复杂地质条件下基于围岩自稳时间的隧道施工技术研究

赵军婷

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

0 引言

我国西北地区受地质构造的影响较大，岩体条件非常复杂，铁路隧道施工的难度很大[1]。传统铁路隧道施工过程中，面对隧道围岩岩体类型多变、裂隙和断层等构造复杂的情况，往往在掌子面开挖过程中，需要不断转换开挖工序[2]。在开挖工序转换过程中难免需要对支护、喷锚、立架等进行同步转换，不仅加大了施工安全风险，还耗费了大量的精力和时间，导致隧道工程建设工期长、工程造价高[3-5]。究其原因，主要是开挖过程中复杂多变的围岩造成较大的施工风险，严重影响了施工的顺利进行。基于此，对复杂地质条件下隧道围岩稳定性进行分析，并对相关施工技术展开研究，有利于确保隧道施工的安全，保障隧道施工的质量。

1 工程概况

我国西北地区在建铁路工程中某隧道全长6627m，最大埋深451m，属于超长超深隧道。并且该隧道区域地质条件复杂，围岩以玄武岩、页岩、灰岩、砂岩及辉长岩为主，在区域地质构造运动作用下，形成了数量众多的各级断层、破碎面、穿插带、入侵岩等。据统计，共计5处大断层和15处小断层，以及其他复杂地质构造体。由此可知，该隧道施工具有典型的复杂地质条件。考虑该工程中地质构造过于复杂，传统的以精准开挖为主不断转换开挖工序的施工方式存在过高的安全风险，需要研究基于围岩自稳时间的隧道施工技术，为工程施工做好准备。

2 围岩自稳时间分析

隧道开挖风险主要在于开挖的掌子面围岩不稳定，容易出现断裂、塌陷、破碎等情况，一般都会采取边开挖边支护的方式进行。考虑作业面需要的空间，在开挖与支护间必然存在时间差，如何高效利用时间，形成连续的、多阶梯的开挖，成为节约工期的关键。为此，进行围岩稳定性分析，就是确定掌子面开挖过程中，围岩能够自稳定的时间，在自稳定结束前采取支护，并最大限度的持续开挖，形成更加高效的隧道施工技术。

隧道围岩自稳时间分析的过程：

（1）进行岩石流变试验，获得不同岩体的力学参数。该工程由某勘察设计院采取钻探取样，并采用GCTS 公司双轴岩石流变仪，依照《岩石流变试验规程》进行岩石流变及蠕变特性试验。

（2）对室内流变仪得到的实验数据采取有限元计算。利用ANSYS 软件对隧道开挖进行模拟。分别对进行围岩模拟、喷射混凝土模拟以及锚杆模拟，采集其中围岩自稳定时间（见表1）。

表1 隧道围岩自稳定时间

通过数据结果很容易发现，强风化玄武岩破坏程度最大，围岩稳定系数最小，其开挖后自稳定时间为4.5h。花岗岩破碎后的围岩稳定性系数较大，其开挖后自稳定时间达到最大14h。为此，确定围岩稳定时间4.5~14h 之间，仰拱初支未闭合成环稳定时间均为15~16h。

3 隧道施工技术分析

3.1 施工方法分析

基于隧道围岩稳定时间的分析结果，可以在围岩自稳定时间内合理选择开挖变换次数少、工期节约的方法进行施工。该工程采用三台阶法进行开挖施工。并模拟验算各工序一次循环时间，进而控制初支封闭时间符合围岩自稳定时间要求。

三台阶法施工时，基于隧道纵断面从上至下依次成三步台阶的阶梯状掌子面，形成上、中、下三个开挖面，有利于施工的高效性，节约工期；并且每一开挖面的初支封闭时间满足围岩自稳定时间要求。

3.2 工序时间分析

总体工序安排是由一次开挖工序不断循环进行的。为此，要具体分析每一次开挖的工序，并优化组合时间，从而合理安排总体工期。

由于工程中可以布设钢架间距0.8m，为此按照1榀、2榀钢架的工序进行。每榀钢架工序一致，分别为：超前支护施工→上、中、下三层台阶开挖→上层台阶扒渣→上层台阶立架、中层台阶扒渣、中层台阶立架、下层台阶扒渣→上层台阶喷浆、中层台阶喷浆、下层台阶立架、下层台阶喷浆→清理断面。其中对应围岩稳定时间4.5~9h 的地质情况，包括强风化玄武岩、破碎砂岩、破碎片岩，按1 榀钢架一次开挖，仰拱封闭时长按15d计算，掘进32m。其中对应围岩稳定时间9～14h的地质情况，包括破碎片麻岩、强风化花岗岩、破碎花岗岩。按2 榀钢架一次开挖，仰拱封闭时长按15d 计算，掘进37m。两者步距均能满足安全要求，其初期支护封闭时间符合围岩自稳定时间。为此，可以计算1 榀、2榀钢架的一次开挖工序时间（见表2）。

