不良地質隧道施工技術總結

1、不良地質隧道施工技術梁雄宇 1 林雄奇2（四航局一公司貴都高速公路第九合同段項目部 廣東 廣州 ）摘要：在公路隧道施工中，不良地質隧道施工已成為施工的首要問題，本文中以賈托坡及九條龍隧道為例，分別闡述在不良地質隧道中小、中、大型溶洞的處理措施、塌方處理方法及開挖、初支過程中施工方法。該文對類似九條龍隧道施工有一定借鑒作用。關鍵詞：公路隧道 不良地質 施工技術1、工程簡介 貴都高速第九合同段隧道共兩座，分別為賈托坡隧道及九條龍隧道，其布置形式為分離式雙洞單向行車雙向車道，設計速度100km/h，凈高5m，凈寬10.75m，汽車荷載等級為公路I級。兩座隧道地質條件復雜，地層巖性以碳酸鹽巖為主，還存

2、在沖積泥沙、粉沙、殘積粘土。巖溶為隧址區(qū)主要不良地質問題，其次為崩坡堆積體。本文主要以九條龍隧道為主，介紹九條龍所受不良地質影響。崩坡堆積體位于九條龍隧道進口段，主要由碎石、角礫及粉質黏土組成，稍密至中密狀為主。巖溶形態(tài)主要為溶洞、豎井、落水洞及巖溶漏斗等。根據(jù)地表地質調(diào)查資料，隧道區(qū)落水洞、豎井、巖溶漏斗星羅棋布，呈串珠狀展布，巖溶垂直循環(huán)帶極為發(fā)育。隧道開挖時遇到溶洞多次，施工難道度很大，其中九條龍隧道出口一大溶洞縱向跨越長達37m，橫向寬15m，高出拱頂10m，深度約50m；遇到大小突泥不小于7次。2、施工方法的選擇洞室的形成是通過開挖和支護兩個施工階段完成的。因此采用的施工方法和支護方

3、法也必然對整個隧道的穩(wěn)定給予一定的甚至是極為重要的影響。選擇隧道的施工方法，應以地質條件為主，還要結合隧道長度、斷面、結構類型、工期要求、施工技術力量、機械設備情況和綜合效益等綜合確定。由于不良地質情況下圍巖自穩(wěn)能力差，因此開挖后需要及早施作初期支護，并閉合成環(huán)，提高承載能力，因此決定采用短臺階法作為基本施工方法。采用拱部超前的臺階法開挖不僅能在正面和中層同時鉆孔，而且支護準備、支撐架設和噴射混凝土支護以及錨桿作業(yè)都能相互交替進行。如果巖體的自穩(wěn)時間不足或開挖面不穩(wěn)時，可采用臺階式保留核心土的方法。為了充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，延長洞身開挖后圍巖自穩(wěn)時間，我們可確定先護后挖。在洞口軟弱圍巖地段采

4、用108長管棚施工，在V級圍巖地段采用超前小導管注漿加固地層，并超前支護；在IV級圍巖地段采用超前錨桿支護。由于地質條件差，巖體松散破碎，選擇支護手段時，要選用既能承受較大的圍巖壓力，同時還能大面積的、牢固的與巖體緊密接觸，能及時施作、隨時加強的支護手段。因此，我們采用噴射混凝土、錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、鋼拱架聯(lián)合一起的組合支護形式。如TSP測出前方有水及填充物征兆，需借助“地質雷達掃描+地質超前探孔”地質超前預報手段進一步確定前方圍巖情況，再根據(jù)所確定的圍巖情況來決定掌子面開挖及支護方法。在厚大的石灰?guī)r、白云巖中進行隧道開挖時會遇到隱伏性巖溶、溶洞。施工中必須重視超前探測，及時采取相應的處治措施。對

