复杂地质条件下那立隧道快速施工技术

肖春名 廖盛荣 刘文金 周志彬

(1.中交路桥建设有限公司 北京 100027； 2.中交路桥华南工程有限公司 中山 528405； 3.河南理工大学土木工程学院 焦作 454003)

0 引言

随着社会经济的快速发展，现有的陆上交通网络已经取得了长足的发展，在此基础上为了贯彻落实国家战略，满足区域经济协调发展的需要，新一轮具有区域特点的高速公路网规划被提上日程，实现以高速公路的优先发展引领作用，带动偏远地区经济实现跨越式发展。新时期的高速公路网多穿行于山岭地带，为了实现保护环境、节约资源、节省造价的目的，山岭公路隧道发展了起来。有统计数据表明：从2009—2020年的公路隧道分布情况来看，山岭隧道增长数量最多[1-3]。不同于城市地铁隧道，山岭隧道地质环境复杂、施工条件恶劣、地质灾害频发等，大大增加了山岭隧道的施工风险，对隧道施工安全的要求也更为严格[4-5]，为了应对复杂的地质环境并实现隧道的快速施工，国内学者对此进行了大量的研究工作。

梅源等[6]将三台阶三步法结合“两紧跟”技术，及滑槽逐窗入模浇筑技术和带模注浆及监控技术应用于蒙华运煤专线隧道群，大大提高了黄土长大隧道快速开挖施工的可靠性。谭忠盛等[7]在东天山特长公路土质隧道大断面开挖时采用超长小导管超前支护配合预留核心土开挖方法，实现了土质围岩隧道掌子面稳定，对比台阶法施工可显著提升工效。戴润军等[8]将“三台阶七步”开挖法应用于软岩条件下的隧道，重点研究了仰拱施工，以促进其他工序的顺利实施。李自强等[9]以实际工程为背景，采用数值模拟方法从循环进尺和施工通风两个方面研究了松动围岩的发展和变形，提出了最合理的爆破进尺和送风管长度，取得了良好的快速掘进效果。欧阳艳等[10]以西北高原地区长大隧道施工中岩爆段为研究对象，采用数值模拟方法研究了柔性网对隧道的防护能力，促进了隧道的快速施工。邓勇[11]采用理论分析、数值模拟和现场验证等方法进行研究，提出通过注浆加固方法可以实现良好的隧道排水。何英南[12]结合大临铁路某软岩段隧道，采用玻纤维杆新型加固技术，配合“三台阶七步”施工法，设置合理的爆破参数，对隧道快速施工起到了良好的作用。王猛等[13]以实际工程为背景，提出了新的“三导洞加联络通道法”，对隧道快速施工起到了积极作用。

以上成果通过研究隧道衬砌支护技术、掌子面开挖方案设计、循环进尺长度控制、地质灾害处理、爆破方案设计以及施工组织优化等因素来控制隧道掘进进度，但并未系统地研究隧道开挖全流程的方案设计及施工组织管理。因此，为了研究隧道在开挖过程中全流程的方案设计，本文以巴马—凭祥公路巴马至田东段No2合同段那立隧道工程为背景，从洞口开挖支护到拱顶和墙身二衬完成及仰拱回填施工完毕，全流程系统地研究隧道施工技术，根据地质情况和隧道参数以及施工过程中可能遇到的突发情况，提出合理的技术方案，提出一套可为类似工程借鉴的复杂条件下隧道的快速施工技术。

1 工程概况

那立隧道进洞口位于广西壮族自治区百色市田东县朔良镇那立村附近，为双洞分离式短隧道，隧道走向约153°，近直线分布。左线起止桩号ZK24+170～ZK24+515，设计长度为345m，进口路基设计高程为247.732m，最大埋深约为67.747m(位于ZK24+380处)；右线起止桩号YK24+168～YK24+520，设计长度为352m，进口路基设计高程为247.756m，最大埋深约72.466m(位于YK24+380处)。

