火山灰岩隧道施工方法研究

张彦飞

（山西省公路局，山西 太原 030006）

火山灰岩隧道施工方法研究

张彦飞

（山西省公路局，山西 太原 030006）

鉴于国内目前还没有火山灰岩隧道施工方面的标准，本文以火山灰隧道施工实例为研究对象，提出了火山灰岩隧道的具体施工操作步骤，有效加快了施工进度，提高了经济效益，并为业内提供了有效的借鉴。

火山灰岩；隧道；施工方法；研究

东福窑隧道双洞长2.2km，隧道单洞净空横断面积88.93m2。其所在段落岩性属火山灰岩，是火山喷出地表下落地表的火山灰堆积固结成岩的产物，主要以中酸性为主，大部分出露于晚侏罗系。颜色以黑色为主，凝灰结构，块状构造。具有复杂的内在结构，一般应力强度比较低。国内外在设计和施工火山灰岩隧道过程中，在初期支护，甚至二次衬砌都不同程度上出现了大的变形，有的久治不育。针对东福窑隧道火山灰岩特性，为规避传统施工方法的局限性，以加快隧道施工进度、保证隧道施工安全、提高施工质量为目的，提出了火山灰岩上下台阶仰拱紧跟的施工工艺流程、施工步骤、控制要点，突出火山灰岩隧道施工的技术特点。

一、施工工艺流程及操作要点

1.施工步骤

由原设计的全断面法施工优化为台阶法施工，上台阶高度5.5m,下台阶高度2.1m。在DIN4150标准下钻爆开挖或炮机开挖：

（1）上台阶施工

①开挖前在隧道拱部施作超前锚杆预支护；②开挖，循环进尺a=1～1.5m；③清危、出碴；④掌子面及开挖面初喷5～7cm混凝土，掌子面是否需要玻璃纤维锚杆加固，根据实际地质情况现场确定；⑤铺设第一层钢筋网，安装格栅钢架，施作系统锚杆；⑥喷射第二层混凝土，厚20cm；⑦铺设第二层钢筋网，喷射第三层混凝土及终喷3cm砼至设计厚度（该工序可滞后掌子面35m）。

（2）下台阶施工

下台阶施工与上台阶同步，台阶长度不大于5m。①开挖，循环进尺2a=2～3m；②清危、出碴；③开挖面初喷5～7cm混凝土；④铺设第一层钢筋网、安装格栅钢架、施作系统锚杆；⑤喷射第二层混凝土，厚20cm；⑥铺设第二层钢筋网，喷射第三层混凝土及终喷3cm砼至设计厚度（该工序可滞后掌子面30m）。

（3）仰拱施工

仰拱开挖面距离上台阶掌子面不大于20m。①开挖，循环进尺不大于5m；②出碴，清除虚碴及杂物；③开挖面初喷5～7cm混凝土；④铺设第一层钢筋网，喷射第二层混凝土，厚20cm；⑤铺设第二层钢筋网，喷射第三层混凝土至设计厚度；⑥洞碴回填至设计路面下80cm高度。

2.关键部位工艺控制

⑴上台阶开挖后开挖面及掌子面等处喷混凝土是必要的，避免岩石因暴露时间过长或岩石自身稳定性差等原因造成局部掉块、坍塌。

⑵喷射混凝土及砂浆锚杆施工质量控制是质量控制的关键工序，特别是砂浆锚杆在使用前须进行锚杆适应性试验。

⑶掌子面停工或施作仰拱时，在掌子面施作玻璃纤维锚杆是必要的。

⑷施作仰拱时，严格控制循环进尺，尽量缩短循环时间，尽早闭合。

3.超前地质预报

隧道工程地质复杂多变，现场成立专业的超前地质预测预报小组，并纳入工序管理。提前掌握开挖地层的特性，确定合理的支护参数和施工方法，制定切实可行的施工预案，确保施工安全。在设计地质资料的基础上，现场采用全断面地质素描、超前探孔及TSP203地质超前预报系统等手段。

⑴TSP203地质超前预测预报系统物探

利用TSP203地质超前预测预报系统结合区域地质资料确定隧道前方及周围区域地质构造的位置及特性。

⑵超前探孔

超前探孔是对TSP203地质超前预测预报系统成果的确认和补充。超前探孔能够最直接地揭示掌子面前方的地质特征，准确率较高。

利用XY-2PC地质钻机在上台阶中间部分向前上方进行30m超前取芯地质钻探，每20m一次。取芯钻头部分要求带双芯筒，芯样直径大于146mm，连续自动记录钻进速度与轴向压力，通过综合试验数据判断前方地质情况。

⑶地质素描分析

地质素描是验证、分析和修订各设计阶段的地质勘测资料的重要环节，担负着为工程施工和竣工后长期运行提供必要的地质资料。对开挖揭示的地质现象作详细的记录，对不良地质及变形控制作出及时预测，从而采取相应措施。

4.监控量测

⑴隧道周边收敛及拱顶沉降

隧道开挖初喷混凝土后，立即在其周边及拱顶每10m预埋一组反光片 (反光片基座要求伸入围岩20cm)，作为隧道周边收敛及拱顶沉降的监测点。利用全站仪获取监测数据，通过隧道围岩变形分析系统软件对监测数据进行分析和处理，指导施工。

⑵混凝土应力监测

在洞身喷射混凝土中预埋HGLJ-40型混凝土应力计，通过监测混凝土应力计的应力变化来反应支护体系受力的情况，综合分析支护体系的可靠性，为调整支护参数提供可靠的参考数据，确保施工安全。

⑶锚杆应力监测

该监测项目适用于柔性支护体系中的柔性锚杆。通过在柔性锚杆与受力垫板间安装MGH-300型锚杆测力计，测出锚杆的拉力变化情况来判断围岩及支护体系的受力情况。

⑷多点岩石变位计监测围岩变形

利用JB-4120型多点岩石变位计监测深层围岩沿钻孔轴线的变形情况,通过对监测数据的分析，更有效地获取深层围岩变形特性，从而指导设计和施工。

二、效益分析及研究意义

1.效益分析

火山灰岩公路隧道施工采用上下台阶仰拱跟进法开挖，施工空间大，可以引入大型施工机具多作业面平行作业，工效高。采用本施工方法后，施工进度由30～32m/月提升至60m～65m/月，施工进度明显加快，工期保障性强；而且施工无临时支护结构，与CD法或双侧壁导坑法（停车带大跨度段）相比，平均每延米节约6500元的临时支护成本。东福窑隧道的火山灰岩段共约500米，目前正在施工阶段，预计能节约成本325万元，而且采用本施工方法无需投入特殊设备，施工质量即可满足结构要求，操作便捷，推广性强。

2.研究意义

山西大同境内多处存在死火山，不少公路所经之地都存在火山灰岩层，而火山灰岩单轴抗压强度比较低，局部地段存在挤压变形严重。火山灰岩段对施工方法及施工工艺要求严格，火山灰岩段的监控量测方法、数据处理、对应标准在国内还没有可以直接借鉴。火山灰岩段的隧道施工进度将控制和影响总工期，论文提出的施工方法能有效加快施工进度，提高经济效益，并保质保量地完成火山灰岩隧道施工任务，为业内提供了有益的借鉴。

［1］兰州铁道学院.隧道工程［M］.北京：人民铁道出版社，1977.

［2］关宝树.隧道力学概论［M］.成都：西南交通大学出版社，1985.

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1673-0046（2010）12-0181-02