黃建秋

(中鐵五局集團(tuán)第一有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙 410000)

1 工程簡(jiǎn)介

雪山1號(hào)隧道位于果洛州瑪沁縣下大武鄉(xiāng)，隧道穿越知亥代山，進(jìn)口處位于知亥代埡口西北側(cè)山體斜坡坡腳處，出口位于知亥代埡口東南側(cè)斜坡坡腳。

隧址區(qū)地貌類型屬冰緣水流構(gòu)造侵蝕中高山地貌，山體呈西北—東南向展布，地形起伏較大。山體坡麓處主要為冰漬堆積物，自然坡面植被發(fā)育，向上植被逐漸減少，基巖出露，巖體較破碎，坡面多見(jiàn)寒凍碎屑流。隧道軸線通過(guò)路段地面標(biāo)高4808.05～4401.83m，相對(duì)高差約為407m，最大埋深約346m。

高原空氣稀薄缺氧、氣壓低、日溫差變化大、降水量受海拔高程影響明顯、四季不分明，多年平均氣溫-4.0℃，極端最高氣溫25.7℃，極端最低氣溫-34.9℃，主要降水集中在6～9月份，占全年降水量80%以上。地下水不發(fā)育，巖裂隙水主要接受大氣降水及冰雪融水補(bǔ)給，在夏季及冰雪融化期間會(huì)產(chǎn)生大量滲流出水。冬季氣溫極低，鉆探揭示隧址區(qū)最大凍結(jié)深度為3.0m。

洞口段圍巖主要為冰磧積碎塊石，大小混雜，分選差，空隙填充角礫、砂及粉土，呈散體結(jié)構(gòu)，無(wú)粘結(jié)力，塊石間存在架空結(jié)構(gòu)。洞口段埋深較淺，穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后，初期支護(hù)不及時(shí)會(huì)產(chǎn)生洞頂?shù)魤K甚至塌方，側(cè)壁坍塌。

2 總體方案

隧道洞口進(jìn)洞采用超前大管棚支護(hù)，具有超前支護(hù)距離較大，形成縱向鋼梁作用，可以有效的減小由于圍巖自重產(chǎn)生的壓力，穩(wěn)定隧道上方的圍巖，并通過(guò)預(yù)留注漿孔注漿加固，提高圍巖自身的穩(wěn)定性，形成一個(gè)拱形的加固圈，為下一步的隧道開(kāi)挖掘進(jìn)提供有效安全保障。

隧道洞身開(kāi)挖和初期支護(hù)謹(jǐn)遵新奧法“少擾動(dòng)，快加固，勤量測(cè)，早封閉”的原則，在三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的基礎(chǔ)上輔以預(yù)留核心土等措施，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，將隧道斷面分為上、中、下三個(gè)臺(tái)階減小臨空面，各工作面分別錯(cuò)開(kāi)呈流水線作業(yè)，及時(shí)封閉成環(huán)，有效控制圍巖變形，保證隧道結(jié)構(gòu)安全，當(dāng)發(fā)現(xiàn)圍巖變形不收斂或其他異常情況時(shí)及時(shí)采取加強(qiáng)措施。

開(kāi)挖過(guò)程中還需結(jié)合圍巖情況采取超前長(zhǎng)、短管棚注漿、超前小導(dǎo)管注漿、地表預(yù)注漿等輔助施工措施，注漿采用水泥漿或雙液漿，施工前應(yīng)進(jìn)行注漿試驗(yàn)。

3 超前大管棚

超前大管棚施工工藝流程見(jiàn)圖1：

超前大管棚的施工質(zhì)量直接影響隧道進(jìn)洞施工的順利與安全，所以必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的施工工藝進(jìn)行施工，以保證施工質(zhì)量，并考慮冰積層圍巖的情況，施工過(guò)程中特別注意以下幾點(diǎn)：

(1)對(duì)套拱的基礎(chǔ)進(jìn)行了加大底面積和深度的處理，防止護(hù)拱出現(xiàn)沉降變形；

(2)套拱內(nèi)按設(shè)計(jì)要求安裝了三榀鋼拱架，嚴(yán)格控制安裝精度，用連接鋼筋連接牢固后將導(dǎo)向管焊接在鋼拱架上，導(dǎo)向管縱向與線路方向一致，外插角為0°～3°，兩端與端模抵緊并采取措施使其牢牢固定，堵住管口，防止混凝土入內(nèi)，導(dǎo)向管與鋼拱架之間如有縫隙用鋼板墊實(shí)；

(3)在套拱往洞內(nèi)方向的鋼拱架上預(yù)留連接鋼筋，隧道進(jìn)洞后將套拱與初期支護(hù)連接成整體，能有效減小初期支護(hù)變形；

(4)冰雪堆積層圍巖軟弱破碎，管棚間距較小，為避免注漿時(shí)發(fā)生串孔造成相鄰孔堵塞，原則上成一孔就注漿，同時(shí)可以讓漿液在松散的巖層中進(jìn)行擴(kuò)散填充，將破碎的巖層固結(jié)，有利于相鄰孔在鉆孔時(shí)減少掉塊，避免發(fā)生卡鉆或掉鉆、掉釬現(xiàn)象，有利于加快施工進(jìn)度；

