不良地质隧道综合项目施工关键技术总结.doc

不良地质隧道施工技术
梁雄宇 1 林雄奇2
（四航局一企业贵全部高速公路第九协议段项目部 广东 广州 510500）
摘要：在公路隧道施工中，不良地质隧道施工已成为施工首要问题，本文中以贾托坡及九条龙隧道为例，分别叙述在不良地质隧道中小、中、大型溶洞处理方法、塌方处理方法及开挖、初支过程中施工方法。该文对类似九条龙隧道施工有一定借鉴作用。
关键词：公路隧道 不良地质 施工技术
1、工程介绍
贵全部高速第九协议段隧道共两座，分别为贾托坡隧道及九条龙隧道，其部署形式为分离式双洞单向行车双向车道，设计速度100km/h，净高5m，净宽10.75m，汽车荷载等级为公路—I级。
两座隧道地质条件复杂，地层岩性以碳酸盐岩为主，还存在冲积泥沙、粉沙、残积粘土。岩溶为隧址区关键不良地责问题，其次为崩坡堆积体。本文关键以九条龙隧道为主，介绍九条龙所受不良地质影响。崩坡堆积体在九条龙隧道进口段，关键由碎石、角砾及粉质黏土组成，稍密至中密状为主。岩溶形态关键为溶洞、竖井、落水洞及岩溶漏斗等。依据地表地质调查资料，隧道区落水洞、竖井、岩溶漏斗星罗棋布，呈串珠状展布，岩溶垂直循环带极为发育。隧道开挖时碰到溶洞数次，施工莫非度很大，其中九条龙隧道出口一大溶洞纵向跨越长达37m，横向宽15m，高出拱顶10m，深度约50m；碰到大小突泥大于7次。
2、施工方法选择
洞室形成是经过开挖和支护两个施工阶段完成。所以采取施工方法和支护方法也肯定对整个隧道稳定给一定甚至是极为关键影响。
选择隧道施工方法，应以地质条件为主，还要结合隧道长度、断面、结构类型、工期要求、施工技术力量、机械设备情况和综合效益等综合确定。
因为不良地质情况下围岩自稳能力差，所以开挖后需要及早施作早期支护，并闭合成环，提升承载能力，所以决定采取短台阶法作为基础施工方法。采取拱部超前台阶法开挖不仅能在正面和中层同时钻孔，而且支护准备、支撑架设和喷射混凝土支护和锚杆作业全部能相互交替进行。假如岩体自稳时间不足或开挖面不稳时，可采取台阶式保留关键土方法。为了充足利用围岩自稳能力，延长洞身开挖后围岩自稳时间，我们可确定先护后挖。在洞口软弱围岩地段采取φ108长管棚施工，在V级围岩地段采取超前小导管注浆加固地层，并超前支护；在IV级围岩地段采取超前锚杆支护。
因为地质条件差，岩体松散破碎，选择支护手段时，要选择既能承受较大围岩压力，同时还能大面积、牢靠和岩体紧密接触，能立即施作、随时加强支护手段。所以，我们采取喷射混凝土、锚杆、挂钢筋网、钢拱架联合一起组合支护形式。如TSP测出前方有水及填充物征兆，需借助“地质雷达扫描+地质超前探孔”地质超前预报手段深入确定前方围岩情况，再依据所确定围岩情况来决定掌子面开挖及支护方法。
在厚大石灰岩、白云岩中进行隧道开挖时会碰到隐伏性岩溶、溶洞。施工中必需重视超前探测，立即采取对应处治方法。对于岩溶水量较小，和外界无水力联络溶洞，可用排水管将水导入中心水沟。假如岩溶水量较大，无法一时排干，且和外界有水力联络时，尽可能不要破坏现有溶洞水平衡。依据溶洞出现位置、大小、形态、填充物情况等不一样，采取不一样结构形式进行处治，注意在衬砌背后设有充足疏排方法。
假如自稳性很差围岩在较长时间达不到基础稳定条件，喷射混凝土出现大量显著裂缝，而支护能力又难以加强，则应及早施作仰拱，以改善围岩受力变形条件。若围岩仍不能稳定，应提升二衬参数，提早进行二次衬砌，以提升支护抗力，避免早期支护坍垮。
