强风化砂岩地段隧道小净距段的施工重难点及风险研究

张志宏

在乌梁隧道小净距段的施工中，有很多强风化砂岩地段，往往因环境问题、土质问题以及施工问题等造成洞身结构的不稳定，对施工安全与日后运营造成风险。因此对于洞身开挖、超前支护、初期支护以及中夹岩加固措施等施工有着较高的依赖性，需要做好前期各项支护防护措施，为隧道提供更多的稳定性。

1 强风化砂岩地段隧道小净距段工程概况

小净距段隧道示意如图1 所示，1 为 中 夹 岩，2 为 超 前 小 导 管，3 为中空注浆锚杆，4 与5 分别为小净距段隧道的左洞与右洞。该隧道整体为左右行分离式的双洞长隧道，其进口处于甘肃省陇西县，出口位于甘肃省漳县，左线长1 666 m，里程桩号为ZK18+555～ZK20+221；右线长1 686 m，里程桩号为YK18+555 ～YK20+241。隧道围岩均为Ⅴ级，隧道小净距段里 程 为ZK18+573 ～ZK18+750、Y K 1 8 + 5 7 3 ～ Y K 1 8 + 7 5 0 、Z K 1 9 + 9 4 0 ～ Z K 2 0 + 2 0 3 、YK19+950 ～YK20+223。小净距段两洞相距较近，后行洞的施工对先行洞影响大，中夹岩柱自稳能力弱，隧道结构极易失稳、坍塌。故应选择合适的开挖方法，减少对岩柱的破坏，加固中夹岩柱。

图1 小净距段隧道

本隧道处于中低山丘陵，由于长期受到环境侵蚀，因此有着大量的风化土在隧道上披挂，且沟底会漏出基岩，山体的不稳定很容易造成崩塌。此外，由于内部结构遭到破坏的全风化砂岩中夹杂着少量的强风化碎块，极容易破裂，用手都可以捏碎，毫无稳定性可言[1]。而在隧道周边的滑坡结构中，也会由于基岩裸露而显出陡坡，随着施工很容易使滑坡发生坍塌，因此应做好排水工作与稳定措施，减少水侵蚀而形成的形变。隧道中虽有着透水性较为良好的松散岩空隙，但基岩裂隙有粉砂岩和泥质砂岩，水性较差，更容易形成储水带，发生软化与崩解的情况，影响施工。

2 强风化砂岩地段隧道小净距段施工重难点与风险

在强风化砂岩地段隧道小净距段的施工中，由于砂岩与砂砾岩本身的质地结构较软，容易发生碎裂，遇水也容易软化造成崩解，整体结构较为松散，在埋深较浅的情况下有着很差的自稳能力，容易发生坍塌。同时在施工中，隧道开挖后，拱顶与局部应力所承载的负荷较高，极容易发生沉降，因此便会对隧道结构的稳定性造成影响，产生塌方，或是让隧道的底部被水侵蚀，影响地基的承载能力。

在整体隧道中，小净距段相距较近，且对施工前期的挖掘影响较大，具体表现为在隧道出口段冲沟发育，沟深约30 ～50 m，沟两侧基岩出露，以强风化砂岩为主。露出砂岩呈全风化，节理裂隙发育。沟内局部有渗水现象，沟两侧浅表溜滑较发育。这种强风化砂岩质地松软，易碎易坍塌，岩体完整性较差，因此很容易发生侧壁与棚顶的坍塌。

在 Z K 1 8+5 7 3 ～ Z K 1 8+7 5 0（YK18+573 ～YK18+750）段，隧道围岩以古近系（E）强风化砂岩为主，这种呈现棕红色的砂质结构主要为石英，虽有较为完整的岩芯，但容易破碎，且同样有着雨水软化与崩解的问题出现，因此隧道挖掘过程中应着重于对防护结构与保护措施的建设，避免出现坍塌。

在 Z K 1 9+9 4 0 ～ Z K 2 0+2 0 3（YK19+950 ～YK20+223）段，隧道围岩以古近系（E）强风化～全风化的粉砂岩为主，棕红色的岩体有着层状的结构，且原始岩结构已经随着风化而被破坏，风化程度较高，岩心呈现碎块状，容易被掰碎，遇水易软化，因此其结构松散，但侧壁较为稳定，在开挖过程中应注意雨水带来的影响，防止出现渗水的情况，可采用信息化施工[2]。

