强风化带或极破碎带的施工。

台阶法＋临时仰拱法的施工工序如图2 所示，具体施工步骤为：（1）前循环超前支护完成后，对①部分进行弱爆开挖和初期支护。 支护时， 先喷混凝土，再挂网、立拱架（设锁脚锚管或锚杆）和复喷混凝土，混凝土达到设计要求后，及时钻径向锚杆。（2）弱爆开挖②－1 部分，并对其进行初期支护。支护时，先喷混凝土，再挂网、立拱架（设锁脚锚管或锚杆）和复喷混凝土，待复喷混凝土达到设计要求后，及时进行径向锚杆施工，喷混凝土封闭临时仰拱。 （3）进行②－2 部分掘进。 施工工序与②－1 部相同。 （4）对③部分采用弱爆破开挖，进行③－1 部分边墙初期支护施工，即初喷混凝土、布网、架设、复喷至设计厚度、钻径向锚杆。（5）掘进及支护③－2 部分，施工工序同③－1 部分。（6）弱爆破开挖④部分，进行④部分仰拱初期支护施工。 （7） 对⑤部分仰拱与边墙基础进行灌注，等混凝土凝固后，填充⑥部分到设计高度。（8）根据监测结果，确定二次衬砌的施工时间，即用衬砌模板台车铺设防水板，浇筑⑦部分（拱墙）。

图1 台阶法施工工序横断面示意图Fig.1 Cross section of construction procedure of bench method

图2 台阶法＋临时仰拱法施工工序横断示意图Fig.2 Cross section of construction procedure of bench method and temporary inverted arch method

2 爆破设计

光面爆破是通过选择最佳爆破参数和合理的施工方法，在不同地段进行微差爆破，以达到设计要求的控制爆破技术［4］。 与普通爆破方法相比，光面爆破具有可以减缓超欠挖、 爆破面质量高、 支护工作量小、支护效果好、材料消耗少、开挖速度快、成本低等优点。

2.1 爆破方法和参数的确定

施工时，可以借助机械化凿岩台车、钻孔台架配YT28 型凿岩机进行钻孔，采用塑料导爆管非电起爆、毫秒微差控制法进行有序起爆。 根据工程地质环境、掘进断面、循环进尺、钻具、爆破材料等，采用工程类比法进行钻爆设计， 并根据现场试验确定爆破参数［5］。

2.2 炮眼布置

通过斜眼进行炮眼掏槽。 掏槽眼顺着隧道掘进断面的轮廓线进行布置。 内圈炮眼布置必须满足周边眼抵抗线要求。 辅助眼交错均匀布置在光爆层内圈眼与掏槽眼之间， 间距应满足爆破块石块度的需要。如果辅助眼与周边眼在同一垂直面上，掏槽炮眼需加深10～20 cm。

全断面光面爆破炮眼布置如图3～图5 所示。台阶法光面爆破炮眼布置如图6～图8 所示。台阶法＋加临时仰拱法光面爆破炮眼布置如图9 和图10 所示。

图3 全断面爆破炮眼间距设计图Fig.3 Design of shot hole space of full-face blasting

图4 全断面爆破剖面图Fig.4 Profile of full-face blasting

图5 全断面爆破炮眼角度设计图（单位：cm）Fig.5 Design of shot hole angle of full－face blasting （Unit： cm）

图6 台阶法爆破炮眼间距设计图Fig.6 Design of blasting shot hole space of bench method

图7 台阶法爆破剖面图Fig.7 Blasting profile of bench method

图8 台阶法炮眼角度设计图（单位：cm）Fig.8 Design of blasting shot hole angle of bench method （Unit： cm）

2.3 爆破质量控制要点

（1）测量放线。在钻孔前，进行测量放线，精准绘制开挖等高线及周边孔、路堑孔、辅助孔位置，并采用激光铅直仪对边线进行控制。放线时，每100 m 设一次临时水准点，在距离掘进面50 m 处，进行中线桩埋设。在每次测量放线过程中，需要依据上次爆破的实际情况，及时调整爆破参数，确保满足最佳掘进断面效果。

