浅谈箬岭隧道特殊地质条件开挖施工技术

沈伟

（中国水利水电第八工程局有限公司 长沙市 410007）

1 工程概况

衢常铁路箬岭隧道位于常山县城以北约4km处，隧道线路里程为新建衢常铁路GDK35+120～GDK35+730，设计范围全长610m，洞身段全长595m，隧道进口位于直线上，出口位于2000m圆曲线上，最大埋深56m，最小埋深8m（上面是等级公路），全隧道位于3‰的下坡段。隧道洞身最大开挖断面67.64m2，最大开挖高度10.08m，最大开挖宽度7.92m。

隧道测区内主要有寒武系泥岩、炭质页岩、条带状泥灰岩、灰岩、炭质硅质岩、硅质岩地层及奥陶系下统泥岩、泥灰岩、灰岩等。第四系残坡积层广泛分布在缓坡地段，冲洪积层主要零星分布在沟谷洼地中。隧道测区未发现区域性大断裂，地质构造简单；但隧道轴线局部段落仍具一定规模的断层和节理密集带，主要有F1、F2、F3、F4断层。基岩裂隙水发育，采空区及灰岩溶洞裂隙水，具备一定的储水空间。

2 隧道开挖支护施工

由于箬岭隧道的开挖主要以V类围岩的开挖最长且最为复杂和困难，因此本文主要介绍V类围岩的开挖支护施工；同时，施工过程中，为了抢进度，采用两头同时掘进，由于该隧道进口处于浅埋偏压段，出口隧底存在软基流塑，因此，有必要对该隧道进、出口采用特殊的进洞方案。

2.1 隧道进洞方案

为保证施工安全，隧道采取早进晚出的进洞方案，即洞门修建应尽量避免对山体的扰动，并且尽可能减少边仰坡刷坡范围。隧道边仰坡开挖完成后不宜长时间暴露在空气中，应尽早进行洞天沟及排水沟施工，并及时进行临时支护。

2.1.1 箬岭隧道进口进洞方案

由于箬岭隧道进口处于浅埋偏压段，洞口段地质情况为上土下石，下部为呈62°后仰的顺层页岩，表面光滑，易形成滑动面，软弱围岩承载力低、稳定性差，易发生坍方，再加上处于偏压、浅埋段，因此，如何对围岩进行预加固和消除偏压对隧道施工的影响成为关键。为此，箬岭隧道进口洞口施工采取了套拱、超前长管棚等辅助施工措施，确保了施工安全。

（1）套拱施工。超前大管棚施工采用套拱进行导向，同时借助混凝土套拱稳定仰坡面山体。套拱结构如图1所示。

图1 管棚混凝土套拱结构示意图

套拱施工时，先安装①、②号Ⅰ14型钢钢架，钢架外表面的连线坡度与管棚的外插角一致。经环向各点量测满足要求后，固定①、②号型钢。在①、②号型钢上标注Φ127×6mm导向钢管的位置，逐根焊接于钢架上固定。然后安装内、外侧其它型钢钢架，内、外层钢架采用钢筋焊接，立模浇筑套拱混凝土。套拱混凝土达到100%强度时，方可实施管棚钻孔工作。

（2）超前大管棚施工。超前大管棚设在拱部设计范围内，采用Φ108×6mm的无缝钢管制作，管棚长（30～40）m，管棚中心距开挖轮廓线约30cm，环距为30cm，共打设31根。为确保支护质量，外插角按1°～3°控制。大管棚用管棚钻机钻孔，成孔直径为Φ127mm，为保证成孔质量，防止邻孔钻进时前面的成孔坍塌，钻孔间隔进行。

大管棚注浆用水泥浆液水灰比为0.5∶1～1∶1。每根管的注浆结束与否，不是以时间来判断，而是以注浆压力来控制，当注浆压力持续升高，接近或达到注浆预定压力时，该管注浆才可结束。注浆初压（0.5～1.0）MPa，终压（2～2.5）MPa。注浆结束后用10号水泥砂浆充填管棚钢管，增强钢管的强度和刚度。

2.1.2 箬岭隧道出口进洞方案

箬岭隧道出口根据地质补勘以及2006年6月11日进行的地表高密度电法地质超前预报揭示，箬岭隧道出口隧底存在大的溶洞并有流塑填充物，下伏弱风化灰岩，节理裂缝发育，溶蚀现象发育。以上正是造成隧道出口边坡开裂直至跨塌的直接和主要原因。在综合考虑了以上不良地质因素后，隧道出口最终采用了明洞进洞方案，在明洞施工前对左侧边坡采用钢管桩及钢筋块石笼挡墙进行加固，并对软基进行处理。

