岩溶地区双连拱隧道安全快速施工技术

梁缄鑫

【摘 要】针对岩溶地区大跨径、双连拱隧道安全效益和经济效益平衡问题,通过转角塘隧道施工实例,分析了三导洞法和中导洞法的适用条件,介绍了支护方案的设计与选择、进洞施工技术、主洞开挖钻爆设计、掘进方案、超前地质预报、监控量测和二次衬砌施工组织等.

【期刊名称】《铁道建筑技术》 【年(卷),期】2014(000)005 【总页数】5页(P89-92,96)

【关键词】岩溶地区;双连拱隧道;三导洞法;中导洞法;监控量测 【作 者】梁缄鑫

【作者单位】中铁二十局集团第五工程有限公司 昆明650200 【正文语种】中 文 【中图分类】U455.4

1 工程概况

沪蓉西高速公路转角塘双连拱隧道位于湖北省利川市境内，左线起讫桩号为 ZK322+010.949～ZK322+232.25，长 221.301 m;右线起讫桩号为

YK322+010～YK322+231，长221 m。设计为夹心式连拱隧道，左右测设线间距4.5 m，双侧均为-2.9%的单下坡，左线最大埋深约72 m，右线最大埋深约65

m，是典型的浅埋偏压隧道。隧道穿越地带地貌单元属构造剥蚀溶蚀峰丛低中山地貌，地表相对高差近70 m。区内地形起伏较大，局部地段地形稍陡，大部分地带植被发育。隧道进出口段地形坡度15°～20°。 1.1 工程地质

隧道地表覆盖层主要是亚黏土，零星分布于区内局部地段，厚度一般不大，褐黄色，湿，软塑状。地表可见溶蚀沟、槽谷、洼地、漏斗、溶芽，岩石存在岩面溶蚀、溶洞及稳伏溶洞。

基岩分弱风化及微风化灰岩。其中弱风化灰岩揭露层厚约2.10 m，局部地段有分布，灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，溶蚀明显，岩芯呈柱状，岩质硬。微风化灰岩最大揭露层厚64.60 m，灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，局部裂隙较发育，局部见溶蚀现象及方解石细脉，岩芯较完整，呈柱状，局部碎块状、饼状，岩质坚硬。 1.2 不良地质现象

根据工程地质条件揭露信息，我们推断该隧道施工过程可能会出现以下不良地质现象:

(1)在雨季开挖过程中有可能发生透水、突泥等。

(2)开挖过程中遇到溶崩角砾岩夹层时，易产生崩塌、冒落等现象。

(3)岩层产状325°∠8°，岩层倾角较小，该地区岩溶发育，岩层风化程度不一，不利位置施工中有可能发生掉顶，塌方等事故。 2 开挖方法选择

转角塘隧道地质构造复杂，且围岩破碎、节理发育，洞口位置属于围岩软弱段，施工必须以保证安全为第一原则。综合比较三导洞法与中导洞法的特点认为:三导洞法施工，其侧导洞开挖后施工的边墙，可为主洞开挖初期支护钢拱架提供支点，减小初期支护跨度，同时通过侧导洞的开挖可以了解前方围岩情况，为确定合理的施

工方法、支护参数提供参考，从而能有效提升安全系数。 因此，决定转角塘隧道先行采用三导洞法进行开挖。 3 三导洞法开挖作业 3.1 洞口段开挖

洞口段施工首先应规范施作截水沟，其次是保证边仰坡坡面平整、稳定，无危石。 3.2 中导洞开挖

中导洞进洞端里程定于K322+223。

进洞前，采用超前小导管注浆方案加固前端围岩，改善洞顶围岩的物理力学性质，确保进洞安全。

根据经验，综合考虑作业空间、尽量降低中隔墙顶部回填混凝土方量，并考虑中导洞临时支护拆除后可重复利用等因素，确定中导洞开挖断面为宽6.2 m、高5.4 m。为控制成洞面，采用光面爆破技术全断面开挖，支护方案:初喷3～5 cm厚混凝土后布设长2.5 m(3 m)φ22砂浆锚杆(100 cm×100 cm梅花形布置)，然后挂20 cm×20 cm的φ8钢筋网，根据围岩条件架立间距50～120 cm间距不等的14工字钢架，最后复喷至设计厚度12 cm。 3.3 侧导洞开挖

