结合实例对不良地质公路隧道开挖支护技术的探讨

结合实例对不良地质公路隧道开挖支护技术的探讨

张厚学

浙江省台州市恒通监理有限公司浙江台州318000

摘要：本文着重介绍了大跨径分离式隧道在浅埋、小净距、偏压、断层带等不良地质条件下按新奥法技术施工，采用复合式支护体系结构形式，提出隧道开挖支护施工关键技术控制措施，供施工同类工程参考。

主题词：公路隧道；开挖支护；关键技术；控制措施

1.概述

1.1地理位置

同三高速宁海互通公路建设工程飞凤山分离式大跨径隧道位于宁海跃龙街道飞凤山公园南侧，左右隧道进出口段位于直线上，洞身段位于R=2500圆曲线上，左右幅隧道长均为460m，左幅隧道起讫桩号ZK0+155～ZK0+615，进、出口端明洞长均为5m；右幅隧道起讫桩号YK0+155～YK0+615，进口端明洞长12m，出口端明洞长40m。洞门进出口端均采用端墙式洞门设计。

1.2水文、地质条件

1.2.1地质条件：隧道处于低山丘陵地形，海拔高27m～100m，隧址区地形较复杂，地表植被稠密，山体地面最大高度约90m,进出口处地下水较丰富，山体较矮，围岩破碎，节理发育。进出洞口段受F1、F2断层影响，围岩破碎，稳定性差，围岩以含砾粉质黏土、风化粉砂岩为主，洞顶覆盖层相对松散、发育、有冲沟，且断层与隧道呈小角度相交，V级围岩，进洞口处节理主要以312°∠20°、101°∠84°、240°∠83°三组为主，密闭节理为主；隧道出洞口处受F2断层影响，围岩完整性、稳定性较差，V级围岩，地形复杂，地势左侧较陡峭，右侧较平缓，植被稠密，且右侧发育有大的冲沟，沟内有少量水流，山体表层为含砾粉质黏土，下伏凝灰岩，岩体较破碎，与隧道轴线交角约25度，围岩破碎，稳定性差。

1.2.1水文条件：隧道地下水以孔隙潜水与网状断层构造裂隙水为主，水量受大气降水影响明显，进出洞口段开挖时洞内渗水严重，发生短时涌水可能性大，雨天时尤为严重；洞身段地下水以孔隙潜水与基岩裂隙水为主，水量较贫乏。

1.3技术指标

1.3.1技术标准：隧道按一级公路技术标准设计，兼顾城市快速通道功能，分离式隧道双向六车道＋非机动车道，净宽15.95m，建筑限界净高5.0m，行车道宽3×3.75m，非机动车道宽2.2m，设计行车速度80km/h。

1.3.2支护参数

2.2支护结构形式：V级围岩采用

小导管、管棚、钢拱架支护，复合衬砌；IV级围岩采用超前锚杆支护，复合衬砌；Ⅲ级围岩采用超前锚杆或系统锚杆支护，复合衬砌。

3.施工影响因素分析

3.1洞口工程

隧道处于低山丘陵地形，进出洞口段均为Ⅴ级围岩，地表植被稠密，地下水较丰富，山体较矮，节理发育。进出洞口段受F1、F2断层影响，围岩破碎，稳定性差，围岩以含砾粉质黏土、风化粉砂岩为主，洞顶覆盖层相对松散、发育、有冲沟，且断层与隧道呈小角度相交，边坡的稳定与否直接关系到隧道进洞施工，隧址进出口边坡较高,采用6～8m高设置分级边坡、锚喷支护，边坡分级之间设置碎落石平台，洞顶合适位置设截水沟排水，明暗洞交界处设置2m护拱，确保边坡稳定、施工安全。

