地质异常区隧道正洞大变形施工方案

马时坤

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100000）

隧道施工受区域地质条件、水文地质条件等影响较大，当隧道设计埋深较大、隧道施工穿越应力集中区、软质岩体和破碎带以及其他地质异常区时，容易造成隧道围岩加大变形，断面成型较差等现象，导致隧道施工质量下降、施工进度缓慢、施工困难增加和围岩维护成本提升等系列问题[1]。为了有效解决隧道穿越特殊地质带引发的变形问题，近年来国内外学者及各施工单位进行了多方面的研究和实践，针对性地提出了若干解决办法，并取得了显著成效[1-4]。但因施工条件不同，方法的运用和方案设计有所不同，且随着我国交通网络的不断扩张，施工环境也随之不断变化，为此，基于工程实践对隧道大变形施工方案进行进一步探讨具有重要意义。

1 工程概况

某铁路隧道位于四川省，地处岷山中高山区，山高坡陡，沟谷纵横，地表植被发育，海拔在3 586～4 250 m，相对高差约664 m，最大埋深约570 m，隧道上方植被发育，地表多为草甸和灌木覆盖，基岩露头稀少，设计为双线隧道，隧道内为10‰、25‰的单面上坡。隧道起讫长度5 857.98 m，位于摩天岭东西向构造带与热务河旋卷构造之复合部位西北侧，玛沁-略阳断裂与秦岭地槽褶皱系分界，区内主要为巴颜喀拉冒地槽褶皱带，位于褶皱系北部，构造对于本隧影响相对较小，洞身通过地段接力裂隙较发育，构造不发育。地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水，富水性分区主要为弱富水区。其中：Ⅲ级围岩300 m、Ⅳ级围岩4 578.6 m、Ⅴ级围岩979.38 m；斜井长度1 138 m，其中Ⅳ级870 m、Ⅴ级268 m。主要不良地质主要为极高地应力：隧址区地质构造简单，埋深大，地应力集中，部分段落存在高地应力现象，软质岩体可能产生大变形，硬质岩体可能会发生岩爆，正洞存在大变形风险围岩。根据现场地质条件及图纸设计，隧道大变形范围合计310 m。

2 施工方案设计

根据地质条件预判，对隧道施工过程中围岩可能会发生大变形的区域采用三台阶临时横撑工艺进行施工，在施工过程中严格按照新奥法的施工要求进行组织，采用“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的施工技术措施，正线大变形措施采用三台阶（短台阶）+临时横撑快速封闭成环法施工，上下台阶底部设置横向临时横撑，采用I18 轻型工字钢钢架，纵向结合正洞钢架，每2 榀钢架设置1 处。

2.1 及时有效地做好超前地质预测预报

根据已有的地质资料进行分析，当隧道施工位置进入预报区域后，必须及时全面地对所开挖隧道区域的地层岩性进行研判分析，对变化区域进行定期监测，并采用钻探工艺对隧道开挖前方、围岩四周的岩性变化情况进行探测和分析，根据地质资料分析以及钻探验证结果及时调整优化施工工艺，并制定相应的应急措施。

2.2 强化隧道围岩支护

为有效控制因地质异常发生的围岩变形，采用超前支护和初期支护等方式对围岩进行主动支护，提升隧道整体的应力支撑强度，有效提升隧道围岩的稳定性，保证工程施工的安全。初期支护参数严格按照设计参数施工，并且依据实际开挖地质条件及时与设计单位沟通协调，确保隧道结构的稳定。

3 施工方案实施

3.1 三台阶+临时横撑施工工艺

三台阶+临时横撑法施工工艺流程，如图1 所示。

图1 三台阶+临时横撑法施工工艺流程

1）将隧道断面施工分为3 个台阶，首先进行上台阶开挖施工，并做到循环进尺和超前支护相辅推进，并对上台阶的围岩进行初期支护及混凝土初衬，利用钢架对上台阶开挖断面进行临时支护，并及时跟进锚杆支护及断面二衬。

2）中部台阶施工与上台阶施工不能同时施工，而是待上台阶开挖深度与中部台阶开挖深度达到一定距离后进行，并接续长钢架，其他工序施工与上台阶施工工序一致。

3）参照上述上台阶和中部台阶施工工艺，待中部台阶开挖深度到适当距离后，开挖下台阶，并完成相应围岩支护。

4）三台阶施工完成后，开挖4 部仰拱，并参照上述工艺完成初期支护并完成混凝土灌注。

采用三台阶施工法隧道不能一次成型，所以各台阶及仰拱施工都应注重隧道洞身的整体性，并且尽量减小对隧道围岩的扰动，为此，各台阶及边墙的施工工艺选择一定要合理稳定。上台阶作为首台阶施工，对围岩的扰动最大，施工采用人工风镐支或弱爆破，中部、下台阶施工采用挖掘机或者控制爆破方法，以此来减少对围岩的开挖扰动，台阶完成后的边墙施工尽量采用人工风镐或弱爆破工艺，并且每次仅对一侧边墙进行施工，严禁边墙施工的平行作业，且严格控制边墙施工距离。同样，仰拱施工也采用一次短距离开挖的方式，而在地质条件较差的区域，应当预留一定厚度进行人工开挖，并且做到开挖后第一时间支护、封闭、施作钢架支护，并加强围岩变形监测、勤排水。