依据新奥法理论，变形在早期支护下已趋于稳定，二次衬砌作为安全贮备而修建，而不是把二次衬砌作为承载关键结构在衬砌施工时，强调适时衬砌，充足发挥早期支护作用。
3、隧道不良地质具体展现
3.1、溶洞
当隧道穿过溶蚀性岩层时，有溶洞在隧道拱部腰部，内充填物松软且深，溶洞难于处理，进度滞后；有溶洞在隧道底部，跨越半个隧底，隧道基底难于处理；有溶洞岩质破碎，轻易发生坍塌；有时碰到大水囊，岩溶水或泥砂夹水大量涌入隧道；有时碰到填满饱含水份充填物溶槽，当坑道掘进至其边缘时，含水充填物不停涌入隧道内，难以遏止，甚至地表开裂下沉，山体压力巨增。
隧道在溶洞地段施工时，应依据设计文件、超前地质预报等相关资料及现场实际情况（地质超前钻），查明溶洞分布范围、类型情况（大小、有没有水、溶洞是否和外界联通，和其充填物 ）、岩层稳定程度和地下水情况（有没有长久供给起源、雨季水量有没有增加）等，分别以引、堵、跨越等方法进行处理。本工程隧道施工中无碰到地下暗河，基础以裂隙水囊存在；有些裂隙洞是由地表根系发展于洞内，洞内水有地表强降雨补充。其中九条龙隧道出口一大溶洞纵向跨越长达37m，横向宽15m，高出拱顶10m，深度约50m，隧底水系发育。其它基础以中小型溶洞存在。
3.1.1、中、小型溶洞处理方法
对地下水不发育中、小溶洞，采取浆砌片石或干砌片石回填处理，必需时压浆填充。
（1）、边墙溶洞处理
对隧道边墙经过溶洞，经调查及雨季中考验证实溶洞水对隧道无影响时，施工中采取回填封闭处理。靠边墙1m范围内用浆砌片石回填，或回填弃碴，空隙吹砂填满，并压注水泥砂浆胶结。
（2）、隧道拱部护拱防护
当隧道穿过拱部发育之溶洞，无充填物、干燥、溶洞高大，洞壁有溶实裂隙。处理方法：先施作洞内初支，在初支中采取工字钢加强或加密，过程中在合适位置预留泵送孔，当初支跨越该拱部溶洞时，在预留孔中泵送C20砼，泵送标高应高出钢架最高处2m，以防溶洞有落石掉块时，起到缓冲作用，参见图1。如水系发达应确保原溶洞水路通畅、隧道拱溶洞空腔部分不积水。

图1: 拱部溶洞处理图
（3）、隧底溶洞处理
对隧道底部为溶洞无填充物时，方法处理中、小型空洞采取底板梁加强衬砌经过或在隧底以下部分用块石、碎石回填密实，距隧底1m厚度用浆砌片石回填。如隧底较深可采取底板梁加强衬砌经过，隧道铺底或仰拱设计为平板型，在底板及边墙下部加设钢筋，灌注钢筋混凝土，共同形成钢筋混凝土梁，具体详见图2所表示。对隧道底部溶洞内有填充物时，需换填后或先压浆胶结后再按溶洞无填充物方案处理。
图2: 隧底底板梁处理图
3.1.2、大型溶洞处理方法
九条龙隧道出口一大溶洞纵向跨越长达37m，横向宽15m，高出拱顶10m，深度约50m，隧底水系发育。对于该溶洞处理方案以下：
（1）、采取抛弃片石回填，粒径不低于20cm，过程中确保不破坏溶洞底水系。溶洞回填至距离隧道底部1m处后，用浆砌片石回填。
（2）、依着溶洞大小施作护拱，护拱外模以I20工字钢及网片喷射砼形成，初支跟进，待初支施作完后，再护拱和初支之间泵送C25砼，填充密实。过程中护拱内工字钢紧紧围绕在洞壁上。具体参数见图3。
图3：溶洞处理图
3.2、塌方处理
