摘要 以探討復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道開挖及支護(hù)施工方案為研究目的，采用理論結(jié)合實(shí)例的方法，以鹽源隧道為工程案例，圍巖較好地段采用數(shù)碼雷管起爆、光面爆破技術(shù)。對(duì)于軟弱圍巖地段采用小型挖掘機(jī)直接開挖或人工風(fēng)鎬開挖，并通過超前小導(dǎo)管支護(hù)，以及采用“鋼架+錨桿+噴射混凝土”進(jìn)行復(fù)合型支護(hù)。結(jié)果顯示，該隧道工程取得了理想的施工效果，由此可見，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)的隧道開挖工程，需要結(jié)合工程實(shí)際情況采取合理的爆破、開挖方式，并配合復(fù)合型支護(hù)體系，可保障施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 復(fù)雜地質(zhì)；隧道開挖；支護(hù)方案；施工工藝

中圖分類號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）14-0120-03

0 引言

隧道工程需進(jìn)行爆破、開挖、支護(hù)等工序，如果地質(zhì)條件復(fù)雜，則在隧道施工過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)慎重，需結(jié)合實(shí)地情況制定更加合理的開挖及支護(hù)方案。案例工程鹽源隧道位于西昌至香格里拉（四川境內(nèi)），地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，且多見Ⅳ級(jí)、V級(jí)圍巖。因此在爆破和開挖時(shí)須考慮地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，并制定更加可靠的支護(hù)體系。以下結(jié)合該工程實(shí)例，探討復(fù)雜地質(zhì)下的隧道開挖及支護(hù)施工。

1 項(xiàng)目概況

鹽源隧道為G7611西昌至香格里拉（四川境）高速公路的控制性工程。隧道左線樁號(hào)ZK52+325～ZK66+482，全長(zhǎng)14 157 m，出口設(shè)計(jì)高程2 621.55 m，右線樁號(hào)K52+255～K66+405，全長(zhǎng)14 150 m，隧道全長(zhǎng)14 182 m，屬于特長(zhǎng)隧道。其中主洞左右線共存在III級(jí)襯砌類型4 210 m，Ⅳ級(jí)襯砌類型15 176 m，V級(jí)襯砌類型7 481 m，瓦斯段襯砌類型1 440 m。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件隧道施工技術(shù)分析

2.1 復(fù)雜地質(zhì)對(duì)隧道開挖與支護(hù)的影響

復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)隧道開挖與支護(hù)施工具有顯著影響，這些影響涉及多個(gè)方面，主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容[1]：

（1）地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧道開挖和支護(hù)的影響。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，隧道穿越的巖層可能具有復(fù)雜的層理、節(jié)理和斷層等構(gòu)造，這些構(gòu)造的存在可能導(dǎo)致巖體的不連續(xù)性和不均勻性。在開挖過程中，巖體的不連續(xù)性可能導(dǎo)致開挖面的不穩(wěn)定，增加坍塌和冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

（2）巖土體性質(zhì)對(duì)隧道開挖和支護(hù)的影響。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，巖土體的強(qiáng)度、變形特性以及滲透性等參數(shù)可能具有較大的變異性。這些參數(shù)的變化可能導(dǎo)致隧道開挖過程中的變形和失穩(wěn)問題，增加對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力和變形的要求。

（3）水文地質(zhì)條件對(duì)隧道開挖和支護(hù)的影響。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，隧道可能穿越含水層或地下水體，水體的存在可能對(duì)隧道開挖和支護(hù)施工產(chǎn)生不利影響。同時(shí)可能增加巖土體的軟化作用，降低巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。水體還可能對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕作用，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。

2.2 復(fù)雜地質(zhì)下隧道開挖分類及適用條件

隧道開挖可以分為多種類型，每種類型都有其特定的適用條件。具體如下[2]：

（1）根據(jù)隧道穿越的地層巖性，隧道開挖可以分為巖石隧道和土壤隧道。巖石隧道主要穿越堅(jiān)硬的巖石地層，如花崗巖、石灰?guī)r等，其開挖方法通常采用爆破法或掘進(jìn)機(jī)法。而土壤隧道則主要穿越軟弱的土壤地層，如黏土、砂土等，其開挖方法多采用盾構(gòu)法或沉管法。

（2）根據(jù)隧道開挖的斷面形狀，隧道開挖可以分為圓形隧道、馬蹄形隧道和矩形隧道等。圓形隧道的開挖適用于較小斷面尺寸和較高圍巖壓力的要求；馬蹄形隧道的開挖適用于中等斷面尺寸和較高承載力的要求；矩形隧道的開挖則適用于較大斷面尺寸和較低承載力的要求。