5、于巖溶水量較小，與外界無水力聯(lián)系的溶洞，可用排水管將水導入中心水溝。如果巖溶水量較大，無法一時排干，且與外界有水力聯(lián)系時，盡量不要破壞現(xiàn)有的溶洞水平衡。根據(jù)溶洞出現(xiàn)的位置、大小、形態(tài)、填充物狀況等不同，采用不同的結構形式進行處治，注意在襯砌背后設有充足的疏排措施。如果自穩(wěn)性很差的圍巖在較長時間達不到基本穩(wěn)定的條件，噴射混凝土出現(xiàn)大量的明顯裂縫，而支護能力又難以加強，則應及早施作仰拱，以改善圍巖受力變形條件。若圍巖仍不能穩(wěn)定，應提高二襯參數(shù)，提早進行二次襯砌，以提高支護抗力，避免初期支護坍垮。根據(jù)新奧法理論，變形在初期支護下已趨于穩(wěn)定，二次襯砌作為安全儲備而修建，而不是把二次襯砌作為承載的主要結

6、構在襯砌施工時，強調(diào)適時襯砌，充分發(fā)揮初期支護的作用。3、隧道不良地質具體展現(xiàn)3.1、溶洞當隧道穿過溶蝕性巖層時，有的溶洞位于隧道拱部腰部，內(nèi)充填物松軟且深，溶洞難于處理，進度滯后；有的溶洞位于隧道底部，跨越半個隧底，隧道基底難于處理；有的溶洞巖質破碎，容易發(fā)生坍塌；有時遇到大的水囊，巖溶水或泥砂夾水大量涌入隧道；有時遇到填滿飽含水份的充填物溶槽，當坑道掘進至其邊緣時，含水充填物不斷涌入隧道內(nèi)，難以遏止，甚至地表開裂下沉，山體壓力巨增。隧道在溶洞地段施工時，應根據(jù)設計文件、超前地質預報等有關資料及現(xiàn)場實際情況（地質超前鉆），查明溶洞分布范圍、類型情況（大小、有無水、溶洞是否與外界聯(lián)通，以及其充

7、填物 ）、巖層的穩(wěn)定程度和地下水情況（有無長期供給來源、雨季水量有無增長）等，分別以引、堵、跨越等措施進行處理。本工程隧道施工中無遇到地下暗河，基本以裂隙水囊存在；有些裂隙洞是由地表根系發(fā)展于洞內(nèi)，洞內(nèi)水有地表強降雨補充。其中九條龍隧道出口一大溶洞縱向跨越長達37m，橫向寬15m，高出拱頂10m，深度約50m，隧底水系發(fā)育。其他基本以中小型溶洞存在。3.1.1、中、小型溶洞的處理措施對地下水不發(fā)育的中、小溶洞，采用漿砌片石或干砌片石回填處理，必要時壓漿填充。（1）、邊墻溶洞處理對隧道邊墻通過的溶洞，經(jīng)調(diào)查及雨季中考驗證明溶洞水對隧道無影響時，施工中采用回填封閉處理?？窟厜?m范圍內(nèi)用漿砌片石回

8、填，或回填棄碴，空隙吹砂填滿，并壓注水泥砂漿膠結。（2）、隧道拱部護拱防護當隧道穿過拱部發(fā)育之溶洞，無充填物、干燥、溶洞高大，洞壁有溶實裂隙。處理措施：先施作洞內(nèi)初支，在初支中采用工字鋼加強或加密，過程中在適當位置預留泵送孔，當初支跨越該拱部溶洞時，在預留孔中泵送C20砼，泵送標高應高出鋼架最高處2m，以防溶洞有落石掉塊時，起到緩沖作用，參見圖1。如水系發(fā)達應確保原溶洞水路暢通、隧道拱溶洞空腔部分不積水。圖1: 拱部溶洞處理圖（3）、隧底溶洞處理對隧道底部為溶洞無填充物時，措施處理的中、小型空洞采用底板梁加強襯砌通過或在隧底以下部分用塊石、碎石回填密實，距隧底1m厚度用漿砌片石回填。如隧底較深