2.2 Ⅴ级围岩施工

本工程进口段Ⅴ级围岩拱顶为土层，下伏基岩；出口段Ⅴ级围岩则为全断面土洞。为了预防在土层中开挖隧道的大变形和坍塌问题，采用环形开挖留核心土法，实施短开挖，快循环来减少对土体的扰动，结合喷射混凝土及时封闭开挖面，用超前小导管、钢拱支撑、挂网、锚杆等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布。

中间段V类围岩多为破碎劣质围岩，属散体结构，岩石自稳时间短，而隧道开挖断面大，容易产生塌方现象，因此在施工中，采用分层分区进行开挖，并严格按照“早预报、先治水、超前支护、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测、平面多循环、立体多层次”的原则组织施工。

2.2.1 开挖施工

V类围岩的开挖分3层进行，Ⅰ层开挖高度为3.3m，ⅠⅠ层开挖高度为2.83m，Ⅲ层开挖高度为4.959m，采用自上而下的施工方式。

各层的开挖施工方法如下：

（1）Ⅰ层开挖。开挖高度3.3m，采用留核心土的方法，先开挖顶拱，再开挖两边，最后开挖中间部分。Ⅰ层开挖采用风镐配人工挖土，局部遇到坚石时，为减少对周边围岩的扰动，采用弱爆破将坚石震裂后用风镐开挖，每次开挖进尺控制在（0.5～0.8）m范围内，拱项支护完后，再进行两边的开挖。两边部分的开挖分两序进行，先开挖其中一边，支护好后再开挖另一边，两边尽量错开开挖。两边开挖完后，再进行中间核心士的开挖，核心部分可滞后3～4个循环开挖。

（2）Ⅱ、ⅠⅠ层的开挖。对于土质隧道段，隧道两侧边、仰拱采用跳槽法施工，间距1.5m。具体施工步骤为：先进行两侧边拱竖井的开挖，施工过程中加强基坑护壁，然后将边拱钢架与上导坑钢架接好，并安装临时仰拱。接着采用PC200液压挖掘机拉中槽，待将仰拱钢架封闭成环后，才能将临时仰拱拆除，开挖进尺根据围岩稳定性确定为l～2榀钢格栅的间距，即（0.5～1.0）m。

2.2.2 Ⅴ级围岩支护措施

（1）超前支护。采用超前小导管，开挖前将小导管打入掌子面拱圈中，通过灌浆将松散岩石结成一个受力拱圈。导管孔布置于设计开挖线外侧，距设汁线（10～25）cm、环向间距30cm、小导管上仰角度10°～15°，小导管采用Φ42的无缝钢管加工而成，导管顶部加工成锥形，管壁按梅花型布钻小孔，孔眼直径Φ（6～8）mm，间距为（20～30）cm，安装采用手风钻将小导管送入孔内。导管安装好后，立即喷（7～10）cm厚的混凝土，将开挖面及掌子面边顶拱封闭，防止浆液从导管周围渗出。小导管注浆压力为（0.2～0.3）MPa，水泥浆的水灰比l∶1，为了使导管灌浆后尽快产生强度，在浆液中加入水玻璃等外加剂。注浆时先注无水孔，后注有水孔。注浆完后，孔口设止浆搴，防止浆液倒流。小导管与钢格栅联合施工，其外露端置于钢（格栅）拱架之上并焊接成整体。

（2）加强支护。导流洞加强支护措施为钢格栅支撑加挂网喷混凝土或型钢支撑加挂网喷混凝土。格栅支撑由4根Φ22的螺纹钢筋加工而成，断面为边长20cm×15 cm的矩形，钢格栅可根据开挖措施进行分段加工制作，段与段之间设连接板。型钢支撑由Ⅰ20a的工字钢焊接而成。钢支撑安装好后，每两榀之间焊Φ25的联系钢筋，并挂Φ6.5的钢筋网片，然后喷混凝土覆盖钢支撑。由于型钢支撑采用的是机械一次成型法，加工简单，运输轻便，安装灵活，在V类围岩的支护中大量采用，缺点是与混凝土的结合不如格栅钢架。

3 隧道超前地质预报及不良地质情况处理

3.1 地质超前预报在本工程中的应用简介

3.1.1 物探方法

我们与中南大学建设工程检测技术有限公司合作,利用现有探测设备，根据需要，对特殊地质地段采用TSP203及地质雷达等方法进行探测，判断开挖面前方一定范围内的地质变化情况。以下对现场探测情况简述如下。

（1）TPS203地震波勘探。

TSP203(地震波勘探)是隧道掘进过程中长期超前地质预报主要的方法和技术手段，通过TSP203进行中长距离（掌子面前方100m～150m）预报，主要对不良地质体的位置、规模、性质作较为详细的预报，预报围岩级别和地下水情况。

2006年12月8日我们对GDK35+554～GDK35+452区段进行了TSP203超前地质预报。与其它反射地震波方法一样，TSP203超前地质预报系统采用了回声测量原理。地震波在指定的震源点用小药量激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面（即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比，故而能提供一种直接的测量。

