雪山1号隧道洞口多年冻土冰积层施工技术

黄建秋

(中铁五局集团第一有限责任公司 长沙 410000)

1 工程简介

雪山1号隧道位于果洛州玛沁县下大武乡，隧道穿越知亥代山，进口处位于知亥代垭口西北侧山体斜坡坡脚处，出口位于知亥代垭口东南侧斜坡坡脚。

隧址区地貌类型属冰缘水流构造侵蚀中高山地貌，山体呈西北—东南向展布，地形起伏较大。山体坡麓处主要为冰渍堆积物，自然坡面植被发育，向上植被逐渐减少，基岩出露，岩体较破碎，坡面多见寒冻碎屑流。隧道轴线通过路段地面标高4808.05～4401.83m，相对高差约为407m，最大埋深约346m。

高原空气稀薄缺氧、气压低、日温差变化大、降水量受海拔高程影响明显、四季不分明，多年平均气温-4.0℃，极端最高气温25.7℃，极端最低气温-34.9℃，主要降水集中在6～9月份，占全年降水量80%以上。地下水不发育，岩裂隙水主要接受大气降水及冰雪融水补给，在夏季及冰雪融化期间会产生大量渗流出水。冬季气温极低，钻探揭示隧址区最大冻结深度为3.0m。

洞口段围岩主要为冰碛积碎块石，大小混杂，分选差，空隙填充角砾、砂及粉土，呈散体结构，无粘结力，块石间存在架空结构。洞口段埋深较浅，稳定性差，开挖后，初期支护不及时会产生洞顶掉块甚至塌方，侧壁坍塌。

2 总体方案

隧道洞口进洞采用超前大管棚支护，具有超前支护距离较大，形成纵向钢梁作用，可以有效的减小由于围岩自重产生的压力，稳定隧道上方的围岩，并通过预留注浆孔注浆加固，提高围岩自身的稳定性，形成一个拱形的加固圈，为下一步的隧道开挖掘进提供有效安全保障。

隧道洞身开挖和初期支护谨遵新奥法“少扰动，快加固，勤量测，早封闭”的原则，在三台阶七步开挖法的基础上辅以预留核心土等措施，减小对围岩的扰动，将隧道断面分为上、中、下三个台阶减小临空面，各工作面分别错开呈流水线作业，及时封闭成环，有效控制围岩变形，保证隧道结构安全，当发现围岩变形不收敛或其他异常情况时及时采取加强措施。

开挖过程中还需结合围岩情况采取超前长、短管棚注浆、超前小导管注浆、地表预注浆等辅助施工措施，注浆采用水泥浆或双液浆，施工前应进行注浆试验。

3 超前大管棚

超前大管棚施工工艺流程见图1：

超前大管棚的施工质量直接影响隧道进洞施工的顺利与安全，所以必须严格按照设计的施工工艺进行施工，以保证施工质量，并考虑冰积层围岩的情况，施工过程中特别注意以下几点：

(1)对套拱的基础进行了加大底面积和深度的处理，防止护拱出现沉降变形；

(2)套拱内按设计要求安装了三榀钢拱架，严格控制安装精度，用连接钢筋连接牢固后将导向管焊接在钢拱架上，导向管纵向与线路方向一致，外插角为0°～3°，两端与端模抵紧并采取措施使其牢牢固定，堵住管口，防止混凝土入内，导向管与钢拱架之间如有缝隙用钢板垫实；

(3)在套拱往洞内方向的钢拱架上预留连接钢筋，隧道进洞后将套拱与初期支护连接成整体，能有效减小初期支护变形；

(4)冰雪堆积层围岩软弱破碎，管棚间距较小，为避免注浆时发生串孔造成相邻孔堵塞，原则上成一孔就注浆，同时可以让浆液在松散的岩层中进行扩散填充，将破碎的岩层固结，有利于相邻孔在钻孔时减少掉块，避免发生卡钻或掉钻、掉钎现象，有利于加快施工进度；

(5)钻孔采取分区间隔施工，先钻孔施工奇数孔位管棚，待注浆完成后再施工偶数孔位管棚，以便检查奇数孔位注浆效果，若出现卡钻、塌孔时应进行注浆加固后再钻。

图1 洞口大管棚施工工艺流程图

4 洞身开挖及支护

雪山1号隧道洞口冰雪堆积层围岩(如图2和3所示)给隧道洞身开挖及初支带来很大难度，大小混杂，呈松散结构，无粘结力，常常有大块石阻隔在隧道开挖轮廓线上，如发生较大扰动，块石间的角砾、砂、粉性土就发生失稳滑落，最终造成坍塌。

图2 雪山1号隧道右线洞口大管棚 图3 雪山1号隧道右线洞口冰雪堆积层围岩情况

4.1 施工方法

隧道开挖施工采用三台阶七步开挖法，本着先护后挖、短进尺、弱爆破的原则，减少对围岩的扰动，确保开挖和初期支护工作安全、顺利的进行。

三台阶七步开挖法施工应符合以下要求：

(1)以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破；

(2)弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护；

(3)其他分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环；

(4)仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系；

(5)施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；

(6)完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。

施工工艺流程如图4。

图4 三台阶七步开挖法施工工艺流程

4.2 施工控制要点

(1)做好超前支护

隧道开挖支护施工过程中主要的困难就是围岩松散无粘结力、稳定性差，开挖过程中不断滑落、掉块等，形成超挖、空洞，甚至发生塌方，要解决这一问题就要做好超前小导管，在工作面初喷完成且钢拱架架立完成后，以钢拱架为支点打设超前小导管，尾端与钢拱架焊接以增加稳定性，然后注浆加固围岩，注浆采用水泥浆液，水灰比1∶1，注浆压力为0.5～1.0MPa，开挖后拱部基本无渗漏水、无坍塌。

