软弱围岩双洞小净距隧道开挖施工探讨

柴军锋

(山西路桥建设集团有限公司,山西 太原 041000)

1 工程背景

某山区高速公路隧道净宽13.41 m,中间岩柱净宽为8.2 m,为典型的双洞小净距隧道。根据地质勘察结果,隧道围岩主要为风化石英砂岩,构造及风化裂隙之间夹杂泥土,并存在软弱夹层,稳定性较差。该隧道单洞设计长度688 m,左右洞总长1 376 m,其中Ⅱ类围岩、Ⅲ类围岩、Ⅳ类及以上围岩长度分别为165 m、1 004 m和207 m,结合围岩类型共设计出三种支护形式。

对于重山丘陵地区高等级公路而言,左右幅隧道可能受到地形条件限制,出现相邻隧道最小净距无法满足设计的情况,进而出现单线双洞小净距隧道形式,这种隧道形式在施工难度、施工进度及造价等方面优于连拱隧道。现行《公路隧道设计规范》(JTG D70-2-2014)仅对高速公路、一级公路应设置两座上下行分离式隧道,并规定应根据施工技术、围岩等级、断面尺寸及爆破影响等进行两个相邻隧道最小净距的确定[1];而对于小净距隧道施工次序、开挖进度、围岩变形监测、中央岩柱加固、初支等并未作出明确规定。为此,本文结合类似工程施工经验,对双孔隧道施工扰动围岩、中央岩柱加固、小净距隧道施工质量控制等进行探讨。

2 施工方案

为降低边界效应对施工过程的不利影响,应将上边界和地表自由面、下边界和洞底之间的距离均控制在洞高的5倍以内,左右边界和洞口之间的距离控制在隧道跨度的5倍之内。在模型构建时忽略二衬作用,通过壳单元shell、Link杆单元、Solid45实体单元分别进行初支C25喷射混凝土及锚杆、预应力锚杆及围岩等的模拟[2],并通过优化加固区围岩参数的方式实现小导管注浆。该隧道有限元模型网络图具体见图1。地勘资料所揭露的该隧道围岩力学指标具体见表1。

表1 隧道围岩力学指标

图1 隧道有限元模型网络图

结合相关规范、类似工程设计经验及该隧道特殊的地质条件,通过对以上不同施工方案过程的模拟计算,得到该软弱围岩双洞小净距隧道围岩应力、位移、稳定性等的变动趋势特征。根据模拟结果,从施工效果来看,双侧壁法和CRD法开挖所造成的围岩位移量较小、围岩应力分布也较为均匀,塑性区范围相对较小,且整体上来看双侧壁法施工效果略微优于CRD法;上下台阶法施工效果最差。从施工工序来看,双侧壁法因工作面小,施工工序之间存在较大影响,故施工进度较为缓慢;CRD法所对应的开挖工作面略大,对于加快施工进度有一定效果,但是该技术下施工过程衔接控制存在一定难度,支护及施工要求高,施工质量控制难度大。

考虑到该隧道属于全线控制性工程,能否按照要求进度完工直接关系到整体工程施工进度,为此必须根据隧道地质条件,考虑当前施工技术水平、施工工序及施工力学因素进行最佳施工方案的选择。最终确定的施工方案为Ⅱ类围岩环形开挖预留核心土法(图2)、Ⅲ类围岩上下台阶法(图3)、Ⅳ类围岩左右洞全断面开挖。图中数字表示的是开挖施工步骤。

图3 上下台阶法

3 洞口施工

该隧道洞口场地处于自然坡度15～40°的斜坡地带,地形起伏大,覆盖厚度为3.6～9.8 m的坡积土,极软Ⅱ类围岩埋深在15 m以下,地层倾角20°,结合隧道洞口基岩中裂隙统计结果,Ⅱ类围岩倾角在73～88°,延伸长度1.45～2.5 m,裂隙面平整,并表现为黄褐色,填充物主要为泥质,地下水为基岩风化裂隙水和第四系松散土层孔隙水。