（3）根據(jù)隧道開挖的施工方法，隧道開挖還可以分為明挖法、暗挖法和盾構(gòu)法等。明挖法適用于地質(zhì)條件較好、無需考慮地下水位和周圍建筑物影響的情況；暗挖法適用于地質(zhì)條件較差、需要保護(hù)周圍建筑物和地下管線的情況；盾構(gòu)法適用于穿越河流、湖泊等水域或軟弱地層的情況。

2.3 復(fù)雜地質(zhì)下隧道支護(hù)分類及適用條件

根據(jù)地質(zhì)條件、隧道尺寸和工程要求，隧道支護(hù)可以分為多種類型，每種類型都有其特定的適用條件。

（1）根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式，隧道支護(hù)可以分為被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù)兩大類。被動(dòng)支護(hù)主要包括噴射混凝土、鋼拱架、錨桿和錨索等，它們的主要作用是承受和傳遞圍巖壓力，防止隧道坍塌。主動(dòng)支護(hù)則主要通過注漿、凍結(jié)、超前小導(dǎo)管等措施改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)圍巖的自承能力。

（2）根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，隧道支護(hù)可以分為柔性支護(hù)和剛性支護(hù)。柔性支護(hù)如錨桿、錨索等，此類結(jié)構(gòu)具有較大的變形能力，能夠適應(yīng)圍巖的變形，減少應(yīng)力集中。剛性支護(hù)如噴射混凝土、鋼拱架等，則具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠有效地承受和傳遞圍巖壓力。

3 復(fù)雜地質(zhì)下的隧道開挖及支護(hù)施工關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 隧道洞身開挖關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1.1 總體施工方案

該工程隧洞按新奧法施工，暗挖段用錨噴法支護(hù)與普通鉆爆開挖。

總體思路：鉆孔用鑿巖臺(tái)車，好圍巖地段用數(shù)碼雷管與光面爆破，不宜爆破的軟弱圍巖則采用小型挖掘機(jī)或人工風(fēng)鎬開挖。隧道從出口端分平行導(dǎo)洞、左、右洞共3個(gè)工作面同時(shí)掘進(jìn)施工，為了確保掌子面掘進(jìn)安全，避免左、右線及平行導(dǎo)洞掌子面掘進(jìn)爆破擾動(dòng)，要求進(jìn)出口左、右洞、平行導(dǎo)坑掌子面掘進(jìn)間距保證30 m。隧道開挖遵循“超前管、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”原則，采用微震爆破、小炮、機(jī)械或人工開挖，嚴(yán)控裝藥量以減少圍巖擾動(dòng)，工序變化處設(shè)鎖腳錨桿以穩(wěn)定鋼架基礎(chǔ)[3]。

3.1.2 全斷面法施工工藝

全斷面開挖是一次開挖成型的施工工藝，為了合理確定全斷面開挖施工工藝循環(huán)進(jìn)尺，需要考慮隧道斷面形狀、圍巖地質(zhì)特征、機(jī)械設(shè)備性能、爆破振動(dòng)控制要求以及循環(huán)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)等因素。

（1）工藝原理

全斷面法施工借助新奧法原理，強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮巖體（圍巖）結(jié)構(gòu)的自承作用，盡量減少對(duì)圍巖的多次擾動(dòng)和破壞，借助施工作業(yè)平臺(tái)并配備相應(yīng)功能的大型機(jī)械設(shè)備，按照一定設(shè)計(jì)和規(guī)范確定循環(huán)進(jìn)尺，在隧道設(shè)計(jì)斷面輪廓線上和輪廓內(nèi)部按照設(shè)計(jì)布置鉆孔，利用炸藥能量一次性爆破成型進(jìn)尺內(nèi)斷面，外運(yùn)渣體，緊跟施工設(shè)計(jì)的初期支護(hù)措施，待掌子面循環(huán)掘進(jìn)超前一定距離，圍巖監(jiān)控量測(cè)變形量滿足要求判定為穩(wěn)定狀態(tài)后，再開始組織仰拱和二次襯砌工序施工，通過各工序沿隧道縱向錯(cuò)開合理安全距離，形成各主要工序平行作業(yè)，最終完成整個(gè)隧道設(shè)計(jì)施工[4]。

（2）全斷面法施工工藝流程

全斷面法施工工藝流程如圖1所示。

（3）施工特點(diǎn)

1）采用全斷面法施工可減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，充分發(fā)揮圍巖的自承作用，利于施工安全的管控。

