不良地质条件下隧道洞身开挖施工关键技术

韩丛

（中铁二十二局集团市政工程有限公司，广州 510800）

1 引言

隧道建设期间可能遇到各类不良地质条件，隧道围岩的稳定性难以得到保障，轻则拖慢工期，重则诱发质量问题乃至安全事故。为顺利推进隧道工程的建设进程，需从现场不良地质条件出发，采取适宜的施工技术，因此，围绕关键施工技术进行探讨具有必要性。

2 工程概况

玉磨铁路南联山隧道位于西双版纳—飞龙区间，设计时速160 km/h，隧道进口接路基，出口接飞龙车站，车站布置进入隧道693 m。除出口段693 m 为双线隧道外，其余段为单线隧道。隧道进口里程DK368+800，出口里程DK378+650，全长9 850 m。隧道最大埋深250 m。隧址区地层岩性以围岩、辉长岩、闪长岩为主，隧道穿越山体为低缓丘陵，进出口端均分布软岩。隧道支护采用复合式衬砌结构，集锚喷支护和模筑混凝土于一体。

3 病害描述

工程资料显示，隧道左洞上台阶开挖至DK369+280.2，仰拱开挖至DK369+267 时，断面的初期支护变形量异常增加，断面拱顶下沉速度由1～3 mm/d 迅速增加至5～10 mm/d，且DK369+267～DK369+280 初期支护结构存在多条宽度为1～10 mm 的环向裂缝，结构完整性受到影响，下台阶右侧拱腰有一条宽5 mm 的纵向裂缝。支护结构表现出变形、开裂等问题，支护效果变差，存在质量隐患和安全隐患。

4 病害成因分析及临时处治措施

4.1 病害成因分析

初期支护变形、开裂是多因素共同作用的结果，主要原因有以下3 点。

1）隧址区的岩质较软，隧道开挖后，周边围岩应力增加并向内释放，出现塑性变形。隧道开挖采取的是2 台阶弧形导坑预留核心土法，上台阶钢支撑在下台阶开挖时呈悬空的状态，初支和围岩均有大幅度的变形。台阶较长，难以在短时间内完成仰拱的施工作业，受此影响，未快速将支护系统闭合成环，部分结构所承受的荷载超出其许可范围，出现破坏性变形。

2）隧道进口段存在软岩，且地形有较大的起伏。拱顶围岩属软质岩，开挖后拱周有明显的塑性变形，围岩的状态由稳定转变为松动，产生变形压力并作用于初期支护，不利于初支的稳定性。洞身深埋侧主动土压力作用较强，受此类力的作用，钢支撑向浅埋侧移动。初期支护在浅埋偏压的特殊条件下需承受较强的应力，力的不良影响作用于深埋侧拱腰喷射混凝土，导致此部分结构因应力作用而被压裂[1]。

3）初期支护变形、开裂病害出现时正值雨季，地表水下渗现象持续发生且具有较大的下渗量，上覆松散层孔隙水增加，水的侵蚀作用迫使拱顶围岩软化，围岩自承性能降低。

4.2 病害的临时处治措施

在发现病害后，随即增加监控断面，并加大量测频率，以便及时掌握最新的病害信息，主动防控；联合采取增设临时仰拱、补喷混凝土等方法，用于加强初期支护、稳固围岩。

对掌子面喷混凝土封闭；对裂缝部位喷射混凝土，厚度约为3 cm；针对DK369+267～DK369+280.2 段病害较为严重的情况，在此段上、下台阶处设I20a 工字钢钢架，形成临时仰拱，连接至上台阶拱腰和下台阶拱脚，具体如图1 所示。

图1 病害临时处治示意图

针对下台阶DK369+267～DK369+274.2 段内、外侧拱腰做加强处理，采用的是打设小导管并注浆的方法，取长度为3.5 m的φ45 mm×4 mm 注浆小导管，按照0.6 m 的间距在内外侧拱腰打设2 排小导管，拌制水泥-水玻璃双液浆，以0.2～0.5 MPa的压力进行不少于10 min 的注浆处理，加固初期支护结构[2]。

5 洞内施工关键技术

5.1 开挖工法的选择

经过病害的临时处治后，病害发生段围岩保持稳定状态，在此基础上优化开挖方法，保证后续施工的有效进行。开挖工法的选择属于首要任务，现阶段浅埋隧道的开挖方法包含三台阶七步法、中隔壁法、双侧壁导坑法等，具体根据现场施工条件和工程要求而定。在本工程中，隧道施工现场的地质条件较差，开挖范围内分布大量的软岩，在兼顾施工安全性、质量可靠性、工期、造价、最新开挖工法与原开挖工法的衔接等因素后，以上、下台阶法进行剩余部分的开挖，如图2 所示。

图2 上、下台阶法施工步序图

隧道开挖须在必要的超前支护完成后进行。上、下台阶法主要施工步骤为：（1）开挖上台阶1；（2）拱部初期支护Ⅰ；（3）左右交错开挖下台阶（2、3）；（4）下台阶边墙初期支护Ⅱ。

