不良地质和瓦斯综合影响下的隧道施工方案

任海鹏

（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、围岩维护成本提升等系列问题[1-2]。如果巷道内瓦斯等有害气体集聚，隧道施工的安全风险更为突出[3]。为了有效保证在不良地质条件及有害气体侵蚀下隧道的安全稳定施工，必须提升工程施工的安全管控，采取更为合理可靠的技术对策，强化隧道施工的安全技术管理，提升隧道承压能力，有效封堵和外排有害气体，保证隧道施工的平稳有序开展，以及后期运营的安全[3-6]。

1 工程概况

某隧道全长4 373 m，施工里程为DK94+360-DK98+733。隧道进口段位于半径8 000 m 的左偏曲线上，其余段落位于直线上。隧道纵坡为“L”字坡，进口至出口依次为140 m 的25‰下坡，1 250 m 的29‰下坡，2 150 m 的25‰下坡，833 m 平坡。最大坡度29‰。隧道进口海拔约956 m，出口海拔约908 m。平行导坑位于隧道线路前进方向左侧，平导与线路左线线间距为30 m。平导起始里程PD97+980=正洞DK97+980，终点里程为PDK98+826，全长846 m。平导采用单车道运输，内净空尺寸为5 m（宽）×6 m（高）。洞身设2 处错车道，错车道内净空尺寸为7.5 m（宽）×6.2 m（高）。该隧设置1 平导的辅助坑道方案，按进口、出口平导2 个工区2 个工作面组织平行施工。隧道穿越地层为粉砂质页岩、凝灰质砂岩、炭质页岩等。地质构造复杂，不良地质为重力不良地质（危岩落石、岩堆、滑坡、岩爆、边坡顺层），且为低微瓦斯隧道，安全风险高，施工难度大，是本标段的重难点工程。

2 施工方案及安排

隧道施工按照新奥法组织施工，但为了保证隧道施工的安全稳定，将超前的地质预测预报工作作为工艺施工的首个环节，并坚持以地质探测和预报为前提、新奥法施工为主、强化现场监测监控为依据的施工原则，并基于此构建科学完善的信息化施工管理体系，通过对信息、数据的综合分析和处理，实行动态管理信息化施工。隧道工程施工一般流程：①进口工区，斜井洞口天沟→斜井洞口边仰坡→斜井洞口大管棚套拱施工→斜井洞口大管棚→DK94+360～DK96+825 段。②出口平导工区，平导洞口天沟→平导洞口边仰坡→平导洞口抗滑桩施工→平导洞口大管棚套拱施工→平导洞口大管棚→暗洞PDK98+826～PDK98+380 段→2#横洞（挑顶）→车站大跨断面DK98+350～DK98+290 段（PDK98+380～PDK97+980 段）→车站大跨断面大里程方向DK98+350～DK98+733 段→小里程方向DK98+290～DK96+825 段（1#横洞）。强化环节管控、重点管控，突出施工主线、以点带面兼顾，对隧道施工的整体程序和流程进行更为科学合理的设计安排。

采用钻爆法和机械开挖施工。明洞段施工均采用明挖法，暗洞段均按新奥法组织施工。按大型和常规机械化配套组织，根据围岩类别和地质情况采用台阶法、台阶法加临时仰拱法、双侧壁导坑法。采用风动凿岩机钻孔爆破和机械开挖，湿喷机械手喷射混凝土，拱架多功能台架安装拱架，装载机和挖掘机装渣，大型自卸汽车出渣；仰拱及填充采用自行液压仰拱栈桥施工工装；防水板采用防水板铺设台车铺设、二衬混凝土采用二次衬砌智能台车施工，自动喷淋养护作业台架与雾炮养护，组成钻爆、装运、喷锚支护、衬砌等机械化施工作业线。

2.1 台阶法开挖

1）为了减少对不良地质影响下围岩的施工扰动，首先采用弱爆或人工风镐支的方式对①部进行开挖施工，并对断面进行混凝土喷筑和支护。安装时必须设置垫板，垫板应与基面密贴施作→下一循环超前支护（适用超支护情况）。