隧道区属低山丘陵深切割地貌，地形地貌主要受到地层岩性及地质构造控制，围岩类型为Ⅳ类和Ⅴ类，相对高差257m。隧址区山体植被较发育，部分为基岩裸露，进洞口斜坡地带多为第四系残坡积层覆盖。进洞口位于斜坡下部，斜坡坡向327°左右，坡角25°～35°，线路走向147°。隧道进口仰坡开挖后为顺层坡，不利于整体稳定。隧道进口横断面见图1。

图1 隧道进口横断面图

2 进洞及洞口段施工

2.1 边仰坡施工及防护

洞门施工前设置C20混凝土现浇截排水沟，位于仰边坡3～5m外，并于刷坡前浇筑好，避免坡顶地表水冲刷边坡，造成洞门损坏。

采用挖掘机对洞口进行开挖，本工程隧道进口仰坡开挖后为顺层坡，进洞仰坡稳定性较差，按照设计坡率1∶1.5进行放坡，仰边坡分层开挖，随之在设计洞门边坡范围内垂直坡面打入小导管，采用M30水泥砂浆注浆加固，坡面挂Φ8@250mm钢筋网，喷射10cm厚的C20素混凝土防护层。热轧无缝钢管小导管规格为：直径Φ=42mm，壁厚t=4mm，长度l=3.5m，间距@1m×1m，布置为梅花形。

2.2 超前大管棚施工

软弱围岩浅覆大跨隧道暗挖施工，管棚可起到防塌、控制地层变形的作用[14]。本工程隧道进口段为三叠系中统百逢组(T2b)砂岩，超前大管棚超前进洞支护。大管棚支护断面见图2。

图2 大管棚超前支护布置图

钢管规格为：壁厚t=6mm，长度l=28m。钢管内插入三根Φ22mmHRB400级钢筋组成的钢筋束，钢管前部设置为尖锥状以便于施工，尾部设加劲箍，沿着钢管周边设置Φ=15mm压浆孔，0.5°～1°外倾角施工，钻孔的位置、方向、直径要严格控制，孔眼要平直顺畅，孔眼钻完后须用压缩空气清孔，接着注入M30水泥砂浆。管棚环向Φ50cm，注浆过程中管棚每管端焊一止浆阀。将水灰比1∶1的水泥浆注入钢管中，压力初始0.5～1.0MPa，终止2.0MPa，将压力稳定1～5min，浆液扩散半径不小于0.5m，施工前应进行测试取得最优的注浆形式。大管棚工艺流程见图3。

图3 大管棚施工工艺

2.3 明洞施工

施工前先复核导线桩点，然后边仰坡开挖整理，接着浇筑洞顶截水沟。明洞衬砌施工完待强度满足设计要求后，明洞对称回填两边。回填先采用C15混凝土回填，混凝土回填至设计高程后接着采用碎石土，每层碎石土填筑高度小于300mm，填筑完成最后施工隔水层。转角平台施工前夯实地基至压实度≥90%，洞口段地基容许承载力若<300kPa，应采用C15素混凝土换填地基土至设计强度要求，工艺流程如图4所示。

图4 明洞施工工艺

3 洞身开挖及支护

洞身部分施工初期设置全断面锚喷支护与钢架支撑，根据围岩岩性的不同和隧道埋深及隧道设计参数的不同，洞身分别采用不同的衬砌型式。双侧壁导坑法是充分发挥围岩的自身承载能力[15]。本隧道工程经过物探、钻探以及地质调绘，根据围岩性质及应力分布情况和地下水分布，确定围岩综合划分为V级，施工采用双侧壁导坑法。导坑开挖上弧段主要使用挖掘机进行，减小振动效应，配合装载机和运渣车运渣，下半断面采用左右跳槽开挖，两边留足台阶土，接着及时进行混凝土初喷工作，使初期支护尽早封闭成环。围岩衬砌断面见图5。