TSP203超前地质预报系统的现场布置及测试过程由一系列炮点、两个三维接收传感器、接收机及数据处理系统组成，本次探测采用瑞士安伯格测量技术有限公司TSP203超前地质预报设备。TSP203现场布设情况见图2。

图2 TSP203现场布设图

根据TSP203探测结果，检波器前方102m范围内，围岩纵波平均速度为（2500～5423）m/s，密度为（2.51～2.71）g/cm3，泊松比为0.2～0.35。探测结果表明GDK35+554～GDK35+452预报段内，岩性为弱风化灰岩，其中GDK35+ 554～543、GDK35+487～GDK35+468溶洞发育，粘土充填，含水，围岩级别为Ⅴ级，可能造成较大的突泥现象发生，须加强预防措施。

（2）高密度电法。

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，其工作原理与常规电法一致，以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律从而来解决地下地质问题。野外测量时只需将全部电极（几十至上百根）置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。

本工程根据设计前期地质勘探结果以及出口实际开挖揭露出来的情况，箬岭隧道出口及常新公路下部隧道范围均可能存在溶洞，故决定对箬岭隧道出口及常新公路下部隧道范围内地质情况作进一步的明确，具体测线布设见图3。

图3 箬岭隧道高密度电法物探解释投影图

根据高密度电法探测结果显示，在箬岭隧道出口及常新公路下部隧道范围均明显存在低阻区，据判断是溶洞的可能性极大，这与最终实际开挖后揭示的地质情况完全符合。

（3）地质雷达。

地质雷达是短期超前地质预报的主要方法，可对掌子面前方30m左右范围的地质情况作更准确的预报，以发现周边可能存在的不良地质，以便及时处理，免除后患。地质雷达工作原理是发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号（106Hz～109Hz），在电磁波向掌子面前方传播的过程中，当遇到电性差异的目标体（如空洞、裂隙、岩溶等）时，电磁波便发生反射，由接收天线接收反射波。实际上，电磁波在介质界面产生反射就是因为两侧介质的介电常数不同，差异越大反射信号越强烈，反之反射信号越差。

本工程探测仪器采用瑞典MALA公司生产的RAMAC／GPR型地质雷达。图4为箬岭隧道DK35+600现场采集的雷达数据，从图上可以看出，在掌子面前上方（3～5）m处有一处异常。结合现场分析，这是岩溶发育或裂隙发生的初步特征，可能富含水。

3.1.2 超前地质钻孔

开挖时利用开挖钻机，在掌子面均匀布设5～8个（5～8）m的超前钻孔，主要验证不良地质体的发育范围、地下水水量、水压等地质参数，可以避免掌子面方向出现突发性坍塌、突泥、涌水涌沙事故的发生。遇有异常时可加密钻孔，结合预测结果，可加密钻孔或加长钻孔，钻孔布置应针对物探异常进行调整。超前钻孔应安设孔口管及高压闸阀，确保超前钻孔涌出高压地下水时，能够有效地控制；对于含煤地层地段必须采用水循环钻，严禁干钻。

图4 雷达剖面图

在实际施工过程中，超前地质钻孔往往起到了很好的作用，特别是对预防突水突泥事件的发生在本工程中得到了很好的应用。

3.2 特殊地质段隧道施工方案

3.2.1 隧道出口段软基处理

箬岭隧道出口根据2006年6月11日进行的地表高密度电法，揭示箬岭隧道出口段地质条件与原设计相比有大的变化，其隧底存在大的溶洞并有流塑填充物，下伏弱风化灰岩，节理裂缝发育，溶蚀现象发育。

针对以上情况，除了在隧道出口采用明洞进洞方案外，并先行对软基进行了处理，其主要方案为：对于DK35+701～716右侧及DK35+701～706左侧采用挖除软基，基底承载力满足400kPa后回填C15片石混凝土至隧底高程；其余部位基底先从仰拱充填顶部设计高程下挖3 m（即仰拱底部下挖1.8m），然后插钢管桩，再利用钢管桩进行高压固结注浆，最后进行仰拱混凝土的浇筑及明洞的施工。

3.2.2 浅埋小煤窑采空区段处理

2007年2月23日，箬岭隧道进口在DK35+420处进入第2个大的浅埋小煤窑采空区，由于采空区年代已久，地表早已塌陷，此次进入后上导掌子面松散体填充物突出并带动拱部松散体填充物塌陷，于拱顶左侧形成一个通天竖井。

对此处理:首先采用人工清邦除险；随后按设计图纸利用台车进行钢架支护；钢架支护完成后，在拱顶左右各预埋若干根混凝土输送管、排气管、吹砂管等；然后在洞内承重架的支撑下进行钢架外围护拱混凝土浇筑，护拱混凝土厚度不小于2m；待护拱混凝土强度达到75%左右后，再在其上吹（2～3）m厚的砂垫层；最后回填石碴填平至原地面。