上台阶长度10～15 m，高度不大于5 cm，并根据围岩情况灵活调整，开挖循环进尺控制在1～2 榀钢拱架的距离。初期支护紧跟开挖面，严格控制装药量。

台阶法施工要点如下。

1）台阶不宜多分层，上下台阶之间的距离尽可能满足机具正常作业，并减少翻渣工作量；当顶部围岩破碎，需支护紧跟时，可适当延长台阶长度。

2）施工时应先护后挖，宜采用超前锚杆或超前小钢管辅助施工措施。开挖应尽量采用微震光面爆破技术。

3）初期支护应紧跟开挖面；上台阶施工时，钢架底脚宜设锁脚锚杆和纵向槽钢托梁以利下台阶开挖安全。下台阶在上台阶喷射混凝土强度达到设计强度的70%后开挖。

4）隧道两侧的沟槽及铺底部分应和下台阶一次开挖成型。

5）台阶分界线不得超过起拱线，上台阶长度不得大于30 m，下台阶落底长度不大于2 榀钢拱架的长度，应一次落底，并尽快封闭成环。

6）台阶长度不宜过长，应尽快安排仰拱封闭成环，改善初期支护受力条件。

7）严格控制每循环进尺在2.0 m 以内，尽量减少对围岩的扰动；开挖成形后应及时进行初期支护，确保工序衔接，当地层变差时，应随时喷射早强混凝土封闭工作面；施工过程中对围岩及支护结构进行位移及应力量测，以便监控稳定状态。

5.2 开挖进尺及顺序

1）开挖进尺过小，开挖效率低，临时支护工程量增加，材料、人力等方面的成本攀升；开挖进尺过大，难以保证拱顶覆土的稳定性，严重时发生塌方事故。因此，根据适中的原则控制开挖进尺，具体以埋深、围岩等级、工期等为参考予以确定，兼顾安全、开挖效率多项要求。开挖前，采取超前支护措施，为开挖创设良好的条件；开挖后，初喷3～5 cm 混凝土，设锚杆、钢筋网片，搭建钢拱架，复喷混凝土。

2）合理的开挖顺序是保障开挖安全、提高效率的重要前提。在本隧道工程中，首先开挖的是浅埋侧导坑，原因在于先对此部位进行开挖时可维持结构受力的稳定性以及减小围岩变形。因此，先开挖左洞隧道浅埋侧导坑，同时此部分与右洞错开距离需达到隧道跨径的2 倍或适当增加，经计算以30 m左右较为合适，经过浅埋侧导坑的开挖后，再进行其他部位的开挖[3]。

5.3 支护结构设计

为使隧道浅埋软岩段围岩维持稳定以及确保隧道建成结构的安全可靠性，综合考虑量测分析结果和类似地质条件下的隧道施工经验，经技术可行性分析后拟采用加固初期支护和加强超前支护等措施。对原施工方案进行参数优化，预留变形量由12 cm 增加至18 cm，超前支护注浆小导管、中空注浆锚杆的长度分别由4.0 m 增至4.5 m、4.0 m 增至4.5 m，每隔1榀布置1 环超前小导管，相较于原设计方案而言具有加密的变化；锁脚锚杆不再采用每榀8 根φ22 mm 药卷锚杆的布置方法，取而代之的是每榀设12 根长度均为4.5 m 的φ45 mm的锁脚锚管；钢筋网片为双层，以加强应用效果；其他作业方式及具体参数保持原设计不变。

5.4 其他措施

为全面保障不良地质条件下隧道的开挖安全以及提高开挖质量，还采取如下措施。

1）加强对施工工序的协调，现场开挖后随即以喷射混凝土的方法封闭掌子面，缩短掌子面暴露至环境中的时间。混凝土固结后，限制围岩变形、提升掌子面的稳定性，保障施工安全，以便工程后续施工活动的顺利进行。

2）对围岩预加固，以提高围岩的自承性能，方法为布设超前注浆小导管并进行注浆，随着浆液的固结，围岩得到加固处理；与此同时，注浆过程中浆液发生流动，具有封堵地表水下渗路径的效果，以免围岩由于水的侵蚀而发生软化，在此方式下，较好地规避塌方、冒顶等事故。

3）为及时掌握现场施工情况，适当增加监控断面的数量，提高监控量测的频率，断面布设间距取5～10 m，具体可视实际情况适当加密。对于可能出现大变形的部位，要求每断面设11个测点，布设测点后加强观测，开挖后的1 个月内以每日2 次的频率进行观测，根据观测数据纵向分析围岩的变化趋势，判断稳定的稳定状态，一方面针对当前围岩采取加强防护措施，另一方面优化后续的施工方法，保证施工的有效性。

4）病害发生部位普遍分布地表水或地下水，同时围岩裂隙发育，为水的流动提供了通道，水到达衬砌结构时对其产生侵蚀作用，随着时间的延长，隧道有不同程度的渗水现象，结构的稳定性下降。为保障隧道的安全和稳定，需采取防排水措施。例如，初期支护面有严重的渗水现象时，在此部位埋设φ2 cm 的透水软管，用于将支护面的渗水引流至衬砌背后墙角外侧排水管，避免支护面遭到水的侵蚀。

6 结语

综上所述，隧道施工条件复杂，可能遇到浅埋、软岩等不良地质，同时受到地下水、降雨等水文条件的影响，若施工方法不合理，易发生结构严重变形、塌方冒顶等问题，严重威胁施工人员的人身安全。本文结合具体工程实例，针对隧洞开挖过程中支护结构表现出变形、开裂等问题，采取增加监控断面，并加大量测频率，以便及时掌握最新的病害信息，主动防控；联合采取增设临时仰拱、补喷混凝土等方法，以加强初期支护、稳固围岩，最终在安全的环境中顺利完成隧道开挖作业，提高隧道工程的施工质量。