为平衡偏压对施工安全的影响，本隧道开挖拟先进行右侧主洞的施工。右导洞与中导洞开挖及支护类似。当中导洞施工至里程K322+213时，开始进行右导洞施工;右导洞施工至K322+182时，开始左导洞施工。

右导洞掘进至K322+163时，发现围岩属于典型的灰岩，岩性较硬，节理裂隙较发育，完整性较好，无滴水或渗水现象。左导洞施工至K322+162时，发现围岩条件同右侧及中导洞相似，均有明显好转。根据3个导洞开挖揭示的围岩状况，综合中导洞超前地质预报的地质条件，自K322+162时，施工方法变更为中导洞法。

3.4 中隔墙及边墙施工

中隔墙混凝土由大里程向小里程方向泵送砼浇筑，灌筑砼时直接顶到围岩，并预埋PVC压浆管，在主洞开挖前进行压浆处理，同时注意预埋主洞围岩段钢拱架连接板。为防止主洞开挖时中隔墙倾覆或侧移，在中隔墙砼具有一定强度后、右主洞开挖前，将中隔墙左侧和中导洞开挖轮廓间的空间用土回填并灌筑C10片石混凝土，墙顶设φ20 cm原木水平支撑。中隔墙应按照设计留好沉降缝，尤应注意在围岩变化位置增设沉降缝。

侧导洞边墙混凝土浇筑前按设计要求及时施作排水盲沟，纵向设φ100透水软管，敷设300 g/m2土工布和TJ281防水板组成的防水层(复合式防水板)，并根据洞内渗水点在衬砌背后每隔6 m设一环向盲沟。同时做好施工缝、沉降缝的防水处理。

3.5 正洞进洞方案

为提高洞口围岩的稳定性，确保安全进洞，在暗洞进洞段拱部施作20 m长大管棚，并注浆加固周边围岩。 3.5.1 施作导向墙

施作厚50 cm、宽2 m的C25钢筋砼套拱作导向墙，在洞口里程外起拱线下50 cm路基土石方留一长约5 m平台，然后在洞口明暗交界处架立钢架，间距0.75 m，用连接筋焊接成整体。在钢拱架上安设导向钢管，数量、环向间距和外插角与大管棚设计一致。导向钢管的安装要测量精确定位，使钢管位置与方向准确无误，并与钢架焊为整体。然后按设计浇筑套拱砼、预埋φ127×4 mm孔口管，仰角1°～3°。套拱施工完成后，喷射C25砼厚15 cm封闭周围仰坡面，以防止浆液从周围仰坡渗漏。 3.5.2 制作管棚管

超前长管棚采用φ108×6 mm无缝钢管，奇数钢管管壁钻孔，孔径14 mm(靠孔

口2.5 m范围不打孔)，孔距10 cm，偶数管为无孔管，注浆后再打无孔管，管棚环向间距40 cm，钢管接头采用长15 cm丝扣连接。为使钢管接头错开，编号为奇数的第一节管采用3 m钢管，编号为偶数的第一节钢管采用6 m钢管，以后每节均采用6 m钢管。 3.5.3 钻孔、注浆

管棚钻孔采用DK-300型水平地质钻机钻孔，钻进中采用测斜仪量测钻进的偏斜度，发现偏斜超限及时纠正。每钻完一孔便顶进一根长钢管，施工时先打有孔管，用高压风清理钻孔。注浆采用4.0 MPa以上的注浆泵进行，水灰比1∶1，水玻璃浓度35°Bé，模数2.4，掺入量为水泥重量的5%。为了延缓浆液初凝时间，可适当掺入2% ～4%的Na2PO4缓凝剂。一般初压为0.5 ～1.0 MPa，终压达到2.0 MPa 以上或注浆量已达到理论值再持续压浆20 min后，可结束注浆。 3.6 正洞掘进方案

