高原隧道开挖支护施工技术

朱洪永

（中铁十四局集团第一工程发展有限公司，山东日照 276800）

1 工程背景

引水隧道处于西藏山南区桑日县内，海拔为3 700 m。地质围岩繁复易碎，围岩等级Ⅱ～Ⅴ级，空气稀少，含氧量1/2～2/3，最大计划挖掘宽20.3 m，最大高程22.15 m，最大挖掘切面413.28 m2，属于超大切面。

导向洞裸露地表，即喜马拉雅期黑云母花岗闪长岩，部分混合着黑云母角闪石，及闪长岩的带状岩脉。岩体遮盖巨大厚度212 m。

2 施工特点

水利项目大切面隧洞作业特别繁复，积极测量、紧密支撑是关键所在；需要保持分段大小、强支撑、封闭早、进尺短、频繁测量，对堆积物、破碎带、浅埋部位、入口、黄土隧道等进行治理。将水利项目大切面隧道建设方法的证实、影响隧道的牢固和安全以及包含围岩的全面性和围岩强度。

3 隧道支护分类及作用

3.1 锚杆

锚杆的种类主要包含一般灰浆锚杆、空心注浆锚杆、自推进锚杆、水泥筒锚杆、预应力砼锚杆，锚杆末端有钢垫板。锚杆的效果：①破损的岩石被悬浮并部分加强，并采用锚固在稳定的岩表上；②综合梁和综合拱把层状地层衔接在一起，构成综合梁和拱应力系统。锚杆一定要和岩层牢固粘连，锚杆末端垫板需牢固安装。

3.2 钢架

因围岩破碎时，稳定性差，为保证支撑作业中和作业后围岩的稳定，早期支撑利用钢架进行支撑，钢架安装时要保证钢架和围岩紧密联结，钢架和围岩间的缝隙采取楔形预制砼构件进行稳固。

3.3 喷射混凝土

混凝土薄厚及强度，依据围岩地质状态和隧道挖掘切面决定，密封围岩是重要作用，且降低挖掘后风化度，保持岩层自身稳定[1]。

3.4 超前支护

掌子面围岩容易破碎，隧道挖掘后围岩很难保证自稳，利用掌子面前面高级支撑的方式，如高级小导管、高级锚杆、高级管棚等。

4 导流洞挖掘支撑施工方法

此工程导向洞洞室由上中下层组成，顶拱稳固是保证洞室稳固的重要因素，不同的围岩利用不同的挖掘支撑方式。

4.1 四台阶法施工

围岩等级在Ⅳ和Ⅴ级时，整体性较差，共同开发地点，采取把上部进行两次挖掘的四阶梯法实行作业。上部首次挖掘高程是8.5 m，中层高程是8.6 m，下层高程2 m。上部入洞挖掘前，沿着挖掘剖面304.8 cm的范围，在圆周上应建造一圈长度为6.0 m、圆周间距为50 cm的28个小高级螺栓。首次挖掘结束后实时进行体系的支撑，上部挖掘和洞内挖掘贯穿后，再采取中下部的作业；中部利用左右半幅挖掘，两边保留防御层；最底层采取左右半幅挖掘。

4.2 左右半洞开挖

围岩等级为Ⅹ级时属于较差地域，必须采取左右半洞作业，此种方式实行隧道掌子面高级支撑及上部左边半洞挖掘及喷锚支撑，实行右侧挖掘及支撑，最后实行中下部挖掘支撑；中部采取左右半幅挖掘，两边保留防御层；底部采取左右半幅挖掘。此方法能够缩短早期挖掘的拱部跨度，在地质条件允许且洞室跨度较小的情况下，宜采用此方法进行洞室挖掘。

4.3 中导洞挖掘

侧壁围岩较差时，采取中导洞挖掘。隧道掌子面高级支撑（中导洞高级灌浆小导管作业）、中导洞挖掘、中导洞体系喷锚支撑、左右侧扩挖掘、左右侧体系支撑。有助于缩短早期挖掘拱部跨度，降低围岩扭曲对围岩晃动较小，适用于围岩状况对侧墙无益的隧道挖掘。

4.4 全断面挖掘

全断面挖掘适合条件较好的围岩，围岩是二类及三类时，隧道掌子面没有断面层，联合开发跨度小于18 m的隧道。必须在隧道掌子面做好高级支撑后实行一次挖掘和体系支撑，中部利用左右半幅挖掘，两边保留防御层，底部也采取此办法。

4.5 单侧壁导坑开挖

根据新奥法基础原理，进行单侧壁导洞法施工，挖掘导洞时，尽可能降低对围岩的干扰，导洞截面类似椭圆形，周围边框圆润，防止应力聚集。早期支撑采取网架、挂网、洒射砼柔软支撑系统，实时施工，促使切面早早合拢，以足够采用围岩的承压能力，限制围岩扭曲。

