高海拔Ⅴ级围岩长隧道安全高效施工技术研究

杨清

（中国水利水电第十二工程局有限公司，杭州 310004）

1 工程概况

大雪山隧道位于云南省香格里拉市境内，起讫桩号K125+830～K127+950，长2 120 m，洞室净空8.5 m×6.5 m，隧道轴线走向方位约3°。进洞口、出洞口设计标高分别为3 931.23 m、3 977.61 m。隧道最小埋深在进出口处，约为14 m；最大埋深位于K126+926 处，约453 m。隧道山体进出口周边的既有公路设施欠缺，存在交通不便的局限性。除此之外，隧址区海拔较高，如何在高海拔的特殊条件下安全高效施工是工程的重难点内容。

2 高海拔地区隧道开挖的常见安全事故

隧道施工范围内的地质条件错综复杂，可能会经过岩溶地带，部分地区含丰富的地下水，或有不同规模的断层破碎带，若前期未做好勘察工作，将难以顺利推进施工进程，且在施工方案不合理时，易诱发安全、质量等一系列问题。例如，在隧道挖掘时有应力明显集中的情况，能量大量释放，迫使隧道的稳定性受到影响，易导致塌方、透水等事故。同时，仰拱及二衬施作滞后、支护结构不可靠、背后脱空等问题也均有可能发生。实际施工中，若采用钻爆法，则对爆破控制水平有较高的要求，若管理措施不到位（炸药用量不合适、装药结构不合理等），均容易诱发爆炸等安全事故，严重影响工程项目施工进度的正常推进。

高海拔隧道施工时，隧道内部的作业面积有限，空气质量欠佳，若缺乏完善的通风设备或设备的实际运行水平偏低，均会影响隧道内的空气质量，人员出现缺氧、头晕等现象，严重时诱发安全事故。因此，隧道施工中加强通风极为关键，必须配套完善的通风设施，以便提供新鲜空气，降低粉尘以及有害气体的浓度，从根本上优化劳动条件，保证人员的人身安全。

3 洞身开挖与支护方法

3.1 施工规划

3.1.1 隧道进洞

根据设计要求，挖除洞门及明洞的位置，预留套拱下方的核心土。开挖采用挖掘机，加强防控，以免因开挖而影响洞门的稳定性。注重对仰坡的观测，确保进洞安全。除此之外，以加固喷锚的方法防护临时仰坡和边坡，先将明洞和洞门衬砌好，再开挖核心土石方。洞口仰坡施工前，先清理隧道洞口顶部的杂土以及植被，而后清理洞口上方可能滑落的灌木表土及危石，从源头上规避施工安全隐患。

3.1.2 隧道贯通

测量人员加强洞内导向控制测量，检测隧道的高程和中线并予以有效控制，确保隧道贯通前有足够的精度。

隧道贯通施工前，检查两开挖工作面的位置，若该值在40 m 以内，各工作面施工人员需保持密切联系，距离缩小至15 m 时，一端掌子面暂停掘进，从另一端开挖贯通。随着施工进程的推进，隧道贯通后，测量人员需测定隧道的贯通误差（横向、纵向、竖向等），将实测结果与设计要求做对比分析，以便做合理的调整。

3.2 各级围岩条件下的隧道洞身施工

3.2.1 Ⅴa 级围岩

Ⅴa 级围岩施工采用台阶法，整个断面分为上、中、下3 部分。上部留核心土支挡开挖工作面，以便及时施作拱部初期支护结构，由此大幅提高开挖工作面的稳定性；对于核心土及下部开挖，则必须建立在设置好拱部初期支护的基础上，以免发生安全事故。

施工基本流程为：上部导坑开挖→拱部初期支护→中部开挖→边墙初期支护→下部开挖，仰拱初期支护。隧道开挖结束以及初期支护工作落实到位后，随即浇筑仰拱二衬混凝土；加强隧道施工监控量测，以实测数据为准，组织边墙、拱部的二次模筑混凝土浇筑作业；严格控制开挖进尺，正常情况下开挖进尺为0.5 m，台阶长度取5～10 m，同时及时检测并灵活控制二次衬砌与掌子面的距离，即该值需在70 m 以内。

3.2.2 Ⅴb 级围岩

上下断面正台阶法施工，整个断面被划分为两个部分。开挖、支护的主要作业内容如下：

1）基本流程为：拱部超前小导管注浆预支护→拱部环形开挖→上半断面初期支护→核心土开挖→下半断面开挖→下半断面左、右侧初期支护→初期支护仰拱封底→浇筑仰拱封底→敷设防水板→全断面一次模筑二次衬砌混凝土。