2）全斷面法施工可一次創(chuàng)造更大的作業(yè)空間，較分部法施工可減少工序及循環(huán)時(shí)間，有效實(shí)現(xiàn)工序平行交叉作業(yè)，能大幅提高施工效率和進(jìn)度。

3）全斷面法施工機(jī)械化程度高，可有效減少勞動(dòng)力配置，降低作業(yè)人員工作強(qiáng)度，提高工作效率，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

4）全斷面法施工一次輪廓成型并及時(shí)進(jìn)行下道工序——初期支護(hù)的施工，對(duì)初期支護(hù)質(zhì)量和作業(yè)安全有利。

5）全斷面法一次掘進(jìn)開挖量大，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密爆破設(shè)計(jì)，并在施工過程需根據(jù)地質(zhì)圍巖情況不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，減少一次爆破用藥，達(dá)到光爆效果，減少對(duì)圍巖擾動(dòng)，節(jié)省成本。

3.1.3 三臺(tái)階法施工工藝

三臺(tái)階法施工時(shí)，應(yīng)首先按照設(shè)計(jì)圖紙施作超前支護(hù)，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于2榀鋼拱架間距。隧道開挖后，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作并落底，落底位置距離掌子面不得大于35 m；在上一級(jí)的臺(tái)階噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的70%之后，才能著手開挖中、下臺(tái)階。IV級(jí)圍巖臺(tái)階法施工應(yīng)按仰拱距離掌子面不大于50 m控制，二襯距離掌子面IV級(jí)圍巖不大于90 m，待初期支護(hù)趨于穩(wěn)定后施作。

3.1.4 上下臺(tái)階法施工工藝

上下臺(tái)階法施工工藝與三臺(tái)階法施工工藝基本一致，主要是分為上下兩層進(jìn)行施工。

3.1.5 預(yù)留核心土法施工工藝

（1）預(yù)留核心土法施工工序：上臺(tái)階環(huán)形開挖→上臺(tái)階初期支護(hù)→上臺(tái)階核心土開挖→左下臺(tái)階開挖→左下臺(tái)階初期支護(hù)→右下臺(tái)階開挖→右下臺(tái)階初期開挖→仰拱開挖→仰拱初期支護(hù)（如有）→仰拱二次襯砌→拱墻二次襯砌。

（2）施工要點(diǎn)：開挖施工前，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求施作超前支護(hù)，上臺(tái)階每循環(huán)開挖進(jìn)尺IV級(jí)圍巖不得大于2榀鋼架間距，V級(jí)圍巖不得大于1榀鋼架間距，下臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺不得大于2榀鋼架間距。隧道開挖后初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作并封閉成環(huán)（或落底）。在進(jìn)行下臺(tái)階的開挖時(shí)，必須等到上臺(tái)階的噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的70%之后才能進(jìn)行。圍巖較差時(shí)應(yīng)增設(shè)臨時(shí)仰拱。設(shè)置臨時(shí)仰拱時(shí)，臨時(shí)仰拱宜設(shè)為弧形，各部施工應(yīng)步步成環(huán)。隧道仰拱均應(yīng)采用棧橋施工工藝，澆筑時(shí)必須整體澆筑，不得分幅澆筑。

仰拱與掌子面的距離IV級(jí)圍巖不大于50 m，V級(jí)圍巖不大于40 m，初支封閉位置與掌子面距離不大于15 m，二次襯砌與掌子面距離IV級(jí)圍巖不大于90 m（瓦斯段不大于70 m），V級(jí)圍巖不大于70 m（洞口及淺埋段不大于50 m），待初期支護(hù)趨于穩(wěn)定后施作。

3.2 隧道支護(hù)施工關(guān)鍵技術(shù)分析

3.2.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)

（1）單層小導(dǎo)管超前支護(hù)外插角為10°～14°，雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)外插角緩傾角10°～14°和陡傾角30°～40°。均按拱部120°范圍布置，鋼管均采用4.5 m熱軋無縫鋼管加工制作，直徑42 mm，壁厚4 mm，小導(dǎo)管管壁應(yīng)鉆注漿孔，孔徑8 mm，孔間距10 cm，呈梅花形布置。尾部30 cm不鉆孔作為止?jié){段，單雙層小導(dǎo)管均應(yīng)搭接不小于1.0 m。

（2）在進(jìn)行注漿之前，需要對(duì)開挖面和周圍的噴射混凝土進(jìn)行封閉，以避免在注漿作業(yè)過程中出現(xiàn)孔口跑漿情況。

（3）注漿壓力范圍為0.5～1.0 MPa，施工時(shí)應(yīng)按照自下而上的順序進(jìn)行注漿，漿液的稀濃度應(yīng)逐漸變化，注漿量則應(yīng)從大到小逐漸調(diào)整。

