隧道堆积体段开挖支护施工技术应用

周 杰 江锡山

（中交第三航务工程局有限公司南京分公司，江苏 南京210011）

山区隧道中堆积体围岩一般为泥石流后堆积而成，开挖过程中围岩自稳性较差。采用常规开挖工艺施工时，由于围岩极度破碎，无法自稳，极易超挖甚至造成冒顶、塌方。本文拟对华丽高速罗打拉隧道左洞出口段ZK106+947～ZK106+784 开挖支护施工进行施工工艺的研究和改进，以保证隧道工程顺利进行。

1 工程概况

罗打拉隧道采用矿山法施工， 左洞出口段ZK106+735-ZK106+932 为Ⅵ3 级围岩，地形偏压，埋深0～27 米。以稍密状碎石及强风化玄武岩为主，节理裂隙发育，岩体极破碎，多呈碎石状碎裂结构或碎石状散体结构。岩土富水性弱～中等，开挖时可能存在淋雨状或涌流状出水、渗水等现象。掌子面开挖揭示：开挖后揭示围岩为松散堆积碎石层，碎石之间胶结性差，自稳能力较差，施工过程中产生的轻微震动，即可造成大面积的坍塌，存在一定的施工安全隐患。

2 施工总体原则

罗打拉隧道的施工，设立了16 字的施工总体方针和原则，为：爱护围岩、动态施工、内实外美、重视环境。其中“爱护围岩”是指为主的开挖方式必须减少围岩的扰动，如爆破时，采用光面爆破或者预裂爆破；“动态施工”是指通过超前地质预报结合地址素描、监控量测等手段，从而及时掌握围岩和支护的变化参数，为现场施工提供可靠依据；“内实外美”是采用全断面衬砌台车，一次性浇筑混凝土，加强对混凝土质量的控制；“重视环境”是指在施工过程中，一方面确保工作环境不对施工人员的健康造成损害，另一方面要注意弃碴、排水等尽量不对周围环境造成污染。

3 施工重点控制

罗打拉隧道左洞进口段约200 米的处于软弱围岩区段，地勘揭露为玄武岩风化坡积体，隧道围岩以稍密状碎石及强风化玄武岩为主，节理裂隙发育，岩体破碎，多呈碎石状碎裂结构或碎石状散体结构。针对该段堆积体施工的特殊性，施工工法采用三台阶预留核心土环形开挖法，开挖前对地层进行超前支护，开挖后及时施作初期支护。开挖时单次进尺不大于0.6 米，仰拱与掌子面的距离不大于20 米，二衬与掌子面距离不大于50 米。为了确保隧道开挖面的稳定性和支护结构的安全性，对施工中的关键工序进行严格控制以确保施工质量，其中重点控制的内容包括：及时进行喷射混凝土施工、注浆法（预）加固地层、仰拱及时封闭、加强监控量测等。其中重中之重是优化注浆工艺的研究。

3.1 及时喷混。在现场施工过程中，因工人操作不规范和开挖的岩面不平整，喷射混凝土时常会有以下几个现象：（1）喷射量不足；（2）喷射厚度不均匀；（3）背后空洞；（4）基底处理不当。

这些都会导致难以充分发挥初喷混凝土的支护效果。针对罗打拉隧道所处的松散堆积体围岩，现场施工时更需要注重喷射混凝土的作用。由于围岩基本无自稳能力，掌子面开挖后易发生掉块现象，严重影响钢拱架和超前小导管的施工，因此现场还需对掌子面进行喷混封闭，所用的混凝土与初喷混凝土标号相同。

3.2 地层加固。由于罗打拉隧道的围岩条件较差，掌子面与开挖后的洞身难以稳定，为保证隧道施工在安全条件下进行，除及时用喷射混凝土封闭工作面外，还应对隧道所处地层进行（预）加固。现场采取的主要措施是对超前小导管与锁脚小导管进行注浆。

对超前和锁脚小导管的注浆可以在岩土体中形成具有一定刚度的加固圈，改善围岩应力状态，阻隔地下水的渗流通道，从而使隧道开挖时，围岩的稳定性明显提高。此外，施工中所施作的小导管其结构本身也具有支护地层的作用。罗打拉隧道现场采用的浆液采用双液水泥浆，水灰比1:1（重量比），添加剂偏铝酸盐1%～2%（水泥质量）。注浆压力0.5～1.0MPa。注浆的具体参数根据现场施工情况适当调整，施工现场配备比重计，每次量测浆液比重，严格控制水泥和添加剂的用量，采用注浆压力和注浆量双重控制原则。

