大断面隧道上硬下软地层快速施工技术

郑 东，汪树生

(中铁四局集团有限公司，合肥 230022)

1 工程概况

集宁至包头增建第二双线工程八苏木隧道地处内蒙古高原低中山区，隧道穿越印河与大黑河的分水岭，隧道里程DK525+046～DK533+230，全长8 184 m。

本区地层岩性较为复杂，在入隧道前行进于洪积地层及坡积层之上，穿越花岗岩及玄武岩，出隧道后走行于大黑河阶地上迂回至既有线。隧道洞身通过地层主要有第四系全新统洪积层及坡积层，上第三系上新统玄武岩、泥岩夹砾岩、华力西中晚期花岗岩等。八苏木隧道位于华北地台内蒙台隆之凉城断隆中，沿线断裂褶皱构造不发育，但新生代火山活动频繁，以基性喷发为特点，形成了大面积的玄武岩覆盖层，具有典型的桌状地貌形态;并伴生有角度不整合，主要表现为:玄武岩与花岗岩、泥岩夹砾岩与花岗岩的角度不整合。第四纪表现为强烈的下切与侧向侵蚀。

2 问题的提出及方案的选择

本隧道出口段 DK530+180～DK531+380(全长1 200 m)，设计为Ⅲ级围岩，隧道通过的地层为华力西中晚期花岗岩和上第三系上新统玄武岩，层厚5～60 m，支护参数设计为拱墙网喷混凝土12 cm厚，拱部设置锚杆。

实际开挖揭露地层为，上半断面为华力西中晚期花岗岩，整体性好，下半断面为泥岩，泥岩具弱膨胀性，岩体成岩作用差，遇水自行剥落，岩层分解线与隧道纵坡基本一致，主要表现为花岗岩与泥岩的角度不整合，与设计地质勘探资料出入较大。经现场勘察研究，设计变更为Ⅳ级围岩，采用型钢支护措施，钢架间距1榀/m。

集宁至包头增建第二双线工程是内蒙古煤炭外运的快速通道兼客运，为缓解京藏高速公路压力，当时工期紧张，需在4个月内完成施工任务，Ⅳ级围岩按照每月进度指标80 m计算，双向施工需7.5个月，无法满足工期要求，同时上半断面围岩稳定性好，变更后增设的钢支撑增加了工程成本。

根据上半断面围岩稳定性好，下部泥岩开挖暴露后软化变形的特点，提出了不变更围岩支护级别，充分利用围岩自身稳定性这一特性［1-3］，在边墙(即泥岩地段)增设锚杆，随挖随支，仰拱及时封闭成环，衬砌紧跟的快速施工方法，有效地改善了作业环境，提高了施工进度指标。

3 施工方法

总体思路:调整开挖台阶长度，上半断面硬质花岗岩采用长台阶光面爆破，下半断面软弱泥岩采用微台阶机械开挖;软弱泥岩地层增加系统锚杆，随挖随支，及时封闭岩面，维护泥岩自身稳定性;仰拱紧跟下台阶，确保初期支护及时封闭成环;加强监控量测，及时观察围岩变化动态，确保安全;优化施工组织，调整作业工序时间和劳动力配置，形成快速施工能力。

3.1 开挖参数调整

由原来两台阶调整为三台阶施工，上部花岗岩整体性好，继续采用大断面开挖，台阶面设置在泥岩顶上1 m，上台阶长度控制在25 m左右，采用预留光爆层减振光面爆破技术，尽可能地降低爆破振动对下部泥岩的扰动，台阶设置25 m是根据爆破后爆堆长度和开挖台架位置确定的，既要保证台架安全，又要确保爆堆不影响下台开挖。

下部泥岩分两台阶施工，中部留核心土，两侧错开，挖机开槽掘进，每个台阶高度2.5 m，台阶长度控制在2 m［4-6］。留核心土两侧开槽掘进，一是提高开挖功效，减少开挖量，能及时施作初期支护封闭围岩;二是在边墙围岩发生变形时能及时提供支撑点或回填反压。开挖断面与施工步距见图1、图2。