2）严格控制弧形导洞开挖速度，为避免因爆破过强而诱发安全事故，采取分部开挖的方法；加强对拱顶下沉量的监测，必要时根据拱顶结构特点设置竖向临时支撑装置。

3）隧洞开挖环节，每架立两榀钢拱架视为一个循环进尺，边开挖、边支护；以监控量测结果为参考，择机施工二次衬砌[1]。

4）施工充分遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测”的基本原则。

4 开挖爆破参数的设计

4.1 Ⅴa 级围岩爆破

4.1.1 上台阶爆破

Ⅴa 级围岩上台阶爆破设计图如图1 所示。

图1 Ⅴa 级围岩上台阶爆破设计图（单位：mm）

上台阶爆破参数为：炮孔直径42 mm；循环进尺0.5 m；炮孔利用率0.85。

4.1.2 中台阶爆破Ⅴa 级围岩中台阶爆破设计图如图2 所示。

图2 Ⅴa 级围岩中台阶爆破设计图（单位：mm）

中台阶爆破参数为：炮孔直径42 mm；循环进尺0.5 m；炮孔利用率0.85。

4.1.3 下台阶爆破Ⅴa 级围岩下台阶爆破设计图如图3 所示。

图3 Ⅴa 级围岩下台阶爆破设计图（单位：mm）

下台阶爆破参数为：炮孔直径42 mm；循环进尺0.5 m；炮孔利用率0.85。

4.2 Vb 级围岩爆破

环形开挖预留核心土法，将整个断面划分为多个部分，即环形拱部、上部核心土及下部台阶。在此基础上，根据断面的尺寸，进一步对环形拱部做划分处理，形成多个区块，此时以交替的方法有序开挖。

4.3 上部核心土与下部台阶的爆破

随着施工作业的持续开展，待环形土开挖结束、拱顶与拱腰初期支护两项工作落实到位后，根据工程进度计划，开挖上部核心土与下部台阶。具体的开挖要点如下：

1）上部核心土开挖，断面呈等腰梯形，共形成4 个自由面，现场施工条件良好，有利于高效开挖。实际施工中，在台阶上打设炮孔，采用普通潜孔台阶爆破的方法，高效完成爆破开挖作业。爆破工艺与Ⅴa 级围岩的下台阶爆破相同，由于前述已经提及，故此处不再赘述。

2）上部台阶开挖，该部分共有两个自由面，开挖时间安排在上部核心土开挖结束后。实际操作中，从台阶上平面打设下向孔；炸药单耗0.5 kg/m3，最小抵抗线0.8 m，孔距1 m，排距0.8 m；侧壁孔采用预裂爆破的方法，以便有效防护隧道侧壁围岩，以免该部分在爆破过程中受损。

5 高海拔Ⅴ级围岩隧道的安全施工技术

隧道有失稳的情况时，采取喷射混凝土的应对方法，有效加固隧道，也可以辅以架立钢支撑、加设锚杆等相关措施，提升防护效果。尽快施作仰拱和二次衬砌，起到加固的作用，以免出现隧道边墙向内位移的情况。遇断层破碎带隧道时，宜优先采用三台阶七步流水作业法，在此类地质条件下施工时，每循环进尺为1 榀拱架，开挖过程中加强对现场情况的观察，针对异常情况及时采取处理措施。开挖结束后，施作仰拱和二次衬砌。

为了在安全的前提下顺利推进施工进程，开挖宜采取预留核心土环向施工的方法，规范作业行为，禁止随意挖掘，否则会由于施工粗放化、无秩序化而埋下大量的安全隐患。若施工现场以水文条件较好的围岩为主，则以全断面法掘进施工，此时可取得较高的施工效率，除此之外也有助于保障施工人员的人身安全。对于高海拔地区的隧道工程施工，由于氧气稀薄，施工人员的工作负荷加大，施工效率降低，为此应尽可能采取机械化作业的模式，减轻员工的劳动强度，同时机械设备的稳定性较好，可有效抵御外部环境的影响。除此之外，尽可能选择成熟的施工技术以及优质的材料[2]。

若采用爆破法，则需要深入现场做详细的勘察，掌握地形、地质、水文等方面的实际情况，以此为出发点，制订完善的爆破方案，做好原材料及机械设备的准备等相关工作。在爆破时，尽可能减小对岩石的扰动性影响，除此之外，还需避免超挖、欠挖现象，以免额外增加工程量。

若挖掘现场以富水区为主，则需考虑水文条件对施工的影响，配套防水性能较好的机械设备，确保各类机械设备在带水的环境中也能够稳定运行。实际施工中，隧址区的地质条件错综复杂，可能存在含水带以及导水带，在此条件下，开挖过程中易诱发涌水事故，同时有大量的岩屑涌出，严重时导致塌方。若检测数据揭示现场有异常情况，则随即暂停施工，查明实际情况后，采取有效支护措施。例如，用圆木对隧道初期支护进行支顶处理，阻止变形的继续发生，而后采取周壁注浆等相关处理措施[3]。

此外，隧道初支和仰拱的位移量较大时，或是喷层结构完整性不足时（例如，有裂缝），均意味着隧道有异常状况，隧道可能会随着异常状况的发展而发生坍塌，因此，需要及时组织人员及机械设备撤离现场，并采取安全防控措施，主动规避不良影响。待洞内基本维持稳定，各项危险因素均被排除后，方可恢复正常施工状态。

6 结语

综上所述，高海拔地区的隧道工程施工有明显的复杂性，施工人员面临着缺氧、地质条件复杂、施工窗口期短等多重问题。为此，必须综合考虑现场围岩、土层、气候等自然条件，选择合适的施工技术，制定安全可靠的施工措施，营造安全的施工环境，在此前提下高效推进施工进程，保证工程品质。