3.2小净距

隧道左右洞净距为16.8m～34.5m，Ⅴ级断面开挖宽度B为18.1m，Ⅲ、Ⅳ级围岩断面开挖宽度B为17.9m。根据《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004）规定，Ⅲ级围岩最小净距为2.0B＝35.8m，Ⅳ级围岩最小净距为2.5B=44.75m，Ⅴ级围岩最小净距为3.5B=63.35m，则该隧道属于小净距隧道。隧道进出洞口段均为V级围岩，双洞净距小，施工相互影响大，开挖支护应错开一定距离，其长度符合规范要求，防止开挖爆破振动影响扰动围岩、失稳出现坍塌现象，施工时应遵循“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”的原则，并将中间岩柱稳定与加固作为设计与施工的重点，确保隧道结构和施工作业安全。

3.3浅埋、偏压

隧道进出洞口为V级围岩段，洞口浅埋偏压、软弱围岩段地势平缓、第四纪粘土层较厚，岩体风化严重，节理发育，自稳性差，洞身开挖跨度大，作用隧道的压力左右不对称，出现一侧压力特大的情况，作用于隧道结构上的不对称荷载，易出现坍塌现象，在浅埋偏压段地形高的一侧设置了三排抗滑锚杆，稳固拱脚，避免产生滑移现象，确保隧道结构安全。

3.3大断面、超欠挖

隧道跨径大，双向六车道＋2.2m非机动车道，IV、V级围岩占77.2%，围岩破碎、整体性差。隧道内轮廓主要参数：隧道宽15.95m；面积136.75m2；周长43.46m；总高度10.51m，见图2。洞身开挖采用光面爆破、新奥法施工技术，开挖轮廓应按设计要求预留变形量，并充分考虑断面尺寸、形状、开挖方法及岩质、裂缝、涌水、风化程度等围岩条件最终确定爆破计划，按不同的地质条件、施工环境确定开挖进尺，支护紧跟开挖掌子面，严格控制超欠挖量，保证二次衬砌厚度。通过试爆确定周边眼间距（E）、最小抵抗线（W）、相对距离（E/W）、装药集中度等光面爆破技术参数，确保钻孔精度。

3.4断层破碎带

隧道进出口处地下水较丰富，山体较矮，围岩V级，受断层F1、F2长约80～95m影响，围岩破碎、完整性和稳定性较差，且出洞口顶上方有发育较大的冲沟，沟宽约50m，深约10m，沟内有水流。隧址区域地形较复杂，地表植被稠密，采用“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的基本原则，开挖采用侧壁导坑法、光面爆破技术，尽可能减少围岩扰动，做到隧道早进晚出，对原边仰坡采用锚杆＋钢筋网＋喷射C20混凝土加固，利用光面爆破修凿槽嵌入式进洞。采用高强度、大刚度的支护技术措施，做好纵向支护断面间的连接，以增强支护结构空间力学效应的支撑能力。

4.施工关键技术控制措施

4.1洞口边仰坡防护施工

洞口边仰坡及明洞开挖支护施工按照自上而下开挖支护，严禁掏底开挖或上下重叠开挖，下台阶开挖必须待上台阶开挖支护完成后进行，应根据实际地质情况判断围岩的稳定性，开挖采用光面爆破技术，严禁大挖大刷。其施工工艺流程：测量放样→钻孔→锚杆安装→铺设钢筋网→喷射混凝土→检验→养生→完工。本隧道根据岩质的不同对边仰坡采用锚杆、钢筋网、喷射混凝土、绿化等加固措施进行防护处理，确保边坡稳定、施工安全。

