刘家隧道软弱围岩段开挖施工处治技术

2021-11-19欧健

资源信息与工程 2021年1期

欧健

(中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏无锡 214000)

随着交通建设的快速发展，隧道的修建越来越多。隧道开挖施工因受复杂地质条件的影响,一直是交通建设中的重点和难点问题，而隧道软弱围岩段开挖又是隧道施工的关键。因此，对隧道软弱围岩段开挖施工问题开展研究，为解决软弱围岩隧道开挖施工提供经验和技术借鉴，具有重要的工程价值和社会价值。刘家隧道软弱围岩段存在局部软弱夹层、斜向层叠、围岩极度软弱、岩体均质性极差、产状紊乱等问题，严重影响其隧道开挖施工，因此，对其软弱围岩段开挖施工处治进行研究是十分必要的。

1 工程概况

刘家隧道全长2505m，起讫里程为K140+300～K142+805，埋深大。隧道地表冲沟发育，但地下水发育不明显，干旱季节隧道内渗水很少。隧道穿越地层主要是夹千枚岩灰岩、夹灰岩千枚岩。隧道围岩设计分布情况为：K140+300～+380 段是V类围岩；K140+380～+ K141+640段是产状接近直立的夹灰岩千枚岩，存在明显片理与发育的节理；K141+640～+920段是V类围岩断层带，断层是扭曲严重的挤压千枚岩，存在断层角砾及碎裂灰质；K141+920～K142+805段是Ⅱ类围岩，岩体是夹千枚岩灰岩，产状接近直立，灰岩风化严重，存在明显层理，中间厚，逐渐递减成薄层状。隧道开挖后发现，从K141+376开始，围岩出现突变，为IV～V围岩，长850 m，为断层角砾及千枚岩夹泥钙质薄层，存在严重扭曲褶皱，节理发育，云母含量高，岩层挤压面明显，破碎严重，结合差，难以自稳。隧道设计为复合式二次衬砌，由于断层带内结构紊乱，围岩自稳能力极差，局部地段二次衬砌加厚。初期支护为：IV类围岩采用锚网喷，喷10 cm厚混凝土；V类围岩采用超前小导管预注浆加固，设锚杆钢筋网与1榀/m I16工字钢，喷15 cm厚混凝土。

2 软弱围岩对隧道开挖施工的不利因素

2.1 隧道存在局部软弱夹层

隧道开挖施工中发现，在隧道开挖方向存在连续贯通的软弱破碎带，开挖施工时局部单侧出现严重滑坍塌，使得隧道初期支护受力不均，拱脚出现坍方，局部出现压裂，大大增加了施工处治难度。

2.2 隧道软弱围岩段存在斜向层叠围岩

隧道开挖施工中发现，隧道软弱围岩段存在斜向层叠围岩，采用台阶法处理时，上台阶的拱部开挖时，会发生顺层滑塌，塌方超出拱顶2～3 m，造成开挖面拱部出现斜面，给拱部开挖与钢支架架立带来很大的困难；下台阶的边墙开挖时，由于岩体节理被切割会顺节理面发生滑坍，造成开挖面出现斜面，给边墙开挖与钢支架架立带来很大的困难。

2.3 隧道存在极度软弱围岩

隧道开挖施工中发现，隧道软弱围岩段存在遇水易软化、手捏可成粉状、有滑腻感、节理面光滑、薄层状、灰黑色的泥钙质千枚岩，造成初期支护受到软弱围岩松散体产生的巨大压力、不均匀岩质造成的不均匀受力，使得间距较大的初期支护钢支撑出现弯折、内移，造成初期支护侵限。此外，因边墙为10 m高的曲墙，高度大，在拱脚、边墙部位均会有不同程度的变形产生。

2.4 隧道软弱围岩段岩体均质性极差，产状紊乱

开挖隧道时，开挖轮廓切割围岩褶曲节理及软弱部分，顺交滑节理面，局部岩体出现滑坍；隧道沿开挖方向，局部破碎灰岩堆积，千枚岩夹灰岩斜向层叠，千枚岩分层富集，较好岩体分布极不规则，犬牙状交错，造成隧道开挖时软弱围岩局部滑坍，形成大坑，严重影响隧道初期支护施工。

3 隧道软弱围岩段开挖施工处治方法

(1)开挖。根据隧道软弱围岩情况，开挖施工采用拱部、边墙分开开挖的正台阶法。台阶长度控制在3～5 m，上、下台阶每茬炮掘进深度1.5～2 m。拱部开挖采用斜眼掏槽，弱爆破施工，四周炮孔尽量少装药，采取间隔装药的方式。边墙开挖采取梯形起爆、单层打眼的方法。炸药采用Φ22 mm药卷。开挖凿眼采用 YT28 风钻，采取光面爆破，尽量避免对围岩扰动，尽快开挖，尽快封闭[1]。