图5 衬砌断面图

超前小导管采用数控小导管冲孔机钻孔，待掌子面混凝土喷射工作完成后进行注浆。热轧无缝钢管小导管规格：直径Φ=50mm，壁厚t=5mm，长度l=4.5m，导管周边钻孔Φ=6mm，尾端0.95m范围内保持原状不进行钻孔需焊接Φ=6mm加劲箍，前端为了便于施工需要制作为锥形并封焊密实，之后围岩钻孔并安设小导管注浆。开挖隧道一侧，洞身锚杆、钢架及横撑和钢筋网安装，喷射混凝土时需减小喷头到工作面的距离并且控制好风压，钢筋网保护层厚度不小于2cm。采用相同方法重复第一段开挖工作，最后浇筑仰拱。初衬完成后铺设土工布、防水板，采用台车整体一次浇筑完成二衬。双侧壁导坑横断面见图6，纵断面见图7。

图6 双侧壁导坑法横断面图

图7 双侧壁导坑法纵断面图

4 不良地质段施工措施

根据地质勘探资料及物探推测，本工程部分地段节理裂隙发育，相对富水，岩体较破碎，易产生塌方、淋雨出水等地质灾害，应加强地质超前预报，提前做好施工组织预案，采取合理的施工技术措施。超前地质预报断面示意见图8。

图8 超前地质预报断面示意图

4.1 隧道塌方

隧道塌方常发生于地质复杂多变、地质较差、地下水丰富的地区，隧道塌方通常是隧道-围岩-环境相互作用的结果[16]。对此，施工现场在施工至危险地段时，应加强探测预报，提前做好超前支护，制定有效应对措施。遇到监测数据异常情况时，应及时反馈给设计单位，实时调整设计方案。

遇到隧道局部塌方时，首先应停止掌子面施工，沿拱顶和腰墙采用外倾角60°打设长度l=250cm、直径Φ=22mmHRB400级钢筋药卷锚杆进行加固，环向@120cm；纵向@120cm,接着架设I16工字钢架，纵向@75cm，梅花形打设；之后挂设20×20cmΦ=50mm钢筋网，采用C25混凝土喷射工作面，预留5cm变形缝施工防水层；最后采用C35防水混凝土进行二次衬砌，厚度35cm。隧道塌方措施断面情况如图9。

图9 塌方措施断面图

4.2 隧道突水涌泥

隧道穿越断层破碎带突水涌泥机理复杂，涉及地下水流动、围岩弱化、开挖扰动等，严重会造成人员财产损失，甚至停工改建[17]。本工程围岩节理发育段，地下水富集地带可能出现突水涌泥情况，需要采取工程措施，加强超前预报。

突水涌泥地段原则上以堵为主、限量排放，可以采取超前预注浆处理，注浆采用深浅组合方式，外层注浆管长度l=20m，内层注浆管长度l=30m。注浆管外插角5°～25°，矩形@1.0m×1.0m施工，浆液采用水泥水玻璃，压力为0.3～0.8MPa。按照从短管到长管的顺序注浆，接着由外到内、由上到下钻检查孔，钻完后根据设计要求判断检查孔是否需要注浆。注浆施工分前期单孔注浆和后期终压控制，在涌水量大的地方可以先进行适当的排水，然后再注浆，注浆孔布置如图10。

图10 注浆孔布置断面图

5 掌子面控制爆破

爆破施工是隧道工程的重点，爆破安全控制是施工的重难点，爆破过程中要控制好振动效应对围岩和衬砌结构的损伤，包括飞石对施工人员安全的威胁。炸药爆炸破碎岩石的过程中，对隧道保留岩体会产生伤害，施工不当将会导致围岩产生失稳，诱发地质危害[18]。本次隧道施工采用光面爆破，可有效解决隧道开挖爆破中的超欠挖问题，使得隧道周壁平顺光滑[19]。好的光面爆破能使爆破影响得以有效的控制，降低围岩的压力，提高自稳定能力，使得隧道掘进施工取得较好的效果。本工程根据地质情况采用双侧壁导坑钻爆法，炮孔布置见图11。