3.2 隧道洞内小导管施工

小导管采用无缝热轧钢管制作，为了便于施工，采用外径Φ42 mm、壁厚3.5 mm 的无缝热轧钢管，钢管长度4.5 m，导管前段加工成尖锥状，尾部焊Φ12 加劲箍。管壁四周按10～20 cm 间距梅花形钻设Φ6 mm～Φ8 mm 注浆孔，尾端100 cm 范围内不钻设花孔，作为止浆段，如图2 所示。小导管的施工采用钻孔打入法，且按照隧道断面从上到下依次布设施工，导管数量及布设范围和间距根据区域地质条件和隧道自身稳定能力进行及时调整，而到导管与隧道纵轴线之间的角度应当以导管设计长度以及钢架间距进行综合考虑，外插角（与隧道纵轴线的夹角）取值应考虑小导管的长度和钢架的间距，一般外插角为10～15°，长度为4.5 m，纵向3.2 m 一环，每环27 根，环向间距40 cm；小导管应同钢架配合使用。安设完成后，需对导管进行压水试验，以便确定注浆参数，从而根据配比制作浆液，注浆过程中应注意注浆压力和注浆顺序，并及时调整注浆浆量、浆液配比、注浆压力等，当采用单液水泥浆时，开挖时间为注浆后8 h，采用水泥－水玻璃浆液时为4 h，开挖过程中应检查浆液渗透及固结状况，并根据压力-流量曲线分析判断注浆效果，及时调整预注浆方案。

图2 小导管的加工示意图

3.3 隧道初期支护施工方法及工艺

隧道初期支护由挂钢筋网、喷射混凝土、型钢拱架、拱部树脂锚杆和边墙砂浆长锚杆、拱墙径向孔口管组成。

1）砂浆锚杆施工，如图3 所示。采用先插杆后注浆工艺，为提高隧道边墙砂浆锚杆施工速度及锚杆锚固质量，主要从以下3 个方面开展：提高锚孔成孔速度；加快锚孔封闭锚固剂凝结，提高锚固剂的早期强度；加快锚孔水泥砂浆凝结，提高水泥砂浆的早期强度。速凝型水泥卷锚固剂的凝结时间为4～10 min，0.5 h 抗压强度大于等于9 MPa，24 h 抗压强度大于等于25 MPa。在锚孔口采用速凝型水泥卷锚固剂封闭0.5 h 后，可安装垫板及螺母，从而大大缩短了砂浆锚杆锚固安装时间，提升了锚杆施工速度。

普通砂浆锚杆采用螺纹钢筋现场制做，系统锚杆呈交错形布置，一般情况下系统锚杆应沿隧道开挖轮廓线径向布置，但必须注意，锚杆与岩体主结构面、岩层层面平行或交角太小，锚固效果较差，锚杆的组合拱作用效果不好；成大角度布置，可以把不利结构面或岩层“串”在一起，共同参与工作。砂浆钢质锚杆作为系统锚杆，其杆体全长外裹水泥砂浆的主要作用有2 点，其一是起胶结作用，传递荷载；其二是阻止或延缓锚杆杆体腐蚀。锚杆杆体设对中支架，可固定锚杆杆体与锚孔孔壁的位置关系，保证杆体外裹砂浆厚度，是砂浆锚杆杆体防腐的重要措施之一。

2）预应力中空锚杆施工。施工的主要流程包括：施工前的准备，按照设计现场测量放线、钻孔施工、锚杆安装、预应力施加和相应锚具安装、水泥砂浆灌注、锚杆与钻孔的密封度和无损检测。根据设计要求初始预应力值，使用扭力扳手施加预应力。采用专用螺旋砂浆泵进行注浆，注浆作业通过中空锚杆的底部注浆管进行，锚杆内浆体上部空间进行排气，待锚杆内浆体灌注至中部孔道后停止注浆，在此过程中要时刻注意注浆压力和浆体流量，并做出及时调整，以免发生注浆管爆裂等情况，预应力中空锚杆在拱部144°范围均匀布设。

