复理石地层浅埋偏压隧道开挖施工方法

李建宝

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300170）

山岭地区隧道施工经常会遇到浅埋偏压的情况，浅埋隧道围岩多松散、破碎；而偏压隧道两侧围岩受力偏差较大。如果浅埋偏压隧道处理不当，极易发生塌方危险，严重威胁人员生命安全，对工程本身也会造成严重的经济损失、工期损失。因此，研究浅埋偏压隧道施工方法具有重要的实际意义。国内学者针对浅埋偏压隧道有很多不同的研究：西南交通大学的牟智恒等[1]通过有限元分析，对台阶法、CRD法、环形开挖预留核心土法进行了比选；李志星等[2]采用双排注浆小导管超前支护、反压回填、控制爆破振动等措施进行浅埋偏压隧道施工；张学强[3]对冰水洪积碎石土地层超浅埋偏压隧道的开挖方案进行了研究。本文对复理石地层浅埋偏压隧道采用悬臂掘进机进行开挖施工介绍。

1 项目概况

1.1 工程概况

黑山共和国 Bar-Boljare 高速公路 Smokovac-Uvac-Matesevo段建设项目第4标段，初步设计左线起讫里程为K31+738.96～K40+866.00，长度为9127.04m；右线起讫里程为K31+808.14～K40+870.871，全长9062.73m。

1.2 工程地质情况

施工区域内均为复理石地层，由多种岩石组成的具有明显韵律层的岩石组合，以泥灰岩、砂岩为主，达到90%，薄层状结构，频繁互层，中间夹杂角砾岩，强风化、节理发育破碎，层理构造，泥质胶结，遇水具有泥化现象。

1.3 浅埋偏压段情况介绍

16号隧道（Pajkov vir隧道）浅埋段里程LK35+035.04～LK35+010.04需要穿越沟谷，进洞238m后出现长度为25m的浅埋段。其中最小覆盖层厚度为7.1m，最大覆盖层厚度13.5m，地表易塌陷、开裂，成洞困难，施工难度大。

2 开挖施工方法

根据主设计，隧道开挖采用台阶法（图1），如遇Ⅴ级或Ⅵ级等较差围岩，则采用环形开挖预留核心土法。

图1 台阶法开挖隧道

2.1 超前地质预报

利用地质雷达进行超前地质预报，对隧道开挖工作面前方地层岩性、地质构造、地下水等地质情况进行探测预报，进一步查清前方工程、水文及不良地质等信息，降低地质灾害发生的几率和危害程度，保证隧道工程质量安全。

2.2 超前支护

项目所在地山体富含大量裂隙水，采用小导管注浆超前支护，将前方开挖软弱围岩进行预固结。通过浆液渗透到周边岩体裂隙，硬化后阻隔裂隙水渗透到隧道开挖区域周围。采用3m长的φ1.5英寸小导管超前支护，施工程序为：施工准备→测量放点→布孔→钻机钻孔→清孔→导入小导管→注浆→检验验收→封孔。

小导管前端封闭并制作成锥形，尾端焊接φ8钢筋加劲箍，防止施工时导管尾端变形。在前部钻注浆孔，孔径6～8 mm，孔距15～20cm，呈梅花形布置，尾部长度不小于30cm，作为不钻孔的止浆段（图2）。

图2 超前小导管制作示意图

为保证小导管的支护效果，减小小导管的插入角，小导管从格栅拱架中间穿过，尾部与格栅拱架焊接在一起（图3）。

图3 超前小导管安装示意图

超前小导管安装完毕后用塑胶泥（水玻璃拌合425水泥）封堵导管周围及孔口。小导管安设后必须对工作面进行喷射混凝土封闭，喷射厚度以10～15cm为宜，封闭范围为开挖工作面及临近开挖工作面3m范围的环向开挖面。小导管安装完成后，旋紧孔口阀，连接注浆管路后进行压水试验。

调查地质情况，按渗透系数确定注浆类型，进行注浆设计。确定浆液配比、注浆压力等注浆参数；通过试验确定或调整注浆半径、注浆压力和单管注浆量。

注浆施工时，注浆压力按分级升压法控制，由注浆泵油压控制调节；浆液先稀后浓、注浆量先大后小；超前小导管注浆压力应符合设计要求，浆液必须充满钢管及其周围的空隙。以终压控制为主，以注浆量校核，当注浆压力为0.7～1.0MPa，持续15min即可终止。

2.3 洞身开挖

传统矿山法开挖常采用钻爆的方式，这种方式存在以下缺点：

（1）造成岩体破裂形成松弛状态，随时都有可能导致塌方，严重威胁施工人员人身安全。

（2）复理石地层的爆破面很难控制，极易造成超挖现象，需要喷混填补，造成严重浪费。

（3）项目位于欧洲自然保护区内，施工过程中对于环保要求极高，钻爆法施工产生的噪声及烟尘都无法满足环保要求。

项目首次在欧洲国家采用XTR260型悬臂掘进机进行开挖施工（图4），其悬臂端切削部位可控性强，有利于控制开挖线，有效的减少隧道超欠挖的情况。利用截割头切削岩体，对周边围岩扰动极小，大大提高施工的安全性。开挖完毕，对开挖轮廓线进行量测复核，确定超欠挖情况。