超前小导管施工采用Ф42×3.5mm钢管，在前部管壁按梅花形布置溢浆孔，孔径为10Φmm，孔间距15cm，由凿岩机打入，管环向间距0.3m，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150cm。锁脚部位采用与超前相同尺寸的小导管，在上台阶与中台阶左右侧脚部以12°的下插角垂直岩面各打设两组。在现场实施过程中，由于破碎体围岩不能成孔，锁脚小导管难以打入，或打入长度无法满足设计要求。针对此情况，现场增设一组锁脚小导管作为补强措施，并在注浆前严格控制小导管的施工质量。

3.3 仰拱快速封闭成环。仰拱是隧道二次衬砌结构的重要组成部分，其跟进时机对隧道围岩的稳定有着重要的影响。保证合理的步距不仅可以充分发挥支护体系的作用，还可以有效地调动围岩的自稳能力，节约支护材料，加快施工进度，提高隧道施工的安全。

从变形的角度来讲，在IV级和V级软弱围岩中进行隧道施工时，80%以上的初期支护结构变形发生在初期支护结构封闭成环之前。同时也有相应的研究表明，随着仰拱封闭距离的减小，隧道变形呈现减小的趋势。所以缩短仰拱步距、尽早完成初期支护封闭是控制变形的有效措施。因此，根据上述的分析，从控制变形的角度出发，为使变形量最小，可选择15～20m的仰拱步距(即仰拱紧跟下台阶)。在本工程中将步距控制在20m内。现场施工中当安全步距满足要求时，按要求及时开挖仰拱、快速成环从而保证隧道结构的稳定性。开挖时单次进尺不大于3 米。此外，现场根据实际情况调整，下台阶单次、单侧开挖长度为1.8 米。

4 堆积体注浆研究

图1 不同小导管布设角度下注浆加固圈形态

图2 不同小导管布设长度下注浆加固圈形态

表1 注浆工艺参数表

罗打拉隧道洞口段围岩以风化玄武岩堆积体为主，在注浆过程中浆液会四处扩散，难以控制，导致注浆效果无法达到预期要求。为解决这一问题，项目部多次邀请总监办、指挥部、设计院等各方的专业人士到现场考察、指导工作。最后通过专业的数值分析软件，探讨了小导管布设对注浆加固圈形成的影响，分别建立不同布设角度（θ）和小导管长度（L）下的注浆扩散模型。研究两个重要参数其对加固圈形成影响，为现场施工提供参考。

4.1 小导管布设对注浆加固圈形成的影响。根据单根小导管注浆扩散规律，分析注浆压力为P=0.8MPa、注浆时间t=350s、小导管长度L=3.5m 的施工参数下小导管布设角度对注浆加固圈形成的影响。不同小导管布设角度下注浆扩散模型如图1 所示。

由图1 可以看出，注浆加固圈的分布与小导管布设角度密切相关，不同布设角度下注浆加固圈表现出明显的差异。就本工程而言，综合注浆效果和经济性，最后现场小导管布设角度控制在30°以内。

4.2 小导管布设长度对注浆加固圈形成的影响。根据图3-5 的注浆扩散规律，分析注浆压力为0.8MPa、注浆时间360s、小导管布设角度为30°的施工参数下不同小导管布设长度（取0.5m、1.5m、2.5m 以及3.5m）对注浆加固圈形成的影响。不同小导管布设长度下注浆扩散模型如图2 所示。

由图2 可以看出，注浆加固圈的分布与小导管布设长度的不同表现出较大的差异性。就本工程而言，综合注浆效果和经济性，最后现场小导管施工长度为2.5m。基于上述的研究分析，现场对注浆施工进行了相应的优化，通过选取试验段施工，确定了一种新的注浆方案，其各项施工参数见表1。

注浆施工改良后，碎石空隙得到有效的填充，浆液凝固时间明显缩短，对围岩开挖时的超挖得到有效控制，施工安全有了保障。

5 结论

为保证罗打拉隧道暗洞开挖阶段的施工安全，根据施工条件、设计要求和相关行业规范，采取了以下几个重点把控措施：（1）开挖后及时喷射混凝土封闭开挖面；（2）对超前与锁脚部位的小导管进行注浆，并在小导管打入长度不能保证时增加小导管组数，严格控制注浆效果；（3）将仰拱安全步距控制在20 米内；（4）以提高堆积体注浆效果为目标开展科研活动，指导施工。

上述措施都有力的保证了进洞至今，罗打拉隧道堆积体段的安全开挖。尽管局部存在超挖现象，却并未出现塌方。此外，施工期间严格保持监控量测的要求频率，所测得拱顶沉降、收敛、位移基本都符合要求，说明现场施工的效果较好。

本文对罗打拉隧道左洞施工经验进行了总结，形成了合理的施工工艺和重点把控，隧道施工最终顺利进行。