(5)鉆孔采取分區(qū)間隔施工，先鉆孔施工奇數(shù)孔位管棚，待注漿完成后再施工偶數(shù)孔位管棚，以便檢查奇數(shù)孔位注漿效果，若出現(xiàn)卡鉆、塌孔時(shí)應(yīng)進(jìn)行注漿加固后再鉆。

圖1 洞口大管棚施工工藝流程圖

4 洞身開(kāi)挖及支護(hù)

雪山1號(hào)隧道洞口冰雪堆積層圍巖(如圖2和3所示)給隧道洞身開(kāi)挖及初支帶來(lái)很大難度，大小混雜，呈松散結(jié)構(gòu)，無(wú)粘結(jié)力，常常有大塊石阻隔在隧道開(kāi)挖輪廓線上，如發(fā)生較大擾動(dòng)，塊石間的角礫、砂、粉性土就發(fā)生失穩(wěn)滑落，最終造成坍塌。

圖2 雪山1號(hào)隧道右線洞口大管棚 圖3 雪山1號(hào)隧道右線洞口冰雪堆積層圍巖情況

4.1 施工方法

隧道開(kāi)挖施工采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，本著先護(hù)后挖、短進(jìn)尺、弱爆破的原則，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，確保開(kāi)挖和初期支護(hù)工作安全、順利的進(jìn)行。

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工應(yīng)符合以下要求：

(1)以機(jī)械開(kāi)挖為主，必要時(shí)輔以弱爆破；

(2)弧形導(dǎo)坑應(yīng)沿開(kāi)挖輪廓線環(huán)向開(kāi)挖，預(yù)留核心土，開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)；

(3)其他分步平行開(kāi)挖，平行施做初期支護(hù)，各分部初期支護(hù)銜接緊密，及時(shí)封閉成環(huán)；

(4)仰拱緊跟下臺(tái)階，及時(shí)閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系；

(5)施工過(guò)程通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，掌握圍巖和支護(hù)的變形情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，保證施工安全；

(6)完善洞內(nèi)臨時(shí)防排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳基礎(chǔ)。

施工工藝流程如圖4。

圖4 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工工藝流程

4.2 施工控制要點(diǎn)

(1)做好超前支護(hù)

隧道開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程中主要的困難就是圍巖松散無(wú)粘結(jié)力、穩(wěn)定性差，開(kāi)挖過(guò)程中不斷滑落、掉塊等，形成超挖、空洞，甚至發(fā)生塌方，要解決這一問(wèn)題就要做好超前小導(dǎo)管，在工作面初噴完成且鋼拱架架立完成后，以鋼拱架為支點(diǎn)打設(shè)超前小導(dǎo)管，尾端與鋼拱架焊接以增加穩(wěn)定性，然后注漿加固圍巖，注漿采用水泥漿液，水灰比1∶1，注漿壓力為0.5～1.0MPa，開(kāi)挖后拱部基本無(wú)滲漏水、無(wú)坍塌。

(2)控制好上臺(tái)階核心土大小

預(yù)留核心土可使隧道斷面圍巖處于3向應(yīng)力狀態(tài)，使隧道結(jié)構(gòu)受力更加均勻合理，能有效降低工作面圍巖的松弛范圍，顯著提高隧道工作面的穩(wěn)定和安全性能，但不宜太大，留出適當(dāng)空間方便工人開(kāi)挖和初期支護(hù)施工。

(3)控制好上、中、下臺(tái)階長(zhǎng)度

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法有各個(gè)工作面互不影響，呈流水化作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，如圖6所示，將中臺(tái)階和下臺(tái)階的左右側(cè)分別錯(cuò)開(kāi)，所有工作面同時(shí)掘進(jìn)，但必須控制好各臺(tái)階長(zhǎng)度，上臺(tái)階太長(zhǎng)不利于挖機(jī)扒碴，太短不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且影響上臺(tái)階施工人員操作空間，中、下臺(tái)階太長(zhǎng)不利于出碴和初期支護(hù)及早封閉成環(huán)，太短影響隧道穩(wěn)定，以上臺(tái)階長(zhǎng)5m，中、下臺(tái)階各6m長(zhǎng)為宜，中、下臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)2～3m。

(4)控制開(kāi)挖進(jìn)尺

根據(jù)圍巖地質(zhì)情況合理確定循環(huán)進(jìn)尺，上臺(tái)階每次開(kāi)挖長(zhǎng)度不得超過(guò)2榀鋼拱架間距。

(5)早封閉

施工過(guò)程中做好工序銜接，各工序安排應(yīng)當(dāng)緊湊，盡量減少圍巖暴露時(shí)間，避免因長(zhǎng)時(shí)間暴露引起圍巖失穩(wěn)，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)，全斷面初期支護(hù)閉合時(shí)間宜控制在6d左右，有條件時(shí)應(yīng)盡量縮短閉合時(shí)間。仰拱緊跟，距上臺(tái)階開(kāi)挖工作面控制在35m左右，鋪設(shè)防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應(yīng)及時(shí)進(jìn)行。