4.2小净距、浅埋段开挖支护施工

4.2.1小净距：小净距隧道施工应严格遵循“管超前、短进尺、弱爆破、快封闭、强支护、勤量测”的原则，施工先行洞与后行洞的开挖步距宜大于30m，防止开挖爆破扰动围岩，出现坍塌现象。明洞洞口开挖至明暗分界处后，应准确测量隧道横断面，核实地面线高程。当发现地形、地貌、地质、水文等与设计不相符时应查明原因，及时与监理、设计部门取得联系，采取相应的技术措施，或提出变更设计。开挖隧道进洞掌子面时，应检查洞口边坡防护的稳定性，待护拱浇筑、管棚或超前小导管支护完成后再进行进洞掌子面施工。Ⅴ级围岩段采用单侧壁导坑法施工，中壁墙钢架临时支护、安拆必须符合设计、规范要求，开挖爆破采取微差控制爆破减振技术，增加毫秒雷管的分级段别，减少同段总装药数量，降低爆轰作用产生的冲击波、振动等对中心岩柱及近邻隧道的影响。本隧道围岩破碎、整体稳定性差，必须对支护结构、中夹岩柱、围岩受力和变形状态进行现场监控量测，把施工过程中的超前地质预报和围岩体监控量测纳入施工工序，建立以超前为先导、监控量测为依据的信息化施工管理体系，根据预报及监测结果采取相应的处理措施，制定切实可靠的处理方案，及时调整支护参数、强化支护措施。小净距隧道一般应设置仰拱，仰拱对减小、抑制围岩变形，改善支护结构受力有重要作用，宜考虑尽早完成仰拱使其闭合成环。

4.2.2浅埋段：本隧道浅埋段围岩破碎、自稳性差，施工时应根据工程特点、围岩情况、环境要求及施工单位自身条件等选用合适的施工方法，浅埋段采用地表锚杆、管棚、钢架、超前小导管、注浆等加固围岩稳定地层的辅助工程措施，Ⅴ级围岩段选用单侧壁导坑法施工方案，最大限度地减少对地层的扰动，提高周围地层自承作用和减少地表沉降。爆破开挖时采取短进尺、弱爆破、强支护、减少对围岩的扰动，软弱围岩地段施工坚持“先支护（强支护）、后开挖（短进尺、弱爆破）、快封闭、勤量测”的施工原则；初期支护紧跟掌子面，Ⅳ～Ⅴ级围岩初期支护应尽早封闭成环。开挖方法采用预支护、预加固一段，开挖一段；开挖一段、支护一段；支护一段，封闭成环一段。初期支护封闭成环后，围岩处于暂时稳定状态，通过监控量测确认围岩达到基本稳定状态时，才可进行下道工序施工，左右洞掘进工作面纵向距离宜大于30米，同时应重视爆破振动对中岩墙的影响，确保施工安全。仰拱应整断面一次浇筑成型，不得左右半幅分次浇筑。仰拱、铺底施工时，应采取措施保证洞内临时交通通畅，可采用搭过梁或栈桥等方法。仰拱混凝土终凝2h后应进行养护，养护达到设计强度后方可通行，仰拱地基超挖部分应用相同等级混凝土或片石混凝土回填，不得用洞渣回填。

4.3断层破碎带V级围岩段施工

通过隧道超前地质预报，施工前切实掌握断层破碎带，包括破碎带的宽度、填充物、地下水及隧道轴线与断层构造线方向的组合关系（正交、斜交或平行）状况，选择确定通过断层地段的施工方法，且各施工工序之间宜尽量缩短。V级围岩施工：洞身V级围岩采用单侧壁导坑法施工应遵循短进尺、弱爆破、强支护、勤量测的原则，开挖步序控制既要满足施工安全要求，同时还要结合现场施工条件，合理安排施工步序，尽早提供工序组织施工作业空间，用空间换时间。双洞开挖时，后行洞靠先行洞侧的围岩实际上是处于悬空状态，这部分围岩经开挖已扰动过一次，若后行洞施工方法不当，可能对围岩造成严重二次扰动，易导致先行洞洞壁破坏。为了保证施工作业安全，中壁墙采用钢架临时支撑，纵向每榀间距0.75m，每榀钢架设深孔锚杆4根，锚杆长度4～5米/根,锚杆外露与钢架焊接，然后喷混凝土封闭。并做好钢架与中壁墙钢架联结成型，防止拱部压力和侧向压力过大发生坍塌，必须保证钢架稳定牢固。中壁墙钢架临时支撑必须待围岩完全稳定后拆除，确保施工安全。