2）①部施工完成后，分段施工②部，工艺采用同上述方法。

3）一般情况下，锁脚锚杆（管）施作角度为20～60°，根据监控量测情况，当向沉降较大时取大值，当水平收敛较大时，取小值。

4）采用同样弱爆破的方式施工③部，并进行混凝土喷筑。

5）①②③部施工完成后，持续推进隧道开挖，待开挖一定距离后，开始对前段弱爆破施工断面进行仰拱和边墙基础施工，完成隧道设计全断面开挖、注浆和支护。

6）根据监控量测分析，确定二次衬砌施作时机:施工防排水工程；一次性灌筑Ⅳ部（拱墙）衬砌。

台阶法工序横断面示意图如图1 所示。

图1 台阶法工序横断面示意图

2.2 三台阶加临时横撑法开挖

1）按照台阶法施工工艺完成相应台阶施工和支护。

2）弱爆破开挖②-1→施作②-1 部初期支护:初喷混凝土，铺钢筋网。架立钢架（设锁脚锚杆），复喷至设计厚度。①部②-1 部系统锚杆在喷射混凝土完成后及时施作，安装时必须设置钢板，垫板应与基面密贴。施作临时横撑:架设I18 临时横撑A（每2 榀初支钢架设一处）。

3）同②-1 部施工工序，开挖及支护②-2。①部及②-2 部系统锚杆在喷射混凝土完成后及时施作，安装时必须设置垫板，垫板应与基面密贴。施作临时横撑:架设1I18 临时横撑A（每2 榀初支钢架设一处）。

4）一般情况下，锁脚锚杆（锚管）施作角度为20～60°，根据监控量测情况，当竖向沉降较大时，取大值，当水平收敛较大时，取小值。

5）弱爆开挖Ⅳ部→施作Ⅳ部仰拱初期支护。

6）对支护后的围岩进行监测监控，通过监控量测数据进行分析控制拆除临时横撑的时间。

2.3 双侧壁导坑法开挖

1）以上一循环的超前支护已经施工到位为前提，按照台阶法施工顺序弱爆破对①部进行开挖施工，并对①部导坑围岩进行支护提升应力支撑，必须严格按照工艺施工流程确保钢筋网、钢架、混凝土喷筑等各项流程按照设计施工到位，系统锚杆在喷射混凝士完成后及时施作，安装时必须设置垫板，垫板应与基面密贴。

2）为了保证施工的稳定性，①部施工完成后持续进入下一循环，待超前①部施工与现有循环拉开一定距离后，进行②部断面开挖施工，采用开挖方式和支护方式同①部，系统锚杆在喷射混凝土完成后及时施作，安装时必须设置垫板，垫板应与基面密贴。

3）以此类推，②部施工完成后持续进入下一循环，待超前②部施工与现有循环拉开一定距离后，进行③部断面开挖施工，采用开挖方式和支护方式同①部，系统锚杆在喷射混凝土完成后及时施作，安装时必须设置垫板，垫板应与基面密贴。

4）上述3 部完成施工后，按照顺序依次对Ⅳ部、Ⅴ部、Ⅵ部仰拱区域进行施工并进行支护和临时加强支护，待隧道开挖持续推进至一定距高后，根据现场监测监控结果及围岩支护强度对临时支护的钢架等进行拆除，并进行混凝土浇筑。

5）对支护后的围岩进行监测监控，通过监控量测数据进行分析控制拆除临时横撑的时间，并根据现场条件进行防排水工程施工，以及全断面混凝土浇筑。

6）一般情况下，锁脚锚杆（锚管）施作角度为20～60°，根据监控量测情况，当竖向沉降较大时，取大值，当水平收敛较大时，取小值。

2.4 围岩量测

应根据该隧道施工所处的施工地形地质条件、选用的支护方法，已经施工工艺等因素进行综合考虑，所选择的监控量测项目主要包括：洞内、外的巡查测量，围岩注浆前的净空变化，隧道围岩变形量，沉降缝两侧底板的沉降变化以及洞口段与隧道过渡段存在的不均匀沉降变化观测等，见表1。

表1 监控量测项目

量测断面间距及断面布置，主要参照围岩级别进行选择，并根据现场施工条件进行适当间距缩小，但每个断面选择后，量测点的布置均满足一个拱顶下沉测点和一条水平净空收敛量测基线（台阶法开挖时，在拱脚以上0.5 m 加测一条）。各项监测项目的量测频次，根据监测项目的变化速度以及现场隧道开挖进度进行综合考虑确定。为了确保量测信息的及时获取，选择先进的无接触围岩量测技术，并对数据进行及时记录和分析，并判断量测项目的变化值是否超出阈值，是否需要进行及时支护或工艺调整，与此同时，根据观测数据结果，绘制相应的围岩变形时态曲线，应力分布图、孔隙水压力曲线等。

监控量测信息反馈应根据量测数据分析结果，对工程安全性进行评价，并提出相应工程对策与建议。监控量测信息反馈方法采用经验类比法或理论分析法，施工现场以经验类比法为主，重要工程综合以上2 类方法。信息反馈应以位移反馈为主，主要依据时态曲线的形态对围岩稳定性、支护结构的工作状态、对周围环境的影响程度进行判定，验证和优化设计参数，指导施工。工程对策主要包括：稳定开挖工作面措施；调整开挖方法；调整初期支护强度和刚度并及时支护；调整不同围岩的预留变形量；降低爆破振动影响；围岩与支护结构间回填注浆；辅助施工措施为地层预处理，包括注浆加固、降水等方法；超前支护，包括超前锚杆（管）、管棚等。