图11 炮孔布置断面图

采用手风钻配合潜孔钻机，期间要根据岩性的变化做好记录。上断面①③⑤部位：炮眼直径Φ=42mm，利用率90%；现场采用斜眼掏槽，倾斜角度为63°，孔深0.8m；崩落孔垂直于掌子面，孔深0.7m；周边孔与掌子面成87°斜角，孔深0.7m；现场循环进尺为0.6m。掏槽孔装药Q=0.45kg；崩落孔0.30kg；周边孔0.15kg，堵塞长度l=300mm。下断面②④⑥部位炮孔利用率、倾斜角度、孔深、循环进尺、装药量及堵塞长度与上断面①③⑤部位一样，但下断面炮眼直径为42mm。双侧壁导坑法钻爆经济技术指标见表1，爆破参数见表2。

表1 钻爆经济技术指标

表2 隧道爆破参数

6 监控量测

每次开挖结束后，需对掌子面地质类别、岩层走向、节理产状、地下水情况做好记录。在隧道周边埋设测点固定杆，对周边位移做好测量记录；拱顶测点用风枪打眼埋设测量杆并设置挂钩通过水平仪测量；地表处，在隧道中线位置设置测点；洞内测点安置在距离工作面1m范围内，且不大于一个循环进尺，通过测点了解围岩受力性质。

本隧道工程距离村庄不远，在隧道施工期间同时应加强振动监测，防止爆破地震波对居民及构筑物造成伤害。过大的爆破地震响应也会对围岩造成损伤，不利于围岩的自身稳定。采用北斗实时监控系统进行监测，及时掌握隧道情况，通过数据反馈进行爆破参数核算，遇到突发情况及时调整爆破参数，严格按照《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[20]控制爆破振速，保证隧道安全施工，提高掘进效率。

7 施工组织与质量控制措施

为了使隧道施工顺利、快速进行，工程配备施工、现场、协调、测量等具有丰富施工经验的管理人员5人，主要负责施工调度、组织、技术、环保、检查；开挖班52人，负责机械保障；支护班60人，负责钢筋、拱架加工装配和衬砌构件安装施工；调度长4人，负责工作协调；测量员3人，负责隧道所有测量和资料；衬砌班37人，负责混凝土拌和、运输、衬砌施工；保障班10人，负责施工现场电器件安装、保障。

项目部实行二级质量管理制度。项目部设专职质量检查工程师，班组设兼职质检员。同时建立质量自检体系，施工中自下而上按检查、复检、抽检三个等级实施检查任务，接受来自建设单位和监理单位的监督。定期进行质量教育，严格实行一票否决权制度，严格做好三级交底工作，加强施工过程控制，责任落实到人。保障隧道施工质量，实现安全、快速施工。质量保证体系见图12。

图12 质量保证体系

8 结论

(1)隧道施工进洞前，预先浇筑截水沟，保证隧道顶地表水排水通畅，边仰坡开挖支护，挖至洞面时预留核心土。

(2)洞口软弱围岩区采用大管棚超前支护措施，防止围岩塌陷，控制过大变形，保证后续施工。明洞采用模板台车整体一次浇筑成型，达到设计强度后两侧对称分层洞顶回填至设计高程。

(3)Ⅴ级围岩新奥法隧洞开挖采用双侧壁导坑法，超前小导管加固，充分发挥围岩的自身稳定性。初期支护设置全断面锚喷与钢架支撑复合式衬砌。

(4)不良地质段采用物探加钻探加强超前预测，对可能出现的隧道塌陷、突水涌泥地段，采用深浅孔组合注浆加固技术，加强封堵，实现快速施工。

(5)根据围岩地质情况及隧道参数，隧道断面采用双侧壁导坑光面爆破环形预留核心土法开挖，采用掏槽孔+崩落孔+周边孔法分段设计爆破参数，严格控制药量，台车钻眼，非电毫秒雷管微差起爆。

(6)优化施工组织设计，建立健全组织机构，采用二级质量管理制度，三级交底工作，实现复杂条件下隧道快速施工。