进洞端大管棚施工完毕，加固达到一定强度后，开始采用分台阶法开挖主洞，支护按照Ⅴ级围岩标准施工(见表1)。

表1 初期支护设计方案围岩级别钢筋网喷射混凝土工字钢架锚杆类型长度/cm纵向间距/cm环向间距/cm直径网格间距/cm等级厚度/间距/cm规格cmⅤ级中空注浆 350 50 100 φ8 20×20 C20 28 20b 50Ⅳ级中空注浆 300 100 100 φ8 20×20 C20 25 18 100Ⅲ级药卷 250(φ22)120 120 φ6 20×20 C20 15

在大管棚支护段掘进完毕后，发现围岩条件虽有好转，但依然破碎，爆破后围岩稳定性较差，不能自稳，难以进行初期支护，故采用超前小导管对围岩进行预加固:超前小导管采用φ42 mm，长3.5 m，壁厚3.5 mm的无缝钢管，环向间距0.4 m，管壁梅花形布置6 mm的注浆孔，注浆孔间距100 mm，导管端部预留1.0 m止浆段。超前小导管施工时，钢管与衬砌中线平行以仰角14°打入拱部围岩，小导管端部要支撑在格栅钢架上或从型钢钢架腹部穿过。注浆工艺和参数同大管棚。

施工时前后两排导管的搭接长度不少于1.0 m，呈梅花形布置。 4 中导洞法开挖施工 4.1 初期支护

初期支护方案制定主要依据超前地质预报结果进行，提前备好支护材料，实际施工时，根据开挖揭露地质条件和监测情况进行调整。

转角塘隧道拟用的支护设计针对Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级围岩分为3种类型(见表1)，实际施工时，根据围岩条件变化及监测结果及时变更，在确保安全的条件下，争取成本最小。 4.2 正洞钻爆设计

实际施工中，采用光面爆破与预裂爆破手段相结合的方式，既可有效控制爆破震动，又可降低爆炸冲击波对中隔墙以及围岩的扰动［2］，爆破设计如图1～图3所示，全断面爆破参数见表2。 图1 全断面开挖炮眼布置 图2 周边眼装药示意 图3 掏槽眼布置

炮眼装填2号岩石硝铵炸药，用非电毫秒雷管分段起爆，钻孔直径为φ38;周边眼采用φ25药卷间隔装药，导爆管起爆，周边眼间距E=45 cm，抵抗线W=65 cm，E/W=0.70。为了减小爆破对中隔墙的影响，邻近中隔墙的炮眼最小抵抗线为20 cm，且与相邻炮眼间距为100 cm。岩石炸药消耗量q=0.72 kg/m3，每平米炮眼数1.5个。

表2 全断面爆破参数炮眼部位名称炮眼数量/个炮眼深度/m装药系数/%药卷直径/mm每孔装药量/kg合计装药量/kg雷管段别掏槽眼 13 2.2 91 32 1.50 19.50 Ms-1～3辅助眼7 2.0 80 32 1.20 8.40 Ms-5辅助眼 13 2.0 70 32 1.05 13.65 Ms-7～9辅助眼23 2.0 60 32 0.90 20.70 Ms-11周边眼24 2.0 30 25 0.45

10.80 Ms-13周边眼28 2.0 45 25 0.675 18.90 Ms-13底眼12 2.1 86 32 1.35 16.20 Ms-15临近中隔墙7 2.0 20 25 0.3 2.10 Ms-11合计127 110.25 在K322+179进行全断面开挖的第一次爆破，爆破后，技术人员观察发现:拱顶轮廓线明显，无坍塌，围岩完整性较好;边墙爆破轮廓线明显，无超、欠挖现象。说明光爆效果理想，钻爆设计满足开挖要求。