表2 一次开挖工序时间

3.3 施工技术要点

一次开挖工序之中，操作的要点在于首尾衔接，过程有机结合，施工流程如图1所示。

图1 一次开挖工序流程图

3.3.1 台阶设置

台阶高度需要满足最低2.8m的要求，因此，下层台阶和中层台阶均可以设计为2.8m，上层台阶则余3.4m。台阶长度从下至上以此减少，下层台阶可设6~18m，中层台阶为4~6m，上层台阶为3~5m。垂直方向的交叉作业隐患，每次作业在中层、下层台阶要考虑横向错开，可以选择纵向错开2~3m，左右至少错开2~3m，过宽的一侧应设置在围岩薄弱处。

开挖钢架设置，该工程选择长宽高分别为4.5m、6m、1.7m，与每层设计高度对比后，满足长时间作业下的人体工程学原理。

3.3.2 施工准备

案例教学法还能实现教学相长。在案例教学中，教师不仅是引导者而且也是学习者。一方面，教师掌握着教学进程，引导学生思考、组织讨论研究，并进行总结、归纳。另一方面，收集案例的过程就是一个学习的过程，教师在教学中与学生共同讨论同一话题，也可以从中获得大量感性材料。教师在课堂上不再“独唱”，既能更合理地利用体力和脑力，也能从中获得一种成就感。

（1）工机具方面，采用Y-28 型风动凿岩机械和高压喷浆设备。因此，要准备好风、水、电及充足原料。

（2）人员方面，按照工序计算后满足现场实际需要，并提前做好岗前培训考核工作，一次开挖人员参考，可以考虑三台阶人员排布，一般上层台阶不少于7人、中层台阶不少于7人、下层台阶开挖不少于3人，共计不少于17人。

（3）测量放线，采用激光型全站仪及标尺，并提前做好超前支护孔位的轮廓线标注及开挖。

（4）超前支护，超前支护对于存在裂隙及破碎的复杂地质条件开挖十分必要。通过小导管注浆的方式，将水泥浆注入软弱地层、岩缝断面及裂隙等，在凝固中加固了围岩自稳定性，进一步提高后续在开挖过程中可能发生的由于爆破、风动凿岩引起围岩自稳定性时间变短的情况，保证施工安全。

3.3.3 开挖操作

正式开挖操作按照一次开挖工序时间依次进行。

（1）同步三台阶的开挖工作，采用爆破方式（弱爆破）形成松动面，使用风动机可以开挖三层台阶处掌子面。

（3）上层台阶立架，上层台阶处扒渣结束后开始上层台阶的立架，需要挖机在扒渣后平整运输通道，然后使用装载机将台架、钢架等器具、材料运输至上层台阶处。

（4）中层台阶处扒渣，在上层扒渣、排危及运输通道清理后，根据中层台阶进度，挖机继续进行中层台阶处扒渣作业，使渣土清理至下层台阶处。

（5）中层台阶立架，挖机在清理完中层岩土后，中层台阶即可开始立架，同时，挖机清理下层台阶。

（6）上层、中层台阶喷浆，在上层和中层台阶扒渣、立架结束后做好喷浆准备，人员撤离至下层台阶处，并开始进行下层台阶处立架。随后开始上层、中层喷浆；在完成下层立架后，转移高压喷浆设备进行下层台阶喷浆。

（7）为一次开挖工序中作业面的操作流程。在该流程中，基本按照上层、中层、下层台阶的顺序分别做好扒渣、立架、喷浆的操作，三层作业同时开始，交叉作业，使得作业面安排更加高效。

3.3.4 断面清理

喷浆过程中难免发生回弹料，造成上层台阶喷浆流至中层、下层的情况，严重时会造成运输通道的不安全性，因此要采用挖机对断面进行清理。为了高效作业，在挖机完成上层台阶断面清理后，在继续进行中层台阶断面清理的同时，使用装载机运输台架至上层，准备开始上层台阶的开挖作业；在挖机完成中层台阶断面清理后，在继续进行下层台阶断面清理的同时，使用装载机运输台架至中层，准备开始中层台阶的开挖作业。最后挖机完成中层台阶断面清理后，继续进行下层台阶断面清理，而这一过程与下一次开挖形成衔接，直到隧道开挖完工。

4 结束语

复杂地质条件下隧道施工技术的选择，要基于安全性和高效性两个方面考虑。西北某复杂地质条件下的隧道施工技术，基于围岩自稳定时间的分析结果，选择了三层台阶开挖方法。该施工方法在一次开挖工序之中，将各工序有机结合，确保施工工艺流程的有机结合，形成首尾高效衔接的作业面。该施工技术在兼顾安全性和施工进度方面，具有十分明显的优势，值得推广应用。