(2)控制好上台阶核心土大小

预留核心土可使隧道断面围岩处于3向应力状态，使隧道结构受力更加均匀合理，能有效降低工作面围岩的松弛范围，显著提高隧道工作面的稳定和安全性能，但不宜太大，留出适当空间方便工人开挖和初期支护施工。

(3)控制好上、中、下台阶长度

三台阶七步开挖法有各个工作面互不影响，呈流水化作业的优点，如图6所示，将中台阶和下台阶的左右侧分别错开，所有工作面同时掘进，但必须控制好各台阶长度，上台阶太长不利于挖机扒碴，太短不利于结构稳定并且影响上台阶施工人员操作空间，中、下台阶太长不利于出碴和初期支护及早封闭成环，太短影响隧道稳定，以上台阶长5m，中、下台阶各6m长为宜，中、下台阶左右侧错开2～3m。

(4)控制开挖进尺

根据围岩地质情况合理确定循环进尺，上台阶每次开挖长度不得超过2榀钢拱架间距。

(5)早封闭

施工过程中做好工序衔接，各工序安排应当紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳，初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在6d左右，有条件时应尽量缩短闭合时间。仰拱紧跟，距上台阶开挖工作面控制在35m左右，铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。

(6)勤量测

加强监控量测工作，根据量测结果，及时调整支护参数和预留变形量，确定二次衬砌施做时间，进行信息化施工管理。

4.3 初期支护变形较大时的应对措施

新奥法旨在利用围岩自身的稳定性，应用“先柔后刚，以柔克刚”的理念，即开挖后首先进行柔性支护，释放地应力，允许围岩有一定量的变形，待稳定后再施工刚性的二次衬砌。在软弱破碎围岩隧道初期支护施工中，往往出现初期支护变形过大，侵入隧道净空的情况，结合雪山1号隧道冰雪堆积层施工总结出以下几点：

(1)提高围岩自身“承载能力”

采用环向注浆、超前预注浆等措施加固围岩，填充围岩中的张裂隙、孔隙等软弱部位，封闭隧道周边渗流水孔道，使围岩形成良好的圆形护圈，减小局部应力集中。

(2)采用合适的支护参数

初期支护采用锚喷和型钢双层支护结构，如遇变形较大时应及时对支护参数进行加强。

(3)钢拱架安装规范

严格控制钢拱架安装精度，并用纵向连接钢筋连接，形成整体受力结构，各工作面钢拱架安装完成后，在拱脚位置斜下30°呈外八字打设两根锁脚导管，将钢拱架牢牢固定在围岩上；钢拱架应架设在坚实基面上，严禁拱脚悬空或采用虚渣回填，在围岩软弱并初期支护发生较大变形时，可在钢拱架下面垫设槽钢。

图5 三台阶七步开挖法施工步骤图 图6 隧道钢拱架大变形原因分析图

(4)选择合理预留变形量

根据隧道监控量测数据分析，选择合适的初期支护预留变形量，一方面可以预防围岩及初期支护变形后侵入二衬净空，另一方面适当的预留变形量可释放围岩应力，有效减小二次衬砌结构承受的围岩压力。

(5)确保初期支护有良好的受力结构

隧道初期支护设计上基本都是采用圆形受力结构，使初期支护各部位能够均匀受力，隧道初期支护发生较大变形往往是其受力结构受到破坏，以三台阶七步开挖法上中台阶施工为例，上台阶钢拱架安装好到中台阶施工至该部位这段时间内，钢拱架受围岩应力影响拱脚发生收敛变形(如图7所示)，中台阶钢拱架再与变形后的上台阶钢拱架连接好后，就会在上下台阶钢拱架连接板位置产生非常大的集中应力，钢拱架不能形成圆形均匀受力，最后致使恶性循环，发生大变形侵入隧道净空。

为杜绝这一现象，在钢拱架加工及安装前就应充分考虑到其在施工过程中受围岩应力影响的收敛变形，利用监控量测数据分析，得出前后工序间隔时间段内钢拱架发生的变形，在钢拱架加工及安装时就预先放大，这样就能确保钢拱架始终有良好的受力结构，减小初期支护变形。

5 结论

(1)在软弱破碎围岩中进行隧道施工，必须谨遵“先护后挖、短进尺、弱爆破”的原则，利用超前管棚注浆、超前小导管注浆等措施先加固围岩，然后用机械辅以人工开挖，必要时配合弱爆破，控制开挖进尺，紧抓工序衔接，及时封闭成环。

(2)隧道施工必须时刻做好监控量测工作，用以指导隧道施工中的预留变形量、及时调整支护参数及类型、发现隧道施工中出现的问题等。

(3)软弱破碎围岩中如有较大变形应力，钢拱架作为初期支护的主要构成部分，采用打设长锁脚、基底铺设槽钢等方法减小变形，并使其始终保持良好的受力结构，才能减小隧道初期支护变形，确保隧道施工安全和工程质量。