全断面开挖在爆破后围岩暴露自由面比较大，应迅速完成临时支护。第一次爆破试验成功后，后来掘进沿用了原设计钻爆方案，均取得较好的开挖效果，说明爆破由三导坑法变更到全断面法施工比较成功。 4.3 出洞施工

采用全断面开挖距进口端还剩40 m(K322+050)时，围岩条件开始变差:节理、裂隙发育，围岩破碎，完整性差，爆破开挖后围岩自稳能力较差。根据“岩变我变”的原则，从K322+050时开始采用超前锚杆对围岩进行预支护，分台阶法开挖。超前锚杆预加固体系施工至K322+030时，将超前锚杆支护体系改为小导管注浆，对围岩进进行预加固，采用分台阶法施工至隧道贯通。隧道出洞段，循环进尺绝不能大于0.8 m，以降低爆破对围岩扰动。左洞出洞与右洞类似，按照同样的方法施工。

为保证隧道顺利出洞，为隧道出洞留有一定的开挖空间，在出洞前先对进口端进行刷坡处理，并对进口端围岩进行注浆加固。 5 二次衬砌施工

二次衬砌施工时间主要依据监测结果进行组织，当拱顶沉降速率小于0.1 mm/d时，应尽快进行二次衬砌施工。

因双连拱隧道左右线间隔较小，爆破震动对相邻隧道安全影响较大，故要求二次衬砌作业部位与另侧主洞爆破开挖面间隔30 m以上。转角塘隧道全长仅221 m，加之左右洞作业面存在一定间距，采用一台衬砌台车既能满足安全和进度、质量要

求，又可节约成本，我们定制了一台12 m长液压全自动衬砌台车。

转角塘隧道右线衬砌施工至YK322+156时，离掌子面距离60 m，左线掌子面里程ZK322+117。监测资料显示，左线隧道出口端拱顶下沉速率小于0.1 mm/d，可以进行二次衬砌施工。遂将衬砌台车移至左洞进行二次衬砌施工，与开挖同步进行，待左洞二衬全部完成后，将衬砌台车由进口端移入右洞，完成剩余衬砌施工。 6 监控量测分析及开挖总体评价

6.1 监控量测内容、仪器和频率，测点布置

转角塘隧道监测内容主要包括:隧道内目测观察、隧道净空收敛量测、地表沉降量测，拱顶下沉量测、锚杆拉拔力量测。选测项目有:锚杆轴力量测，钢架荷载量测，围岩内变形量测，喷射混凝土应力量测，二次衬砌内部应力量测。测点布置如图4所示。

6.2 监控量测实施 6.2.1 导洞监控量测

转角塘隧道开挖中每条导洞各设置拱顶下沉监测断面19处、周边收敛监测断面17处。实测显示:拱顶沉降值不大，以进洞端20 m沉降值最大，导洞拱顶下沉在开挖12 d左右基本稳定;总体来讲收敛值不大，开挖过程中最大收敛段位于进洞端，最大收敛值达到5 mm，开挖12 d左右，导洞变形基本稳定。

经过30 d的沉降观察，未发现沉降过快及拱顶支护开裂掉块等现象，说明导洞开挖及支护安全。

6.2.2 三导洞法和中导洞法主洞开挖监测

监测内容主要包括拱顶下沉、周边收敛、地表沉降、锚杆轴力、拱架内力以及围岩内部位移量测等，取拱顶下沉与时间关系曲线，拱架内力与时间关系曲线量及锚杆轴力与时间关系曲线为主，对监测内容进行分析。 图4 转角塘隧道监测布置(单位:cm)

7 结束语

通过转角塘隧道施工，我们深刻体会到:由于隧道地质条件的多变性及初期勘察资料的不完备性，使得施工设计难以满足施工要求，这就要求在施工过程中加强对地质条件地进一步了解，并通过开挖过程中的监测进行反馈，及时调整开挖及支护方案，以使开挖、支护满足安全性和经济性的要求。