通常处理标准是先加固, 防扩展, 后处理标准, 要求处理塌方宁早勿迟, 宁强勿弱。对通常塌方可直接进行塌体处理, 而对塌体破碎松散、影响范围大塌方通常分为早期处理和塌体处理两部分。
3.2.1、早期处理
(1)、封闭塌体, 加固塌体后方。其关键性有: ①形成平衡拱围岩本身含有一定自稳能力, 但因为围岩不均质, 可能有小石块松动吊落, 进而引发较大坍塌, 而喷混凝土能够有效地阻止小石块松动吊落, 从而避免大坍塌。②因为有了喷混凝土附着在围岩表面上, 围岩变形就会立即反应在喷混凝土表面, 为正确判定围岩稳定提供强有力依据。③喷混凝土是多种处理塌方手段中最立即、最安全方法。在塌方后方5 m～10 m 范围内采取钢支撑加锚杆及小导管注浆进行加固。
(2)、如塌方塌至地表, 则应对坍塌漏斗地表进行截水, 必需时采取防水板或彩色布覆盖, 预防地表水灌入塌体内, 引发再一次塌方, 待洞内处理完成后, 采取土石夯填到略高出原地面。待填土下沉稳定后, 用M7.5 浆砌片石铺砌。
3.2.2、塌体处理
塌体处理通常在早期处理完成后或塌方临时达成自稳时进行。常见方法有Ф76mm管管棚法（突泥）、小导管注浆法、三台阶开挖法、二衬加强及回填法等, 并在处理过程中加强监控量测工作, 用量测信息动态指导施工。
3.2.2.1 管棚法
在第九协议段隧道中用Φ76管棚法处理塌方严重段（带有大量填充物）。采取具体方法为先对塌体及周围岩体进行预注浆加固, 以后在预留变形基础上向塌体或周围岩体打管棚进行塌方处理。九条龙隧道处理突泥中，长管棚参数以下：（1）钢管规格：热轧无缝钢管Φ76mm，壁厚6mm；（2）管距：环向间距30cm，在拱部120°范围内布设，必需时可依据超前预报在围岩软弱处加设；（3）倾角：外插角15°~20°，具体可依据实际情况作合适调整，方向:和路线中线平行，长度：通常每12m为一环，两环之间搭接长度大于3m。（4）钢管施工误差：径向小于20cm；（5）施工机械：钻孔用潜孔钻最少满足30m钻孔要求，注浆泵2台，型号为BWS-200/10水泥砂浆泵，压力：5-10Mpa，流量：200L/min，功率：22kw；（6）灌注浆液：纯水泥（添加水泥重量15%水玻璃）浆液。（7）注浆参数：水泥浆水灰比：1：0.8，水玻璃浓度：35波美度水玻璃模数：2.4，注浆压力 初压0.5~1.0MPa 终压2~3.0MPa，胶凝时间为10min，部分参数可由现场试验调整确定。
3.2.2.2 小导管注浆法
小导管注浆法适适用于塌体不大, 地质条件较松散塌方。施工方法为预注浆加固塌体和松散围岩, 并和钢拱架和锚喷混凝土相结合对塌方进行处理。。小管棚通常采取φ42 mm 钢管,长3.5 m, 环向间距40cm, 纵向间距搭接大于1.0 m, 插入施工中通常采取不一样外插角方法对加固岩体效果很好。
3.2.2.3 三台阶开挖法
新奥法原理要求软岩地段或塌方段施工一直坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”标准。三台阶法开挖时, 开挖台阶长度为3m～5 m, 以人工风镐配合挖掘机为主, 辅助微弱爆破, 出渣采取挖掘机或装载机装, 自卸汽车运输；每循环进尺为一榀拱架间距, 这么就能在不扰动围岩情况下安全顺利地经过塌方体。
3.2.2.4 二衬加强及回填法