9、可采用底板梁加強襯砌通過，隧道鋪底或仰拱設計為平板型，在底板及邊墻下部加設鋼筋，灌注鋼筋混凝土，共同形成鋼筋混凝土梁，具體詳見圖2所示。對隧道底部溶洞內(nèi)有填充物時，需換填后或先壓漿膠結后再按溶洞無填充物方案處理。 圖2: 隧底底板梁處理圖3.1.2、大型溶洞的處理措施九條龍隧道出口一大溶洞縱向跨越長達37m，橫向寬15m，高出拱頂10m，深度約50m，隧底水系發(fā)育。對于該溶洞處理方案如下：（1）、采用拋棄片石回填，粒徑不低于20cm，過程中保證不破壞溶洞底水系。溶洞回填至距離隧道底部1m處后，用漿砌片石回填。（2）、依著溶洞大小施作護拱，護拱外模以I20工字鋼及網(wǎng)片噴射砼形成，初支跟進，待初支

10、施作完后，再護拱與初支之間泵送C25砼，填充密實。過程中護拱內(nèi)工字鋼緊扣在洞壁上。具體參數(shù)見圖3。圖3：溶洞處理圖3.2、塌方處理一般的處理原則是先加固, 防擴展, 后處理的原則, 要求處理塌方寧早勿遲, 寧強勿弱。對一般塌方可直接進行塌體處理, 而對塌體破碎松散、影響范圍大的塌方一般分為初期處理與塌體處理兩部分。3.2.1、初期處理(1)、封閉塌體, 加固塌體后方。其重要性有: 形成平衡拱的圍巖本身具有一定自穩(wěn)能力, 但由于圍巖的不均質, 可能有小石塊的松動吊落, 進而引發(fā)較大的坍塌, 而噴混凝土可以有效地阻止小石塊的松動吊落, 從而避免大的坍塌。由于有了噴混凝土附著在圍巖表面上, 圍巖變形

11、就會及時反映在噴混凝土表面, 為準確判斷圍巖穩(wěn)定提供強有力的依據(jù)。噴混凝土是各種處理塌方手段中最及時、最安全的方法。在塌方后方5 m10 m 范圍內(nèi)采用鋼支撐加錨桿及小導管注漿進行加固。(2)、如塌方塌至地表, 則應對坍塌漏斗地表進行截水, 必要時采用防水板或彩色布覆蓋, 防止地表水灌入塌體內(nèi), 引發(fā)再一次塌方, 待洞內(nèi)處理完畢后, 采用土石夯填到略高出原地面。待填土下沉穩(wěn)定后, 用M7.5 漿砌片石鋪砌。3.2.2、塌體處理塌體處理一般在初期處理完畢后或塌方暫時達到自穩(wěn)時進行。常用的方法有76mm管管棚法（突泥）、小導管注漿法、三臺階開挖法、二襯加強及回填法等, 并在處理過程中加強監(jiān)控量測工

12、作, 用量測信息動態(tài)指導施工。3.2.2.1 管棚法在第九合同段隧道中用76管棚法處理塌方嚴重段（帶有大量填充物）。采取的具體措施為先對塌體及周邊巖體進行預注漿加固, 之后在預留變形基礎上向塌體或周邊巖體打管棚進行塌方處理。九條龍隧道處理突泥中，長管棚參數(shù)如下：（1）鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管76mm，壁厚6mm；（2）管距：環(huán)向間距30cm，在拱部120范圍內(nèi)布設，必要時可根據(jù)超前預報在圍巖軟弱處加設；（3）傾角：外插角1520，具體可根據(jù)實際情況作適當調(diào)整，方向:與路線中線平行，長度：一般每12m為一環(huán)，兩環(huán)之間搭接長度不小于3m。（4）鋼管施工誤差：徑向不大于20cm；（5）施工機械：鉆孔用

13、潛孔鉆最少滿足30m鉆孔要求，注漿泵2臺，型號為BWS-200/10水泥砂漿泵，壓力：5-10Mpa，流量：200L/min，功率：22kw；（6）灌注漿液：純水泥（添加水泥重量15%的水玻璃）漿液。（7）注漿參數(shù)：水泥漿水灰比：1：0.8，水玻璃濃度：35波美度水玻璃模數(shù)：2.4，注漿壓力 初壓0.51.0MPa 終壓23.0MPa，膠凝時間為10min，個別參數(shù)可由現(xiàn)場試驗調(diào)整確定。3.2.2.2 小導管注漿法小導管注漿法適用于塌體不大, 地質條件較松散的塌方。施工措施為預注漿加固塌體和松散圍巖, 并與鋼拱架和錨噴混凝土相結合對塌方進行處理。小管棚一般采用42 mm 鋼管,長3.5 m,