(6)勤量測(cè)

加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，根據(jù)量測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，確定二次襯砌施做時(shí)間，進(jìn)行信息化施工管理。

4.3 初期支護(hù)變形較大時(shí)的應(yīng)對(duì)措施

新奧法旨在利用圍巖自身的穩(wěn)定性，應(yīng)用“先柔后剛，以柔克剛”的理念，即開(kāi)挖后首先進(jìn)行柔性支護(hù)，釋放地應(yīng)力，允許圍巖有一定量的變形，待穩(wěn)定后再施工剛性的二次襯砌。在軟弱破碎圍巖隧道初期支護(hù)施工中，往往出現(xiàn)初期支護(hù)變形過(guò)大，侵入隧道凈空的情況，結(jié)合雪山1號(hào)隧道冰雪堆積層施工總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

(1)提高圍巖自身“承載能力”

采用環(huán)向注漿、超前預(yù)注漿等措施加固圍巖，填充圍巖中的張裂隙、孔隙等軟弱部位，封閉隧道周邊滲流水孔道，使圍巖形成良好的圓形護(hù)圈，減小局部應(yīng)力集中。

(2)采用合適的支護(hù)參數(shù)

初期支護(hù)采用錨噴和型鋼雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)，如遇變形較大時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)。

(3)鋼拱架安裝規(guī)范

嚴(yán)格控制鋼拱架安裝精度，并用縱向連接鋼筋連接，形成整體受力結(jié)構(gòu)，各工作面鋼拱架安裝完成后，在拱腳位置斜下30°呈外八字打設(shè)兩根鎖腳導(dǎo)管，將鋼拱架牢牢固定在圍巖上；鋼拱架應(yīng)架設(shè)在堅(jiān)實(shí)基面上，嚴(yán)禁拱腳懸空或采用虛渣回填，在圍巖軟弱并初期支護(hù)發(fā)生較大變形時(shí)，可在鋼拱架下面墊設(shè)槽鋼。

圖5 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工步驟圖 圖6 隧道鋼拱架大變形原因分析圖

(4)選擇合理預(yù)留變形量

根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，選擇合適的初期支護(hù)預(yù)留變形量，一方面可以預(yù)防圍巖及初期支護(hù)變形后侵入二襯凈空，另一方面適當(dāng)?shù)念A(yù)留變形量可釋放圍巖應(yīng)力，有效減小二次襯砌結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力。

(5)確保初期支護(hù)有良好的受力結(jié)構(gòu)

隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)上基本都是采用圓形受力結(jié)構(gòu)，使初期支護(hù)各部位能夠均勻受力，隧道初期支護(hù)發(fā)生較大變形往往是其受力結(jié)構(gòu)受到破壞，以三臺(tái)階七步開(kāi)挖法上中臺(tái)階施工為例，上臺(tái)階鋼拱架安裝好到中臺(tái)階施工至該部位這段時(shí)間內(nèi)，鋼拱架受?chē)鷰r應(yīng)力影響拱腳發(fā)生收斂變形(如圖7所示)，中臺(tái)階鋼拱架再與變形后的上臺(tái)階鋼拱架連接好后，就會(huì)在上下臺(tái)階鋼拱架連接板位置產(chǎn)生非常大的集中應(yīng)力，鋼拱架不能形成圓形均勻受力，最后致使惡性循環(huán)，發(fā)生大變形侵入隧道凈空。

為杜絕這一現(xiàn)象，在鋼拱架加工及安裝前就應(yīng)充分考慮到其在施工過(guò)程中受?chē)鷰r應(yīng)力影響的收斂變形，利用監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出前后工序間隔時(shí)間段內(nèi)鋼拱架發(fā)生的變形，在鋼拱架加工及安裝時(shí)就預(yù)先放大，這樣就能確保鋼拱架始終有良好的受力結(jié)構(gòu)，減小初期支護(hù)變形。

5 結(jié)論

(1)在軟弱破碎圍巖中進(jìn)行隧道施工，必須謹(jǐn)遵“先護(hù)后挖、短進(jìn)尺、弱爆破”的原則，利用超前管棚注漿、超前小導(dǎo)管注漿等措施先加固圍巖，然后用機(jī)械輔以人工開(kāi)挖，必要時(shí)配合弱爆破，控制開(kāi)挖進(jìn)尺，緊抓工序銜接，及時(shí)封閉成環(huán)。

(2)隧道施工必須時(shí)刻做好監(jiān)控量測(cè)工作，用以指導(dǎo)隧道施工中的預(yù)留變形量、及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)及類型、發(fā)現(xiàn)隧道施工中出現(xiàn)的問(wèn)題等。

(3)軟弱破碎圍巖中如有較大變形應(yīng)力，鋼拱架作為初期支護(hù)的主要構(gòu)成部分，采用打設(shè)長(zhǎng)鎖腳、基底鋪設(shè)槽鋼等方法減小變形，并使其始終保持良好的受力結(jié)構(gòu)，才能減小隧道初期支護(hù)變形，確保隧道施工安全和工程質(zhì)量。