因为塌方段衬砌荷载比未塌前增大, 所以衬砌要加强，加强衬砌应先考虑采取提升混凝土标号或衬砌内加钢筋、型钢以加强支护能力等方法；回填材料易采取水泥浆或泵送砼方法施作，过程中应分时间段胶结后注满。
4、不良地质隧道施工关键施工工艺
4.1、超前支护
不良地质隧道施工时，围岩大多以松散土、破碎夹层存在，自稳能力极差，开挖后在短时间内就会掉块。所以，超前支护成为肯定手段。我们在隧道施工中关键采取了超前长管棚（Ф108mm管、Ф76mm管）、超前小导管、超前锚杆三种超前支护形式。其中，掌子面为较松散土体且含水量较大时采取超前长管棚注浆支护固结土体，V级围岩采取超前小导管注浆，IV级围岩采取超前锚杆。
4.2、开挖
（1）、V级围岩采取人工、风镐及机械开挖，开挖按短台阶法，分三部台阶留关键土法，即起拱线上一节，起拱线下3m一节，底部一节。上中台阶长度3～5m，每次进尺0.8～1.0m，中下台阶长度尽可能在30m以下，详见图4。为了保持开挖面稳定，缩短封闭时间，采取预留关键土法。开挖后立即施作早期支护。
（2）、IV级围岩采取控制爆破和人工风镐开挖。按上下台阶法施工，拱部超前，台阶长度3～5m。每步进尺1～1.5m。控制爆破按松动爆破施工。尤其是周围眼、内圈眼，密排炮眼，间隔装药。

图4、三台阶留关键土法
4.3、支护
4.3.1、喷射混凝土封闭
喷射混凝土在洞外拌和站集中拌和，由混凝土搅拌运输车运至洞内，采取喷射机喷射作业。对于隧道内松散土体或软弱围岩隧道开挖后立即对围岩面喷一层5cm厚混凝土，关键是封闭岩面，预防隧道周围岩体质量深入恶化，预防围岩出现掉块或局部坍毁，然后架立钢拱架、打设锚杆、挂钢筋网，对初喷岩面进行清理后复喷至设计厚度。
4.3.2、系统锚杆施工
层状围岩中，开挖后表面张裂，岩层易沿层面滑移或受挠折断而引发坍塌；块状围岩可能形成不稳定危石；加入和层面垂直并伸入松动围岩以外或承载环以内锚杆支护，和没有松动较完整稳定围岩相联结，能有效增加层面或结构面间压应力和抗滑动摩阻力，使围岩和锚杆喷射砼形成稳定承载结构。当围岩呈块、碎状镶嵌结构，稳定性较差时，依靠锚杆和钢筋砼支护力、锚杆联结及本身抗剪强度，能提升围岩承载圈抗压和抗剪强度，起到围岩整体加固作用。
4.3.3、钢拱架施工
钢拱架包含型钢拱架及格栅拱架两种。钢拱架作用是延长自稳时间，提升V级、VI级软弱围岩早期支护强度和刚度，抑制围岩变形，增强支护抗力。
钢拱架安装在掌子面开挖初喷完成后立即进行。
依据测设位置，各节钢拱架在掌子面以螺栓连接，连接板应密贴。为确保各节钢拱架在全环封闭之前置于稳固地基上，当围岩软弱且富水时，在钢拱架基脚处增设纵向槽钢托梁，以增加基底承载力。安装前应清除各节钢拱架底脚下虚碴及杂物。底部开挖完成后，底部早期支护立即跟进，将钢拱架全环封闭。为确保钢拱架位置安设正确，待钢拱架架立到位后，立即用纵向连接筋已施作钢拱架焊成一体。同时将钢拱架和系统锚杆焊成一体，使钢拱架和锚杆共同受力。钢拱架立毕后，用砂将钢拱架拱脚连接板埋住，方便和下单元钢拱架连接。
隧道预防钢拱架下沉方法（特殊地段）以下：
（1）、加强对钢拱架径向固定方法
钢拱架安装和系统锚杆固定在一起，另外，要加强锚杆和钢拱架焊接质量，确保钢拱架和锚杆连接紧固。两榀之间环向连接钢筋必需根据设计间距进行焊接连接，一样要严格确保焊接质量。
（2）、加强对钢拱架锁脚固定方法