14、環(huán)向間距40cm, 縱向間距搭接大于1.0 m, 插入施工中一般采用不同外插角的方法對加固巖體效果較好。3.2.2.3 三臺階開挖法新奧法原理要求軟巖地段或塌方段施工始終堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、緊襯砌”的原則。三臺階法開挖時, 開挖臺階長度為3m5 m, 以人工風鎬配合挖掘機為主, 輔助微弱爆破, 出渣采用挖掘機或裝載機裝, 自卸汽車運輸；每循環(huán)進尺為一榀拱架間距, 這樣就能在不擾動圍巖的情況下安全順利地通過塌方體。3.2.2.4 二襯加強及回填法因為塌方段襯砌荷載比未塌前增大, 所以襯砌要加強，加強襯砌應先考慮采用提高混凝土標號或襯砌內(nèi)加鋼筋、型鋼以加強支護能力等措施；

15、回填材料易采用水泥漿或泵送砼方法施作，過程中應分時間段膠結后注滿。4、不良地質隧道施工主要施工工藝4.1、超前支護不良地質隧道施工時，圍巖大多以松散土、破碎夾層存在，自穩(wěn)能力極差，開挖后在短時間內(nèi)就會掉塊。因此，超前支護成為必然手段。我們在隧道施工中主要采用了超前長管棚（108mm管、76mm管）、超前小導管、超前錨桿三種超前支護形式。其中，掌子面為較松散土體且含水量較大時采用超前長管棚注漿支護固結土體，V級圍巖采用超前小導管注漿，IV級圍巖采用超前錨桿。4.2、開挖（1）、V級圍巖采用人工、風鎬及機械開挖，開挖按短臺階法，分三部臺階留核心土法，即起拱線上一節(jié)，起拱線下3m一節(jié)，底部一節(jié)。上中

16、臺階長度35m，每次進尺0.81.0m，中下臺階長度盡量在30m以下，詳見圖4。為了保持開挖面的穩(wěn)定，縮短封閉時間，采用預留核心土法。開挖后及時施作初期支護。（2）、IV級圍巖采用控制爆破與人工風鎬開挖。按上下臺階法施工，拱部超前，臺階長度35m。每步進尺11.5m?？刂票瓢此蓜颖剖┕?。尤其是周邊眼、內(nèi)圈眼，密排炮眼，間隔裝藥。 圖4、三臺階留核心土法4.3、支護4.3.1、噴射混凝土封閉噴射混凝土在洞外拌和站集中拌和，由混凝土攪拌運輸車運至洞內(nèi)，采用噴射機噴射作業(yè)。對于隧道內(nèi)松散土體或軟弱圍巖隧道開挖后立即對圍巖面噴一層5cm厚混凝土，主要是封閉巖面，防止隧道周圍巖體質量進一步惡化，防止

17、圍巖出現(xiàn)掉塊或局部崩塌，然后架立鋼拱架、打設錨桿、掛鋼筋網(wǎng)，對初噴巖面進行清理后復噴至設計厚度。4.3.2、系統(tǒng)錨桿施工層狀圍巖中，開挖后表面張裂，巖層易沿層面滑移或受撓折斷而引起坍塌；塊狀圍巖可能形成不穩(wěn)定危石；加入與層面垂直并伸入松動圍巖以外或承載環(huán)以內(nèi)的錨桿支護，與沒有松動的較完整穩(wěn)定的圍巖相聯(lián)結，能有效增加層面或結構面間的壓應力和抗滑動摩阻力，使圍巖和錨桿噴射砼形成穩(wěn)定的承載結構。當圍巖呈塊、碎狀鑲嵌結構，穩(wěn)定性較差時，依靠錨桿和鋼筋砼的支護力、錨桿的聯(lián)結及本身的抗剪強度，能提高圍巖承載圈的抗壓和抗剪強度，起到圍巖的整體加固作用。4.3.3、鋼拱架施工鋼拱架包括型鋼拱架及格柵拱架兩種。