3 应对小净距段施工重难点与风险的施工对策

3.1 总体施工方案

针对在强风化砂岩地段隧道小净距段施工中的各项风险，相关人员应做好充分的施工方案优化，并全方位考虑施工中各项因素对施工造成的安全隐患。小净距段施工中，应采用单侧壁导坑法进行施工，其中衬砌按复合式衬砌进行设计，初期支护承受少量荷载，二次衬砌承受大部分荷载，因此施工时对于上半断面及基础锁脚锚杆的施工质量应加以把控。

根据隧道地质特点，先开挖埋深较浅的一侧，单洞开挖应先开挖中夹岩侧，具体施工工序为：先行洞超前支护→先行洞内导洞上半断面开挖支护→先行洞内导洞下半断面开挖支护→先行洞外导洞上半断面开挖支护→先行洞外导洞下半断面开挖支护→先行洞仰拱浇筑→先行洞二衬施工。

先行洞施工完毕后，再按照同样的顺序进行后行洞的施工，初期支护中应紧跟开挖面，及时封闭仰拱与仰拱的回填层，二次衬砌应在监控量测的基础上，等待初期支护稳定后再进行施工。施工过程中应严格控制循环进尺，严禁因为赶工期而增大循环进尺。在小净距段的施工中，也应减少对中夹岩柱的破坏，加固中夹岩柱，通过预注浆与长水平系统锚杆等进行加固，确保中夹岩层柱的稳定。

施工中的两主洞掌子面应保持不小于开挖隧道宽度的两倍距离，并要确保施工安全，减少后行洞对先行洞爆破振动的影响。正确安排双洞开挖支护的间隔和顺序，有效控制两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形，遵循“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”的原则并确保中夹岩柱的稳定。

施工中为保证隧道开挖的安全性，应依照实际情况选择预裂爆破与光面爆破等技术，控制先行洞衬砌处的震动速度，同时根据不同的围岩分级来制定监控量测计划，将中夹岩层柱的稳定、地表的沉降以及爆破振动对相邻洞的影响作为质量把控的重要依据。

3.2 超前支护施工

洞口的超前支护采用大管棚。对于管棚施工应采用无缝钢管，其中钢管上的钻孔孔径为10 mm，孔间距为15 cm，呈梅花状布置，尾部留出30 cm 的止浆段。同时保证钢管的环向间距与外插角度合乎标准，并使相邻钢管的接头交错，衬砌混凝土套拱作导向墙。在遇到松散的堆积层和破碎地质时，钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。注浆采用隔孔注浆，注意压力控制，防止爆管。

隧道内的超前支护采用超前小导管。超前小导管在搭设过程中应注意将其尾端支撑于钢架上，并用风枪送入小导管，小导管纵向至少保证1.0 m 的搭接长度，环向间距及外插角度应符合设计要求，中间部位钻φ8 的注浆孔。注浆孔呈梅花形布置，间距为15 cm，尾部50 cm 范围内不钻孔以防漏浆，末端焊直径为6 mm的环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管连接。此外，小导管的前端应加工成锥形，方便插入，还可以起到防止浆液前冲的作用，同时在注浆过程中应按照合理的间距进行，防止漏浆以及导管开裂，从而影响后续导管连接。小净距段隧道超前支护如图2 所示。

图2 小净距段超前支护布置图

3.3 洞身开挖防护

洞身开挖过程中，应着重洞口的边坡防护工作。在开挖前，应严格检查洞口的临时防护措施是否存在开裂与断裂的情况，如果存在，则应对其进行防护处理，凿除开裂、脱落的混凝土，增设砂浆锚杆，重新挂网喷浆加强防护。洞身开挖应在超前支护已经维持在稳定状态后进行，并严格按照“短进尺、强支护、短台阶、早成环”的原则。

小净距段因两洞相距较近且处于强风化砂岩地段，后行洞的施工对先行洞影响较大，故禁止采用爆破法施工，严格采用小型机械松动岩体，人工或小型装载机装渣的非爆破方法开挖，尽可能减少对围岩的扰动和破坏，使围岩固有的自稳能力不受破坏，特别是控制减少对中夹岩柱的破坏；严格限制隧道开挖的循环进尺长度，每次开挖循环进尺长度不得大于一榀钢拱架的距离，及早施作初期支护，封闭成环。另外，隧道围岩变形量与隧道跨度、施工方法以及施工水平等多种因素有关，施工中应对监控量测结果进行分析，及时调整下一阶段同等级围岩的预留变形量，以防止围岩的实际变形量超过预留变形量，造成初期支护侵入二衬空间，同时也可避免因预留变形量过大而造成增大二次衬砌厚度或出现回填现象[3]。