（2）钻孔作业。 钻孔前，司钻工需要详细了解炮孔布置图。钻孔时，应定岗、定人、定位，安排有经验、有责任心的司钻工进行周边眼、掏槽眼施工；对凿岩台车钻杆进行精准定位，确保钻孔位置误差在5 cm范围内，确保钻孔方向平行，不出现相互交错现象；相同类型的炮眼钻孔深度需满足钻爆设计。 周边眼钻孔外插角的控制为：在眼深小于3 m 时，要求外插角小于3°；眼深大于3 m 小于5 cm 时，要求外插角小于2°；两茬炮接口处台阶小于15 cm［6］。

（3）周边眼的装药结构要求。周边孔采取不耦合装药结构，不耦合装药系数控制在1.4～2.0 范围内。

（4）装药和起爆。 根据岩石的强度，选用不同的炸药。乳化炸药一般设置在含水地段，其他石质条件下采用2 号岩石硝铵炸药。 周边眼选φ25×200 的小药卷，不耦合装药；其余炮眼选用φ40×200 的药卷，连续装药。 在装药过程中， 应严格按照规定的装药量，由上而下进行。 装药后，用炮泥将炮眼全部严实堵塞。 起爆时，选用塑料导爆管复式起爆网络。

图9 台阶法＋临时仰拱法光面爆破炮眼布置间距设计图（单位：cm）Fig.9 Design of shot hole space of smooth blasting of bench method and temporary inverted arch method （Unit： cm）

图10 台阶法+临时仰拱法光面爆破炮眼角度设计图（单位：cm）Fig.10 Design of shot hole angle of smooth blasting of bench method and temporary inverted arch method （Unit： cm）

（5）微震爆破。 在不良地质和浅埋地段，采取微震控制光面爆破技术施工。在施工过程中，根据爆破物与爆心距离计算最大装药量。

3 隧道支护方法

3.1 超前中管棚注浆支护

该工程掌子面为V 级围岩，地下水发育，且围岩自稳能力较差。 为保证施工安全，采用φ76 超前中管棚注浆支护技术对其进行加固。 管棚导管为外径76 mm、壁厚5 mm、长度不小于6 m 的无缝钢管，其环向间距为40 cm，每环50 根（9 m／根）。 中管棚搭接长度不小于3 m。 导管管壁需钻注浆孔，孔径为8～10 mm，孔间距为10～20 cm，呈梅花型布置，前段加工成锥形，尾部大于30 cm 不钻孔，作为止浆段。注浆材料为纯水泥浆，水灰比为0.5∶1～0.8∶1。对于地下水丰富、软弱围岩地段，可采用水泥－水玻璃双液浆封堵，加固浆液强度等级在M10 之内，外插角范围为10°～15°。注浆压力通常为0.5～1.0 MPa，注浆压力及浆液配合比可根据实际工程进行设定， 中管棚具体布置如图11 和图12 所示。

注浆时， 当满足以下条件之一时， 结束单孔注浆。（1）压力开始变大，当达到设计终压时，保持稳定10 min；（2） 超过设计注浆量80%；（3） 进浆速度变弱，减少到开始进浆速度的1／4。

3.2 中空注浆锚杆加固

中空锚杆结构如图13 所示。

施工时，为了节省时间，对中空注浆锚杆杆体、长度检测管、 可测长锚头进行同时安装。 安装完毕后，需要通过扳手拧紧止浆塞。 安装锚杆垫板时，要求垫板与锚杆垂直，并与初喷混凝土面密贴紧压。锚杆安装好后，不可随意掰动。

图11 超前管棚正面设计图（单位：cm）Fig.11 Front design of advanced pipe shed （Unit： cm）

图12 管棚超前支护纵向布置图Fig.12 Vertical layout of advanced support of pipe shed

图13 中空锚杆结构示意图Fig.13 Hollow rock bolt structure

采取专用高压注浆泵借助锚杆预留通道进行注浆。 浆液水灰比为0.4∶1～0.5∶1。 为实现注浆饱满，应将隧道拱部多余空隙气体排空。 当注浆压力达到设计值时，结束注浆。

4 结语

综上所述， 贵南高铁九万大山2 号隧道穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩区域，地质条件十分复杂。 根据具体的地质条件，该工程施工时，采用了台阶法＋临时仰拱法施工；选用了光面爆破和分区分段微差爆破的爆破方式；选用超前管棚注浆支护和中空注浆锚杆加固方案，有效地保障了隧道的施工安全、进度和质量。