3.2.3 大型溶洞帷幕注浆处理

根据TSP地震波探测仪预报结果，箬岭隧道DK35+ 480～DK35+505段存在溶洞，且含流塑填充物，为确保隧道施工期与运行期安全，防止突水突泥，拟对该段隧道进行洞内分段帷幕注浆加固处理。

由于本工程具有地下水流动性强、需对土体进行永久加固等特殊要求，注浆浆液采用普通水泥浆以及可调的TGRM特种水泥浆，TGRM水泥浆按占水泥总量的60%计量，现场根据实际围岩情况调整。TGRM特种水泥浆具有强度高、流动性好、微膨胀性、抗分散性、耐久性、环保性等特点，能够满足本工程的需要。根据工程需要及注浆材料的特性，通过现场实验，TGRM单液浆配合比确定为W/C=0.8∶1。注浆采取“定压、定量”双控制的原则。每段注浆压力控制在0.5MPa，采取低压力缓慢注浆，以保证浆液能充分扩散。在注浆过程中如果出现压力达不到设计要求，跑浆、串浆等严重的问题，可采取换孔作业，待浆液略微初凝后再补注。注浆终止标准为达到每孔注浆量80%，终压后持续（3～5）min。

为防止注浆时地下水涌出作业面及跑浆，在注浆地段起始处的掌子面采用5m厚C20混凝土墙作为止水、止浆墙。以后的各注浆循环段采用预留5.0m长止浆岩盘，并根据掌子面围岩情况，选择素喷C20混凝土或打锚杆挂网片喷射C20混凝土全封闭的措施。

4 现场变形监测及其控制措施

4.1 围岩变形监测

V类围岩段洞室共布置4个观测断面，观测断面收敛测桩安装在洞顶、左右两侧的拱顶起拱点和腰线位置。洞顶测点反映垂直位移、拱座和腰线处测点反映水平位移。同时在隧道进、出口及隧道中部上跨公路路面均布置有若干地表沉降观测点。主要变形明显段的表现形式有：

DK35+710～DK35+713段拱顶及侧拱喷混凝上龟裂，并且存在环向贯通裂缝，裂缝宽度达（2～3）mm，局部掉块严重。

隧道出口仰坡地表沉降观测最大沉降达12mm，地表开裂最大30mm，深度达1m以上。

4.2 围岩稳定控制措施

拱顶及侧拱变形控制：对于喷混凝土与围岩面存在空腔的部位采取回填灌浆，灌浆压力控制在 （0.1～0.15）MPa；DK35+700～DK35+720段拱顶及侧拱每榀钢拱架两侧各增设6～12根锁脚中空注浆锚杆，长度6m，以提高拱圈与围岩的自承能力；施工过程中，严格按设计要求支护，严把施工质量关，并对隧道开挖进行合理分层，减小开挖支护循环进尺，及时封闭成环，同时在下导开挖过程增加Ⅰ16a临时仰拱或对撑，改善侧拱受力状态；对掉块开裂部位进行混凝士补喷加厚；在进行紧临断面的爆破施工时，严格控制爆孔装药量和爆破震动，减少对保留体的扰动。通过一系列的处理措施，整个拱顶部位垂直、水平位移基本处于平缓状态，其数据波动较小。

5 结 语

（1）开挖要严格遵循“先预报、超前支护、短进尺、控爆破、早支护、快封闭、勤量测”的原则。及时监控量测围岩，观察拱顶，拱脚的收剑情况，据此调整初期支护参数。

（2）地下水对隧道施工的危害极大，首先做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。洞内裂隙渗水及施工用水要及时引排至洞外排水沟，不能有积水浸泡隧底。

（3）施工中，应将超前支护与锚喷支护紧密结合，大管棚、超前小导管均应与型钢钢架联接成整体，才能发挥更好地联合支护作用。

（4）要保证立拱质量。拱架要注意螺栓松紧程度；要重视锁脚锚杆、环向系统锚杆与拱架的连接，最好是采用“L”形钢筋与拱架包焊，以充分发挥环向系统锚杆横向挑梁的作用和锁脚锚杆加固拱脚的作用，使初期支护与围岩形成完整体系；要加强拱架和纵向连接筋的焊接质量，以使拱架纵向连成整体。

（5）施工过程中加强“两个超前”是必须的也是至关重要的，“两个超前”即超前钻孔与超前小导管，每开挖循环在掌子面均匀布设5～8个（5～8）m加长风钻钻孔是灰岩地区较好的预报手段，应坚决执行。

（6）对于小型溶洞在实践中采用密集小管棚结合“短进尺、弱爆破、强支护”证明是可行的，也是比较安全经济的处理方案。