结合对该隧道洞口地质条件的考察与分析,其施工任务主要包括洞门修筑、截水沟修砌、边仰坡护砌及洞外土石方开挖等。通过以上施工为洞内开挖创造条件,但是考虑到该隧洞洞口段埋深小,设置承载拱的难度较大;在地质地形及地下水等因素的综合作用下,施工期间出现坡面滑塌、地表沉降、掌子面崩塌的可能性非常大,并很容易受到上覆荷载及土压力变动的作用。为此,必须优化施工方案设计,加强对施工过程的控制和坡面失稳等情况的监测。

3.1 洞外土石方开挖

该软弱围岩隧洞洞口为Ⅱ类软岩,且覆盖土层薄厚不均。通过挖掘机从上至下进行土层的逐层开挖,并加强边坡稳定程度的监测;通过爆破法进行石方开挖,并通过优化爆破方案降低对周围岩体及临近建筑物的扰动。为控制对洞口仰坡的不利扰动,确保仰拱边坡达到稳定,洞口土石方开挖必须遵循早进洞原则,提前进行排水系统施工。

3.2 洞口围岩加固

先按照设计要求喷射厚度为5 cm的混凝土,再施作锚杆后挂钢筋网;此后进行第二层同样厚度混凝土的喷射,为保证围岩稳定,应在喷射混凝土过程中增设钢格栅。为避免在开挖隧洞洞口Ⅱ类软岩的过程中发生岩体崩塌,应用长度40 m和16 m的注浆长管棚超前支护方式加固洞口浅埋段,长管棚主要材料为厚6 mm的φ89热轧无缝钢管,环设置向间距按照50 cm确定,管壁按照15 cm间隔开设直径8 mm的梅花形孔。按照水泥∶水玻璃=1∶0.5制备双液浆。将长管棚设置在隧道开挖环形轮廓外的20 cm处,按照10°外插角纵向开孔,待将管棚打入软岩后通过胶泥将空隙封堵。再按要求采用双液注浆机注浆,初始及终止压力分别按照0.5 MPa和1.5 MPa控制,随着注浆压力升高至终压水平后持续注浆至少10 min,待实际浆液注入量达到设计量的80%以上或全部注浆孔均达到结束注浆条件后结束注浆[3]。以上过程中如遇串孔,则应立即暂停注浆,转而进行下一孔注浆,并严格按照具体要求控制注浆过程。

4 洞身开挖

4.1 Ⅱ类软岩浅埋段开挖

隧道围岩浅埋段开挖必然会对围岩造成较大扰动,进而增大支护难度和压力。为防止围岩出现过大变形而造成初支结构及衬砌结构开裂,必须采用侧壁导洞开挖技术。结合实际条件及技术水平,从该隧道出口端开始单向掘进,洞口段为Ⅱ类软岩,左洞开挖断面应比右洞开挖断面超前施工35～45 m,开挖后应立即进行初支结构的施作。为降低大断面爆破开挖施工对中间岩柱的不利扰动,应在该隧道左右洞上台阶开挖前开挖侧导洞,并进行中间岩柱超前加固。在左洞开挖进尺达到40 m以上并完成注浆加固后再进行右洞侧导洞短进尺开挖,并按照全断面一次开挖到设计位置。此后进行钢支撑架设以及锚杆、钢筋网和混凝土喷涂等初支施工,连接中间岩柱对拉锚杆,并按设计要求施加预应力。最后采用与左洞相同的工序完成右洞上中下台阶的开挖与支护。

4.2 Ⅲ类围岩开挖

采用上下台阶法进行Ⅲ类围岩深埋段开挖,并在上台阶开挖8～10 m后再开挖下台阶,上下台阶紧跟开挖初支施作。在进行环向系统锚杆施作时必须向中间岩柱压力注浆,保证岩体稳定性。根据设计,将预应力对拉锚杆增设在岩石破碎段,并加固中间岩柱。

4.3 Ⅳ类围岩开挖

采取全断面开挖技术进行Ⅳ类围岩左洞开挖,通过光面爆破方式保证每一循环进尺一次成型。右洞开挖断面比左洞开挖断面落后约30～35 m,在左断面底中心开挖出长5 m、宽3 m、高4 m的超前导洞,再应用光面爆破技术将剩余断面一次开挖到位。这种处理既能增大初爆点与中间岩柱之间的距离,降低爆破开挖对中间岩柱所造成的扰动,又能使大断面开挖施工的临空面大大增加。为提升爆破开挖工效,降低炸药用量,剩余断面一次开挖采用崩解式爆破技术。此类围岩仅仅在岩石破碎带增设预应力对拉锚杆,加固中间岩柱。