3）隧道围岩混凝土喷筑采用湿喷技术，如图4 所示。而在湿气较大或围岩含水量较大的区段采用潮喷技术，为了保证混凝土喷筑质量和厚度，喷筑过程分为一衬和二衬，且每次混凝土喷筑都应当按照由拱顶至两壁、由上到下、分段分片分层，以及无水到多水分区的顺序进行。为了保证混凝土喷筑的质量，应当从混凝土的配比、喷筑工艺等多种因素进行综合考虑，降低混凝土喷筑后的回弹率，边墙和拱部的回弹率分别控制在0.15 和0.20 以下，并且在喷筑过程中根据经验总结及时优化调整各项参数，以便更好地控制回弹率，保证隧道围岩面的平滑度及隧道整体质量。

图4 喷射混凝土施工程序图

减水剂的主要作用是减少混凝土的用水量，提高早期强度，由于湿喷混凝土坍落度指标的要求，使水灰比较大，这样水泥水化后多余的水要蒸发，使喷层出现“干裂”现象，从而降低了喷层强度和抗渗性，因此在拌合混凝土时一般要掺入高效减水剂，使湿喷混凝土在加水量较小的情况下，提高其和易性和流动性；防水剂在混凝土拌合物中能与水泥的水化产物作用生成不溶性凝胶，阻塞混凝土的毛细管道，同时该凝胶所产生的微膨胀性还可部分抵消混凝土硬化所产生的干缩；速凝剂的作用主要是当混凝土的料束粘到受喷面后必须尽快凝固，一方面可以防止由于混凝土物料的堆集而呈块状掉落，减少回弹量，从而增加喷层厚度；另一方面是为了发挥喷混凝土的早强作用，尽快形成支护能力，保证结构的安全，使用液态速凝剂；加入硅粉主要是提高混凝土的抗渗性和耐久性。

4）铺设钢筋网。钢筋网采用网格型网片，且钢筋质量应当满足设计要求并经检验合格，而在铺设过程中，为了保证铺设后隧道整体平滑度，钢筋网应当与一衬后的围岩壁面严格吻合，而二衬作业应当将钢筋网进行混凝土全覆盖，且厚度应能满足对钢筋网起到保护层的作用，且二衬作业完成后隧道围岩仍能保持平滑质量。

5）拱架施工。拱架采用型钢钢结构，为了便于施工安装，洞内安装所采用的钢拱架为洞外根据隧道设计提前预制成型，拱架安装后应当与定位系筋、锚杆联接，确保拱架稳定，拱架支撑间以喷混凝土填平。拱架支撑拱脚安放在牢固的基础上，架立时垂直隧道中线，当拱架支撑和围岩之间间隙过大时设置垫块，用喷混凝土喷填。为增强拱架支撑的整体稳定性，将拱架支撑与锚杆联接在一起。为使拱架支撑准确定位，拱架支撑架设前均需预先打设定位系筋。

3.4 隧道结构防排水施工方法及工艺

隧道结构防排水采取“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理、保护环境”的原则，应当对隧道结构进行充分认识，提出最为科学合理、内外完善的防排水措施，而对于不良地质条件且富水性较强的区段，防排水应当采取“以堵为主、堵排结合、限量排放”的原则实施以围岩预注浆固结圈、防排水网络及模筑防排水混凝土衬砌组成的结构体系。

3.5 隧道结构衬砌施工方法及工艺

1）仰拱及仰拱填充施工，应当在二衬前提前完成，即待巷道围岩完成锚杆之后，及时跟进开展仰拱开挖并完成仰拱部分区段的混凝土灌注，使应力支护在最短时间内闭合成环，以便为隧道后续的施工创造更为良好的施工环境。确保仰拱施工缝与二衬施工缝保持一致。仰拱封闭成环时间为掌子面进度，确保仰拱与掌子面安全步距不超，而仰拱断面内分层进行混凝土灌注，应当做好分层断面的衔接和衬砌赶紧连接。

2）二次衬砌施工。二衬前，隧道的其他附属设施、管路等都应当按照设计施工和埋设完成，为了保证二衬结束后隧道围岩表面的整体性，在混凝土喷筑时应当充分考虑可能会出现的麻面、水泡等墙面缺陷，提前制定相应的控制措施，而在完成喷浆后，还应当对墙面进行巡查，及时对表面缺陷进行整改。

4 结束语

为有效防止隧道过地质异常区产生的大变形，除了严格按照施工工艺进行施工以外，还需要强化现场监控量测，作为“新奥法原理”施工的三大要素之一，现场监控量测是复合式衬砌设计、施工的核心技术。对完成复合衬砌施工的区段进行实时有效的监控量测，能够及时准确地掌握不良地质影响下隧道围岩的变形情况以及围岩支护强度等信息，从而对施工工艺选择、隧道施工设计等参数选择的合理性等进行充分评判，以便为施工工艺调整优化提供更为合理的数据支撑。因此，实施隧道信息化动态施工控制，既能达到安全快速施工，又能节省工程造价的目的，为信息化设计与施工提供依据，为修改变更设计、调整施工方法提供科学依据。