图4 悬臂掘进机开挖施工

施工时根据实际围岩等级和主设计，严格控制循环进尺，并及时跟进初期支护。循环进尺应根据围岩地质条件和初期支护格栅钢架间距合理确定。Ⅲ、Ⅳa级围岩不宜超过2.0m，Ⅳb、Ⅳc级不宜超过1.5m，Ⅴ不宜超过1.0m。同时持续对洞外地面沉降、拱顶沉降、洞周收敛情况进行监控量测，一旦发现变化异常，则立即停止施工，并根据需要采取回填反压措施，防止出现塌方等安全事故。

2.4 初期支护

拱架安装流程：地质素描→初喷→挂钢筋网片→清理底脚虚渣→安装拱架→安装横向连接筋→挂钢筋网片→复喷混凝土→安装锚杆。

2.4.1 地质素描

一个开挖循环结束，出渣完毕后，首先由地质工程师进行地质素描，确定实际围岩等级，并出具地质素描报告（图5）。

图5 地质素描报告（部分）

在欧洲国家的工程项目，地质素描是一项极其重要的工作：

（1）它是施工单位确定现场地质条件的依据；

（2）它是监理工程师进行签认，进行下道工序的重要依据；

（3）经监理工程师签认的地质素描报告是计量计价的必需资料；

（4）如现场地质条件与设计不一致，地质素描报告和地质对比报告是设计变更及变更索赔的必不可少的资料。

2.4.2 安装拱架和钢筋网片

地质素描结束后，首先对开挖面进行一次初喷封闭，然后安装第一层钢筋网片。使用提前施作好的定位筋固定焊接或绑扎，再把钢筋片焊接或绑扎成网，网片搭接长度不少于2个网格即30cm。

格栅钢架安装在掌子面开挖初喷及第一层钢筋网片铺设完成后立即进行。为保证各节格栅钢架在全环封闭之前置于稳固的地基上，安装前应清除各节格栅钢架底脚下的虚渣及杂物。同时每侧安设2根锁脚锚杆将其锁定，底部开挖完成后，底部初期支护及时跟进，将格栅钢架全环封闭。Ⅴ级围岩应根据实际情况在拱部格栅钢架基脚处设槽钢以增大基底受力面积。

拱架安装完毕后，安装横向连接钢筋，将各拱架连成整体，最后再安装第二层钢筋网片，要求同第一层。

2.4.3 喷射混凝土

钢筋网片安装完毕后喷射混凝土，喷混分段、分层，由下而上，依次进行。喷枪离岩面距离0.6～1.0m左右，喷枪应大致与岩面垂直。每次喷层厚度拱墙以5～7cm 为宜。拱顶以3～5cm为宜。对于涌水量较大的地段可设置排水管将水引出再进行喷射混凝土施工。

2.4.4 安装锚杆

除围岩破碎带采用IBO锚杆外，其余围岩采用砂浆锚杆。砂浆锚杆作业程序是：钻孔→清孔→锚孔检查→注浆→插入锚杆。

钻孔应按照设计定出孔位，其允许偏差为±15cm。钻杆应保持直线，宜与其所在部位的围岩主要结构面垂直。注浆时先将注浆管插至锚杆孔底，然后开始注浆。随着砂浆不断压入孔内，注浆管跟着缓缓退出锚孔，并始终保持注浆管口埋在砂浆内，以免浆中出现空洞。将注浆管全部抽出后，立即把φ25的SN锚杆插入锚杆孔，然后用木楔堵塞孔口，防止砂浆流失。

锚杆安装完毕后不得悬吊重物，待砂浆达到设计强度后，安装垫板和螺母，并用扭矩扳手拧紧（图6）。

图6 砂浆锚杆安装示意图

初期支护完毕，要继续对地表及洞内进行监控量测，确保隧道施工安全，并以此确定防水层及二次衬砌的施工时间。

3 结语

复理石地层浅埋偏压隧道的开挖，遵循浅埋暗挖隧道的“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的“18字方针”。而采用悬臂掘进机取代钻爆法的优点主要有：

（1）大大减少超挖现象，减少喷混量，有利于节约成本。

（2）大大减小对周边围岩的扰动，提高施工安全性和环保性。经监测证实，地面沉降量及拱顶沉降量较钻爆法施工都大大减小。按照欧洲施工要求，需满足月沉降小于4mm时方可施作二次衬砌。因此悬臂掘进机施工法也有助于加快二衬开始时间，缩短工期。