（4）終止標(biāo)準(zhǔn)主要以終端壓力控制為準(zhǔn)，需要核對(duì)注漿量，當(dāng)注漿壓力維持在0.7～1.0 MPa，并持續(xù)15 min時(shí)，即可停止作業(yè)。

（5）注漿后到開挖之間的時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)漿液類型來確定。使用單液漿液時(shí)，開挖時(shí)間應(yīng)在注漿后8 h左右；而使用水泥-水玻璃漿液時(shí)，則約為4 min。在開挖時(shí)，必須保留1.5～2.0 m的止?jié){墻，以防止下次注漿時(shí)孔口發(fā)生跑漿現(xiàn)象。

3.2.2 鋼架施工

（1）型鋼和格柵鋼架在洞外加工成型，在洞內(nèi)采用螺栓連接并用拱架臺(tái)車拼裝。初噴混凝土后進(jìn)行安裝，并采用定位筋焊接。鋼架間設(shè)縱向連接筋，以噴射混凝土填平。拱腳需穩(wěn)固基礎(chǔ)，設(shè)鎖腳錨桿，垂直隧道中線。間隙大時(shí)設(shè)混凝土楔形墊塊，噴射混凝土填實(shí)。

（2）鋼架架設(shè)要求穩(wěn)固地基，基腳預(yù)留原巖，挖槽就位。富水軟弱地段設(shè)槽鋼增加承載力。鋼架平面垂直于隧道中線，傾斜度不大于2°，偏離鉛垂面不大于5 cm。

3.2.3 噴射混凝土

隧道開挖后應(yīng)立即噴射混凝土以防巖體松弛。噴射應(yīng)分段、分區(qū)進(jìn)行，自下而上，每段縱向噴射長(zhǎng)度不超過6 m。噴射需緊跟開挖面，爆破與噴射混凝土間隔至少4 h。混凝土隨拌隨用，回填料禁用噴射混凝土，鋼架與壁面間隙用混凝土充填。噴射應(yīng)從兩側(cè)拱腳向上對(duì)稱進(jìn)行，覆蓋鋼架并填滿背面，確保黏結(jié)良好，拱腳基礎(chǔ)混凝土需密實(shí)，不得懸空[5]。

3.2.4 錨桿施工

鹽源隧道施工采用錨桿類型有藥卷錨桿和普通砂漿錨桿兩類。主要施工要點(diǎn)如下：

（1）錨桿深度要求：錨桿孔深允許偏差±50 mm。

（2）普通水泥砂漿錨桿施工順序?yàn)椋撼煽缀笙茸{再安裝錨桿，錨桿宜用螺紋鋼筋。外露端需加工120～150 mm標(biāo)準(zhǔn)螺紋并配螺母。注漿工藝采用單管，管插至孔底附近，注漿時(shí)反復(fù)推送至孔底，排出多余水，后勻速拔出。灌漿壓力不超過0.4 MPa。注漿后插入錨桿桿體，孔口應(yīng)有砂漿流出，若孔口無砂漿流出，則需重新灌漿。

（3）藥卷錨桿施工前需進(jìn)行泡水試驗(yàn)，藥包不應(yīng)受潮結(jié)塊，宜隨用隨泡。藥包用專用工具推入孔內(nèi)，錨桿插入時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)或錘擊，不得損傷螺紋。插至設(shè)計(jì)深度時(shí)孔口應(yīng)有砂漿流出，否則補(bǔ)灌。成品藥包初凝不小于3 min，終凝不大于30 min。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，位于四川境內(nèi)涼山州地區(qū)的鹽源隧道工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，該工程在圍巖較好地段采用數(shù)碼雷管起爆、光面爆破技術(shù)。對(duì)于不宜爆破的軟弱圍巖采用小型挖掘機(jī)直接開挖或采用人工風(fēng)鎬開挖，并通過超前小導(dǎo)管支護(hù)，和“鋼架+錨桿+噴射混凝土”復(fù)合型支護(hù)，提升隧道的支護(hù)效果。結(jié)果顯示，隧道工程如期完工，達(dá)到了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，取得了理想的施工效果，且施工期間未發(fā)生安全事故，由此可見，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)的隧道開挖工程，需要結(jié)合工程實(shí)際情況采取合理的爆破、開挖方式，并配合復(fù)合型支護(hù)體系，有助于提高施工質(zhì)量及安全性，可為同類工程提供參考借鑒價(jià)值。

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收稿日期：2024-03-08

作者簡(jiǎn)介：李寬（1987—），男，本科，工程師，從事公路工程的施工技術(shù)管理工作。