3.4 隧道初期支护

隧道初期，支护拱部及边墙采用C25喷射砼，仰拱采用C30 现浇砼，钢架内外弧设φ8 钢筋网，网格间距的尺寸为20 cm×20 cm。中隔壁及临时仰拱采用I18 工字钢，间距同初支钢架。为了保证隧道顺利施工，开挖后需要及时进行不小于4 cm 的初喷，初喷完毕后进行系统锚杆钻设安装、内钢筋网挂设、钢架安装、外钢筋网及连接筋焊接、锁脚锚管打设、喷射混凝土至设计厚度。初期支护必须紧随开挖进行，开挖一环支护一环。

锚杆架设中应使用锚杆台车进行钻孔，钻完孔后运用高压风机对孔内的岩屑进行清除。将锚杆与锚头组合后送入孔内，并将止浆塞加固杆体，套上垫板后拧紧螺母，向内部注入水泥浆液，进一步起到加固作用。钢筋网在初喷混凝土、锚杆完工后安设，网片要紧贴初喷及钢拱架，网片与网片间、网片与锚杆间要焊接牢固。钢架在洞外按设计加工成型，洞内安装在初喷混凝土后进行，与锚杆连接。钢支撑间设纵向连接筋，为保证拱架支撑的稳定性和有效性，两拱脚处和两边墙脚处加设锁脚锚管[4]。

拱架支撑架立后尽快喷混凝土，喷射混凝土分两次完成，即初喷和复喷。初喷可起到封闭围岩的作用，复喷可将拱架、挂网、锚杆等进行加固。喷射混凝土以湿喷为主，含水量较大地段采用潮喷工艺，分段、分片、分层进行，由下向上，从无水、少水向有水、多水地段集中，多水处安放导管将水排出。施喷时喷头与受喷面基本垂直，距离在1.5 ～2.0 m。喷射顺序先下后上对称进行，先喷钢架与围岩之间空隙，后喷钢架之间，钢架应被喷射混凝土所覆盖，使拱架支撑与喷射混凝土共同受力。

3.5 中夹岩加固措施

开挖前中夹岩预加固采用大外插角超前小导管注浆加固（图3），尾端支撑于钢架上，开挖后中夹岩侧采用R25 中空注浆锚杆加固（图4）。超前小导管注浆和中空注浆锚杆可以改变围岩的力学性能，提高围岩力学参数，对围岩的加固主要通过小导管、锚杆和浆液两方面来实现。

图3 小净距段隧道中夹岩超前小导管注浆加固

图4 小净距段隧道中夹岩R25 中空注浆锚杆加固

在小净距隧道中夹岩柱区域，主要以整体加固原理为主，通过超前小导管和中空锚杆的支撑力作用使周围岩体形成加固带，从而形成一个能承受荷载的稳定岩体，提高围岩本身的自稳能力，为整体施工提供稳定性保障。

4 强风化砂岩地段隧道小净距段施工的质量把控

在强风化砂岩地段隧道小净距段施工过程中，应对各个方面进行质量检查。首先在隧道施工初期，应通过隧道的岩性与工程地质情况结合超前地质报告，推测前方的地质条件，并评估支护结构的稳定性，可根据隧道开挖面的地质情况和岩体结构等进行观测。

另外，也应观测洞口浅埋段的地表沉降状况以及地质支护结构的状态，观察拱腰收敛量和下沉量等，重点检查内部位移情况、钢支撑变形情况等。还应充分通过现场监控量测措施观测围岩力学动态与支护状态，并对这些数据进行分析，研究隧道围岩支护的变形过程以及受力状态，得出围岩初始应力场的综合物理参数，对比实际情况预测围岩稳定时间，优化支护结构的设计[5]。

5 结语

在强风化砂岩地段隧道小净距段的施工中，由于周边岩体结构较差，缺乏稳定性，因此应着重于在施工方案规划的要求下做好超前支护、洞身开挖防护、初期支护以及中夹岩柱的加固等各项工作，并结合严格的质量把控措施全方位保证隧道在施工中的安全性，为后续隧道日常运营提供稳定性保障。