单边壁导洞挖掘工艺如图1所示。

图1 单侧壁导坑开挖工艺流程

（1）单侧壁导洞施工。

测量并布置导向孔，测量并设置导向孔中心轴和轮廓；先导隧洞切孔、辅助孔、周边孔布置；打孔、装药、爆炸；通风、风险消除、结渣；导流洞临时支撑；以同样方式实行下一个循环，直到先导隧道被穿透或主隧道以一定的间隔被提前挖掘。

（2）主洞扩挖。

撤除一个循环的导流洞暂且支撑、主洞周边线勘测布置、主洞周围孔、辅助孔布置、打孔、装药、爆炸、通风、消除风险、出碴、主洞支撑、以同样方式进行下一循环，直到和主洞贯穿。

（3）单侧壁导洞工艺存在问题。

必须支撑系统的施工；导向孔和前卫主洞相对距离；出碴效率受导向洞断面大小的影响；主洞余下围岩挖掘时，抵抗线不匀称，爆炸边缘线难掌控；作业时间受条件限制。

4.6 改进型上导洞开挖施工方法

（1）施工工序。

①开挖先导隧道。

在主隧道中部下部，采用YT28手摇风钻钻爆小先导隧道，占地面积约10 m2，开挖周期进尺1次，大概2～3 m（根据围岩爆破情况进行调节）。开挖周期进尺1次，先导隧道面积小，不需要出碴和支撑。主孔挖掘增设一个临时空面；小导洞布设以主洞中心线对称，导向孔被钻开并爆炸时，周围孔孔距离，严谨掌控药量，主孔提供了更均匀的电阻线，节省了导向洞支撑材料及时间。

②主孔伸展挖掘。

主孔伸展挖掘确定位置，关键是主孔边缘线测量设置，周围孔和辅佐孔布置。打孔平台无须钻孔小车，节省钻孔台车成本、就位消耗时间，提升施工功效。

③主隧道伸展挖掘爆破。

依次从孔的中心向外围孔方向开始，毫秒导爆雷管段，依次为1#、3#、5#（或2#、4#、6#），需要重视严谨掌控周围孔的间距和药剂量。增设开放面、相应匀称的抵抗线，使得主隧道的边缘线更容易掌控，处理了难以掌控的多挖和少挖的施工毛病。

④出碴。

主孔切面可以发挥机器效率，防止小导洞切面小，机械效率不能完全发挥，产生施工滞后问题。

⑤主孔支撑。

平行输送和纵向输送采取机械化，减小人工劳动强度。

（2）施工效果。

本设计高效处理了大断面主洞围岩碎裂，过度挖和欠挖难以掌控，对比单侧壁导洞法，节省了导坑支撑材料，也节省了40%的作业时间，提升了工程效率，缩短工期。

5 边顶拱塌腔支护系统

将高原地段的含水岩层中挖掘超大断面隧道时，隧道断面大，隧道周围围岩较繁复，岩石裂缝被水侵蚀，挖掘结束后，侧顶拱时会产生坍塌，造成塌腔。洞体实行前期支撑时，如果将塌腔采取以往锚杆、钢筋网片及喷射砼早期支撑，支撑不稳固，易出现喷射砼整部坍塌的问题。既定施工现场采取高原地段超大断面隧道，侧顶拱塌腔支撑体系，高效处理塌腔支撑问题，获得良好的施工成效。

边顶拱塌腔支护系统结构如图2所示。

图2 边顶拱塌腔支护系统结构

将前期支撑的主拱上，针对塌方的岩壁采取先喷砼进行密封的措施，支撑提前施加压力的锚杆，完成副拱支撑，支撑后塌方顶端喷射砼，使塌腔与拱顶构成一个稳固的支护系统。控制塌腔前，必须先将侧墙实行锚栓支撑，增强侧墙岩体的支撑效果。

（1）挖掘超大切面隧道洞身，产生大切面挖掘洞身表面，大切面洞室的拱顶产生拱顶垮洞时，将初始支撑砼喷在拱顶垮洞围岩表面，封闭围岩表皮。

（2）在拱顶塌腔外边的挖掘洞室表面的侧墙处，建立锚索支护系统，在拱顶塌方的顶端，施作锚杆支护系统。

（3）在超大切面隧道洞室中，装配主拱支护系统，在主拱支护系统的顶端装配副拱支护架，让副拱支护架的顶部紧贴拱顶塌腔的岩壁。

（4）喷射支护砼层，将主副拱进行密封，实现主副拱和岩壁紧密结合，产生一个支护团体。

6 结语

结合某引水隧洞工程，介绍不同围岩类型的不同开挖支撑方法，提出改善型上隧道挖掘作业方式，高效完成大断面导洞围岩破碎高原地区超大断面侧顶拱塌方支撑体系。对侧墙实行锚索支撑后，在早期支撑主拱上封闭塌方体的岩壁，采取锚杆实行支撑，构建副拱支护，支护后的塌方顶端喷射砼，使塌腔和拱顶产生一个稳定的支护系统，处理了高原地区，特大断面隧道的挖掘支撑困难，拥有既定现场施工简单、材料投放少、支撑稳固及节约工期的成效。