(2)支护。软弱地层采用小导管预注浆法超前加固，导管为Φ25 mm钢管，管壁梅花型开孔，开孔孔径为8 mm，间距为15 cm。注浆孔深为4～5 m，扩散半径为2 m，间隔距离为0.4 m。浆液为早强型高标号水泥砂浆，配合比为水∶砂∶水泥=3∶1∶1。水为检测合格的河水，水泥采用425号普通硅酸盐水泥，并加入3%～5%的CaCl2高效速凝剂。注浆压力控制在0.6～0.9 MPa范围内，注浆应严格按注浆规范要求操作，并通过采取注浆岩芯进行抗压强度试验的结果对最终注浆质量进行控制，保证注浆效果达到规定要求。待稳固地层12 h后，再进行开挖作业。开挖完工后，先湿喷5 cm厚混凝土，再出碴。出完碴后，架立型钢钢架、施工钢筋网、锚杆，湿喷混凝土至初期支护规定厚度。

(3)出碴。隧道拱部上台阶开挖出碴采用人工进行，用手推车配合。隧道边墙下台阶开挖出碴采用拔碴机。隧道碴土采用5 t自卸汽车运输至弃碴场。为提高运输效率，隧道内每隔300 m处加宽开挖作会车用。

(4)衬砌。采用小块拼装式“2015”钢模板先墙后拱法施工，紧跟施作仰拱，以尽早封闭成环，形成受力结构。衬砌混凝土采用后倾式拖拉机和2.5 t农用汽车运输。

(5)通风。距离掌子面30 m设50 kW通风机1台，洞口设“88-1”55 kW通风机1台，采用混合式通风，洞口为压入式通风，掌子面为吸出式通风。

(6)加强隧道施工监测。为控制隧道软弱围岩段施工安全，对隧道软弱围岩段加强施工监测。隧道开挖并完成锚杆打设后，进行监控点布设和测量[2]。隧道每个监测断面布设5个监控点，分别为拱顶、起拱线上1.2 m两侧、起拱线下1.25 m位置两侧。施工中监测发现，该隧道软弱围岩段拱顶监测收敛值一般为60～80 mm，起拱线上收敛值一般为100～130 mm，起拱线上收敛值一般为100～140 mm，局部弱围岩段长时间不能达到稳定，对初期支护采取进一步加强处理后才趋于稳定。隧道软弱围岩段开挖施工中通过加强围岩监测，保证了软弱围岩段隧道支护的稳定，避免了坍方的发生。

(7)隧道初期支护破坏处治。对于隧道软弱围岩段的初期支护出现的钢支撑变形、局部开裂、拱脚内移侵限等问题，采取的处治方法为：①用强度、变形性能更好的型钢支架代替格栅钢架，并在拱脚位置用钢筋补强；②根据开挖围岩实际情况对型钢支架进行加密，间距由1 m调整为0.5 m或0.75 m；③严格控制好型钢支架、钢支撑及其排间的连接和焊接质量；④在拱脚横向增加对口支撑和锁脚锚杆。

(8)开挖面光面效果差。该隧道软弱围岩较差的岩体，顺光滑节理面局部滑坍，产生大坑；较好岩体因均匀性差，产状紊乱，造成隧道开挖后，出现极不规则的犬牙交错，使得开挖面光面效果差。施工中采取的处治方法为：①隧道开挖完成后马上进行喷射砼施工，封闭围岩，保证软弱岩体稳定，不出现掉块、落碴，再在出碴时，继续进行初期支护的喷射砼施工；②施工完成钢支撑、锚杆后，对较少超挖的地段按设计厚度喷混凝土，超挖较大地段回填浆砌片石后按设计厚度喷混凝土[3]。

(9)软弱围岩段顺层滑坍处治。该隧道软弱围岩段存在斜向层叠围岩，拱部上台阶开挖后会发生顺层滑塌，塌方超出拱顶2～3 m，造成开挖面拱部出现斜面。下台阶的边墙开挖时，由于岩体节理被切割，顺节理面发生滑坍，造成开挖面出现斜面，在隧道出碴时，会造成拱部初期支护出现变形，拱脚支护悬空。针对这一问题采取的处理措施为：①采用超前加强小导管预注浆对地层进行加固；②对拱顶出现的坍方，采用短工字钢架设棚架，防止塌方进一步扩大；③初期支护的喷射砼厚度加厚，保证支护结构稳定；④拱脚位置根据实际情况设置1～2榀横撑梁，同时横向用钢横撑梁支撑，纵向用工字钢托梁支撑[4-5]；⑤在隧道出碴前，对拱脚岩体、边墙坍塌处进行喷射砼处理，以保证其稳定，并在出碴过程中继续喷；⑥对出现坍塌的钢架，重新设置隧道拱部的锚杆、钢筋网和钢支架。对超挖严重的部位回填浆砌片石后，再次喷射混凝土，以保证其初期支护的整体性。

(10)支护侵限处理。因断层带围岩自稳性差，隧道局部出现支护侵限高达0.3 m。施工采取先对围岩进行压浆加固，再对侵限支护凿除后，重新施作支护与衬砌。

(11)二次衬砌开裂处理。K141+620～+626边墙出现受压型开裂，多发生在直墙衬砌地段。K141+340～+346边墙下沉，主要原因是基底未处理好。处理措施为：①对在衬砌开裂裂缝两边布设间距0.7～1.4 m梅花形锚杆，锚杆可以采用普通锚杆或迈式锚杆，对裂缝进行开槽处理后加设垫板；②对裂缝位置采用压浆进行加固，压浆液配合比为水泥∶砂=1∶2(体积比)，水灰比1∶2；③在裂缝位置凿槽后嵌补环氧砂浆；④对个别侵限部位作表面凿除。