3.2 支护参数调整

拱墙钢筋网喷射混凝土12 cm厚，拱部花岗岩锚杆长3 m，1.2 m×1.5 m布置;边墙泥岩增设锚杆长4 m，1.2 m×1.5 m 布置［7-11］，锚杆间采用 φ22 mm 钢筋加强连接，并与上台阶花岗岩段锚杆连接成整体，钢筋网搭接全部接头均采用焊接，确保全断面初期支护形成整体壳体，共同受力，形成有效地支护能力［1-3］。硬岩与软岩结合部支护布置见图3。

图1 开挖断面(单位:m)

图2 各工序步距(单位:m)

图3 硬软结合部支护加强布置(单位:cm)

3.3 泥岩地层施工工艺流程

(1)中下台阶每次开挖不超过1 m，挖掘机开挖，人工修整岩面。

(2)初喷混凝土封闭围岩，包括边墙、核心土、正面掌子面均需喷射5 cm厚混凝土封闭。

(3)打设锚杆，长度4 m，间距1.2 m×1.5 m，梅花形布置，锚固剂快速锚固，泥岩顶部向下50 cm一排锚杆调整角度打入上台阶花岗岩岩体内，锚入花岗岩不少于2 m(图3)。

(4)挂设钢筋网，钢筋网采用φ8 mm钢筋制作，钢筋网接头全部焊接。

(5)喷射混凝土12 cm厚完成本循环作业，进入下一循环。

3.4 仰拱施工

仰拱紧跟、初期支护及早封闭成环是保证本方案施工安全的关键，仰拱与下台阶距离控制在3 m，每轮开挖3 m，仰拱端头模采用定型钢模，挖掘机配合人工安装，加快立模速度，仰拱栈桥采用8 m轻型栈桥，加快安装和拆除速度。

3.5 衬砌施工

衬砌与仰拱控制在15 m以内，严格按照规范和验标施工。

4 施工组织

4.1 劳动力组织

本方法根据泥岩地层开挖暴露后软化变形的特性，充分运用新奥法施工原理，采取了短进尺、快循环施工技术，及时有效地封闭围岩和初期支护迅速封闭成环。相对于常规施工而言，要劳动力进行调整，以满足快速施工的要求。设置开挖班组、锚杆班组、喷射混凝土班组、仰拱班组、衬砌班组，每个班组实行三班制，配足劳动力，规范化作业，严格按照制定的工序循环时间和循环进尺组织施工。

4.2 机械设备

除衬砌台车外，所有机具设备按照正常施工的1.5～2.0倍配置，建立机械设备修理班组，负责日常的机械维护保养，确保机械设备有效运转。

4.3 施工工序零对接

建立调度指挥系统和整点报告制度，所有工序在作业前、作业中、作业后均需向调度站报告，由调度站发出指令实现班组交接工作，下个班组均在上道工序完成前30 min在作业面等待交接，同时现场值班人员整点时必须向调度站报告施工进展情况，通过调度指挥系统实现工序的零对接。

5 监控量测

拱部量测点每15 m设置1处，边墙泥岩地层每3 m设置1处，同时提高泥岩地层的量测频率，每天观测4次［12］，通过量测资料分析，由于开挖后能快速实现初期支护封闭成环，拱部沉降最大值4.3 mm，边墙收敛最大值9.7 mm。

6 效果评价与结论

八苏木隧道在上硬下软地层施工中，按照快速施工方法组织施工，平均日成洞5 m以上，月成洞150 m以上，四个月完成了本段1200 m的施工任务，达到了工期预定目标。

隧道通过上硬下软地层时，要仔细分析上部硬岩的稳定性和下部软岩的物理性能，在确保拱部安全稳定的前提下，局部增强软岩的支护措施，并对软岩地层采用微台阶开挖，随挖随支，仰拱紧跟，初期支护迅速封闭成环，保护软岩的自身稳定性，加强监测，合理调整劳动力，优化机械设备的配置，形成快速施工，对今后同类工程的施工具有指导意义。

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