4.4 爆破施工

考虑到软弱围岩双洞小净距隧道中间岩柱宽度不大,隧道爆破开挖对周围岩体影响较大,对于该隧道工程而言,前开挖处爆破震速应不超出15 cm/s的范围,并据此进行后开挖隧道炸药用量的测算依据。为尽量防止震动波叠加,应通过微差控制爆破,并根据震动测试结果确定起爆时间;根据震速衰减规律,按照下式进行震动速度估算

式中:v为起爆点震速(cm/s);K为隧道工程地质条件系数,坚硬基岩、基岩及浅层表土分别取150、220和300;Q为装药量(kg),齐发情况下表示总药量,延发情况下表示最大断装药量;R为监测点与爆破中心中间的距离(m);α为爆破施工误差系数,坚硬基岩、基岩及浅层表土分别取1.70、1.67、1.60。

Ⅲ类以下围岩采用预裂爆破,Ⅳ类以上围岩则采用光面爆破,两种情况下均应根据地质条件、相关技术规范进行抵抗线、周边眼间距、装药集中度、装药量等施工参数的确定和调整。沿设计开挖轮廓线设置周边眼,并使用小直径药卷,加强装药量控制,保证炮孔全长段内合理布置药量;由毫秒雷管以微差次序起爆,保证爆破期间能形成临空面。掏槽孔则设置在开挖断面下部,以达到较好的底部岩层破碎开挖效果。辅助孔应在周边眼和掏槽眼之间均匀交错布置,且与开挖面垂直,以确保爆破后得到的石渣块体较小且大小均匀。

在以上爆破开挖施工过程中,必须进行围岩爆破扰动深度、震动影响及中间岩柱破坏程度等的实时监测,以保证中间岩柱等围岩结构的稳定。

5 中央岩柱加固

结合类似工程实践来看,对于软弱围岩结构,开挖和加固次序的设置会直接影响施工效果,为此该软弱围岩双洞小净距隧道Ⅱ、Ⅲ类围岩中央岩柱初支结构中的锚喷、钢支撑等参数必须在设计基础上适当加强,而Ⅲ、Ⅳ类围岩则仅在岩石破碎带实施加固。采用贯穿两洞的水平预应力对拉锚杆进行中央岩柱深层围岩加固处理,且遵循从左洞右侧拱腰至右侧墙脚、右洞左侧拱腰至左侧墙脚的施工次序。

根据设计,Ⅳ类及以上围岩中央岩柱区域通常不存在塑性区,对于Ⅳ类围岩条件必须采取长度0.5～1.0 m锚杆,对于Ⅳ类以上围岩则应增设局部系统锚杆加固。为避免因隧道间距过小而引发的围岩结构变形、爆破震动影响过大,必须充分考虑中间岩柱特殊的加固要求,在施工过程中应先开挖左洞,并在左洞中间岩柱处施作φ50小导管,此后再开挖右洞及进行右洞小导管施作,结束初支后安装预应力锚杆。为保证加固效果,小净距隧道中央岩柱深层加固时最好只采用两种加固措施,围岩过度加固反而会使其整体强度削弱。

6 结 论

综上所述,该隧道工程开挖施工实践表明,对于围岩软弱、地质条件不良的隧道工程,采用小净距结构形式能降低施工难度,节省工期。中间岩柱加固是小净距隧道施工质量控制的关键环节,直接关系到软弱围岩隧道施工的成败,此类隧道围岩自稳性差、支护结构受力复杂,必须采用注浆及增设预应力对拉锚杆等加固技术增强中间岩柱结构的稳定性。施工监测结果也表明,如果能采取有效措施降低对中间岩柱的扰动,则能确保支护结构的安全与稳定。总之,双洞小净距隧道支护参数比传统分离式隧道优异,且施工工艺也更为简捷,投资更为节省,可在软弱围岩双洞隧道工程中推广应用。