3 低瓦斯隧道施工

3.1 超前地质预报

受隧道开挖围岩扰动影响，岩层中赋存的瓦斯向隧道施工的有限空间内释放，瓦斯的超前探测和预报工作应当从时间上、空间上动态进行，对围岩内瓦斯的赋存情况及不良地质体存在等进行管控。低瓦斯隧道应按先探后掘的原则组织施工，将煤层及瓦斯超前地质预报纳入施工工序进行严格管理，根据预报成果动态调整设计、施工方案。低瓦斯工区超前地质预报应以地质调查法为基础、超前钻探法为主，结合物探、洞内地质素描、参数测试等进行综合超前地质预报。

3.2 隧道开挖

隧道通过低瓦斯地层的原则：加强通风、快喷锚。隧道通过有瓦斯溢出地层，采用台阶法开挖，保证每次开挖面积小，瓦斯溢出量不大，开挖轮廓能够迅速得到支护。

1）低瓦斯工区钻孔作业应符合下列规定：开挖工作面附近20 m 以内风流中瓦斯浓度必须小于1%；必须采用湿式钻孔；炮眼深度不宜小于0.6 m。

2）低瓦斯工区采用电雷管起爆时，严禁反向装药，采用正向连续装药结构时，雷管以外不得装药卷，瓦斯区段炮眼封泥必须使用水炮泥。

3）瓦斯区段爆破严禁使用导爆管或普通导爆索、火雷管，应使用煤矿许用瞬发电雷管、煤矿许用毫秒延期电雷管或者煤矿许用数码电雷管，低瓦斯区段的岩层掘进应使用不低于三级的煤矿许用炸药。

3.3 通风

隧道出口平导工区采用压入式通风，设2 台SDF（C）-NO12.5 型轴流风机，配以Φ1 800 mmPVC 拉链式软风管，风管软质双抗（抗燃烧、抗静电）风管，并预留置1 台SDF（C）-NO12.5（110 kW）型轴流风机备用，通风中还选用了2 台K125-4P 型射流风机。根据通风设计要求，以及消除污风循环等，通风机安装在洞口外距离30 m 左右的位置，并且设置专人对通风机及周边范围进行维护，确保风机良好运转。另外，为了保证有效通风，瓦斯隧道内的通风机必须设置两路电源，并设置风电闭锁，确保在一路电源断电的情况能够保证短时间内另一路电源接替供电。

3.4 瓦斯检测

为了保证瓦斯检测的准确性，采用人工与自动相结合的检测方法。人工检测由专职瓦斯检查员执行检查瓦斯，专职瓦斯检查员必须现场使用专用检测设备同时对隧道内的甲烷含量及二氧化碳含量进行检测，并做好检测记录。同时，在隧道内安置自动检测系统，能够实现对隧道有限空间内有害气体、通风情况的实时监测，并做好有害气体超出阈值的预警，并将监测数据实时传输至主控计算机进行实时分析。

3.5 低瓦斯隧道支护及衬砌

1）低瓦斯区段开挖后应及时喷锚支护，在软弱破碎岩层或煤层中掘进，宜加强初期支护、超前支护，防止坍塌。

2）瓦斯区段钢架宜采用装配式钢架；二次衬砌主筋宜采用绑扎或套筒连接，其余钢筋可采用绑扎连接。

3）瓦斯区段二次衬砌施工工艺、养护应满足下列要求：拱墙衬砌混凝土应采用模板台车，拱墙一次整体连续浇筑完成；仰拱施作应各段一次成型，不得分幅浇筑；混凝土应分层对称、边浇筑边振捣，应采用机械振捣；二次衬砌应预留注浆孔，二次衬砌完成后应及时注浆，充填空隙，封闭瓦斯；二次衬砌混凝土浇筑后应根据气候条件进行养护，养护时间应满足强度要求。气温低于5℃时不得洒水养护。

4 结束语

不良地质段及低瓦斯隧道施工，施工工序较正常隧道施工复杂，难度高、危险性大，为此要提升安全管理要求，坚持隧道施工的超前地质预报，及时掌握不良地质段特征及瓦斯溢出量，尽可能采取对原有地构扰动小的施工工艺，强化有效通风，对已施工区段进行有害气体监测和围岩稳定性监测，做好地质灾害和有害气体超标应急预警管理。