18、鋼拱架的作用是延長自穩(wěn)時間，提高V級、VI級軟弱圍巖初期支護強度和剛度，抑制圍巖變形，增強支護抗力。鋼拱架安裝在掌子面開挖初噴完成后立即進行。根據(jù)測設的位置，各節(jié)鋼拱架在掌子面以螺栓連接，連接板應密貼。為保證各節(jié)鋼拱架在全環(huán)封閉之前置于穩(wěn)固的地基上，當圍巖軟弱且富水時，在鋼拱架基腳處增設縱向槽鋼托梁，以增加基底承載力。安裝前應清除各節(jié)鋼拱架底腳下的虛碴及雜物。底部開挖完成后，底部初期支護及時跟進，將鋼拱架全環(huán)封閉。為保證鋼拱架位置安設準確，待鋼拱架架立到位后，立即用縱向連接筋已施作鋼拱架焊成一體。同時將鋼拱架與系統(tǒng)錨桿焊成一體，使鋼拱架與錨桿共同受力。鋼拱架立畢后，用砂將鋼拱架拱腳連接板埋住，

19、以便與下單元鋼拱架連接。隧道防止鋼拱架下沉的措施（特殊地段）如下：（1）、加強對鋼拱架的徑向固定措施鋼拱架安裝與系統(tǒng)錨桿固定在一起，另外，要加強錨桿和鋼拱架的焊接質量，確保鋼拱架和錨桿連接緊固。兩榀之間的環(huán)向連接鋼筋必須按照設計間距進行焊接連接，同樣要嚴格保證焊接質量。（2）、加強對鋼拱架的鎖腳固定措施由于采用分臺階開挖方法，拱部鋼拱架安裝后，鋼拱架暫時不能全斷面封閉成環(huán)，同時軟弱圍巖隧道拱部鋼拱架無法座落在堅實的基巖上，因此，拱部鋼拱架必須采取鎖腳措施，將鋼拱架兩底腳牢固鎖定，以防止鋼拱架下沉或兩底腳回收，鋼拱架鎖腳采用每側安設24根鎖腳錨管將其鎖定，鎖腳錨管采用42小導管，長度3.5m。錨

20、管采用鋼花管，壓注水泥漿液進行錨固，如地質較差時，采用加長鎖腳錨管長度和增設鎖腳錨管以加強鋼拱架的穩(wěn)定。（3）、加設鋼拱架基礎連接縱梁，擴大開挖底腳，防止鋼拱架懸空。為防止鋼拱架下沉，視地質情況，必要時在拱部鋼拱架底腳增設連接縱梁，縱梁采用槽鋼，與鋼拱架底腳采用焊接連接，以增加鋼拱架底腳的承力面積。（4）、及時噴射混凝土進行覆蓋鋼拱架安裝完成后，及時進行噴射混凝土施工，噴射時分層、分段進行，鋼拱架應全部被噴射混凝土覆蓋，保護層厚度不得小于30mm。（5）、加強對鋼拱架的應力和變形監(jiān)測鋼拱架安裝后，加強對鋼拱架的應力和變形觀測，對鋼拱架所承受的應力以及變形速率和位移進行監(jiān)測，通過反饋數(shù)據(jù)分析，測定鋼拱架的穩(wěn)定性能，一旦發(fā)現(xiàn)鋼拱架有下沉或變形失穩(wěn)的趨勢，立即采取加固措施進行處理，同時依據(jù)反饋信息進行方案的修正和優(yōu)化。4.3.4、隧道圍巖的監(jiān)控量測隧道施工中掌子面開挖成形后，必須立即噴射不小于5cm厚的混凝土及封閉圍巖，緊跟監(jiān)控量測，否則工作人員不得進入掌子面作業(yè)。（1）、地質監(jiān)控做好針對掌子面開挖地質情況觀察、記錄和描述，并繪制工程地質縱斷面圖，與設計地質類型進行對比，以正確判斷圍巖類別。（2）、安全監(jiān)控對施工已開挖洞室進行安全檢查，觀察初期支護、二次襯砌有無發(fā)生裂縫、掉皮、鋼拱變形、滲漏水等現(xiàn)象，確保工程質量。（3）、拱頂下沉、周邊位移量測測點在洞內(nèi)布置一個斷面，觀