因为采取分台阶开挖方法，拱部钢拱架安装后，钢拱架临时不能全断面封闭成环，同时软弱围岩隧道拱部钢拱架无法座落在坚实基岩上，所以，拱部钢拱架必需采取锁脚方法，将钢拱架两底脚牢靠锁定，以预防钢拱架下沉或两底脚回收，钢拱架锁脚采取每侧安设2~4根锁脚锚管将其锁定，锁脚锚管采取Φ42小导管，长度3.5m。锚管采取钢花管，压注水泥浆液进行锚固，如地质较差时，采取加长锁脚锚管长度和增设锁脚锚管以加强钢拱架稳定。
（3）、加设钢拱架基础连接纵梁，扩大开挖底脚，预防钢拱架悬空。为预防钢拱架下沉，视地质情况，必需时在拱部钢拱架底脚增设连接纵梁，纵梁采取槽钢，和钢拱架底脚采取焊接连接，以增加钢拱架底脚承力面积。
（4）、立即喷射混凝土进行覆盖
钢拱架安装完成后，立即进行喷射混凝土施工，喷射时分层、分段进行，钢拱架应全部被喷射混凝土覆盖，保护层厚度不得小于30mm。
（5）、加强对钢拱架应力和变形监测
钢拱架安装后，加强对钢拱架应力和变形观察，对钢拱架所承受应力和变形速率和位移进行监测，经过反馈数据分析，测定钢拱架稳定性能，一旦发觉钢拱架有下沉或变形失稳趋势，立即采取加固方法进行处理，同时依据反馈信息进行方案修正和优化。
4.3.4、隧道围岩监控量测
隧道施工中掌子面开挖成形后，必需立即喷射大于5cm厚混凝土及封闭围岩，紧跟监控量测，不然工作人员不得进入掌子面作业。
（1）、地质监控
做好针对掌子面开挖地质情况观察、统计和描述，并绘制工程地质纵断面图，和设计地质类型进行对比，以正确判定围岩类别。
（2）、安全监控
对施工已开挖洞室进行安全检验，观察早期支护、二次衬砌有没有发生裂缝、掉皮、钢拱变形、渗漏水等现象，确保工程质量。
（3）、拱顶下沉、周围位移量测
测点在洞内部署一个断面，观察频率依据监控断面和开挖面距离S确定（表1），方法及工具：收敛仪和全站仪。

表1 周围收敛和拱顶下沉观察频率
S<18m
18m<S<36m
36m<S<90m
S>90m
1～2次/2d
1次/d
1次/2d
1次/7d
只有经过对围岩进行监控量测，才能正确地掌握围岩和支护之间收敛动态，力学动态及稳定程度，客观地评价围岩稳定性，深入了解围岩弹塑性区域，裂隙发育程度等，从而达成调整早期支护参数及指导设计施工目标，完成信息设计。早期支护参数调整，应依据监控资料会同设计、监理、施工人员共同研究确定，合理变更设计和施工方法，保障施工安全。
5、结语
在喀斯特地貌隧道施工中，设计图纸有较大不确定性，围岩等级划分不准，前方围岩把握有较大风险，施工难度较大，动态施工占绝大部分里程段，但九条龙隧道在施工单位及几方共同努力下，于.6.25安全、顺利完成九条龙隧道双线贯通。
在不良地质围岩情况施工中，全断面开挖及分部开挖、爆破开挖及非爆破开挖、格栅支撑和钢支撑、早期支护及二次支护、仰拱立即封闭、一次掘进进尺等全部对隧道及结构应力状态产生对应影响。确定不良地质条件下隧道施工方法为：超前支护，先护后挖，控制爆破，加强支护，仰拱紧跟，适时衬砌，量测反馈。并做好各个技术交底工作、强化管理人员科学意识，建立严格施工管理制度。
参考文件：
[1] 关宝树．隧道施工安全集[M]．北京：人民交通出版社，．
[2] 代刚．中铁十二局四企业温福项目部．山西：科学之友，6月．
作者介绍：梁雄宇1（1983-10），男，广东广州人，工程师，从事路、桥施工管理工作。
林雄奇2（1986-01），男，广东广州人，助理工程师，从事路、桥施工管理工作。