4.4超欠挖控制

隧道洞身开挖断面尺寸应满足设计要求，严格控制超欠挖，原则上不应欠挖。当岩层完整，岩石抗压强度大于30MPa并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩石个别突出部分（每1m2内不宜大于0.1m2）欠挖，但其隆起不得大于50mm。隧道的开挖轮廓应按设计要求预留变形量，开挖应采取光面爆破、提高钻眼精度、控制药量等措施，不断提高作业人员的技术水平。爆破后，已确定安全后应及时对开挖面和未支护地段进行检查，排除可能出现的险情，清理浮石、险石，然后宜采用断面仪或激光投影仪直接测定开挖面积，并绘制断面图，按规定要求施作初期支护。隧道爆破开挖应采用光面爆破，严格控制超欠挖，由于拱顶分两次开挖，易造成拱部超欠挖严重，必须提高测量精度，钻眼精度。特别是周边眼的精度，施工中应根据围岩级别优化钻爆设计，提高钻眼效率和爆破效果，严禁二次爆破，开挖爆破作业应在上一循环喷射混凝土终凝不少于4h后进行。拱脚、墙脚1m以上范围内位置严禁欠挖，光面爆破控制质量应达到表2的相关要求。

4.5超前大管棚施工

隧道进出口段处于小净距、浅埋、偏压、断层破碎带，围岩自稳性差，又处于F1、F2断层破碎带，采用超前大管棚、地表注浆加固措施。进口端设置大管棚入入土深度40m、出口端设置大管棚入土深度18m，稳定围岩，减少扰动，防止坍塌，且在洞口明暗洞交界处设置套拱2m，确保进洞施工安全。管棚采用热轧无缝钢管108mm、壁厚6mm，节长3m、6m，接头采用长15cm的丝扣直接对口连接；环向管间距中至中为40cm，仰角1°（不包括路线纵坡），方向与路线中线平行，钢管施工误差径向不大于20cm；隧道纵向同一横断面内接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m；大管棚与超前单排小导管纵向搭接长度3m；管棚前端设长10cm锥头，尾部焊Φ10mm加强箍；钢花管钻注浆孔，孔径8mm，孔环向间距7.5cm，纵向间距15cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔止浆段45cm，见图3。超前管棚钢管应进行编号，奇数号孔采用有孔钢花管，偶数号孔采用无孔钢管。管棚施工时每钻完一孔顶进一根钢管，施工顺序自上而下。管棚施作时应先打奇数钢花管，注浆凝固后再钻无孔钢管。在无孔钢管钻孔过程中应检查钢花管的注浆质量，当注浆质量达到要求时，再安装无孔钢管，注浆使管周浆液饱满；当注浆质量达不到要求时，应补充注浆，严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，不得冒顶，相邻钢管不得相撞和立交，确保大管棚施工质量。

4.6钢拱架施工

隧道钢架采用V级围岩I20a工字钢、IV级围岩I18工字钢、Ⅲ级围岩I14工字钢三种类型加固措施，加强喷锚支护中喷层的刚度和强度，控制围岩变形与松驰所采取的措施，钢架具有强度高、刚性大的作用，大跨径隧道设置钢架利于抑制松驰发达的围岩早期壁面变形，架设后能立即发挥支撑作用，并与锚杆、钢筋网、喷射混凝土合理组合，构成联合支护，增强支护功能的有效性，形成整体受力作用。每榀钢架之间用直径Φ20～22mm钢筋连接，与径向锚杆及钢筋网焊为一起，与围岩密贴，形成承载结构；钢架支撑脚部应坐落在基岩上并用8根锁脚锚杆稳固，钢架与围岩或初喷混凝土面尽可能密贴，有间隙时用楔块楔紧，再用喷射混凝土填充支撑和围岩之间间隙，避免留下空隙，起到支护体系整体受力的作用。洞身开挖完成后，专人对隧道进行找顶，将松动孤石、浮岩清除干净，确保后续工序施工作业安全。钢架在加工场内加工，按照各类型号的钢架形状、尺寸，准确标划尺寸线焊φ25短钢筋桩形成固定模具，钢筋焊接连接成型。钢架加工成型后应在加工场内将整个隧道轮廓各节拱架进行整体试拼，检查连接部位是否吻合，加工误差应符合规范要求时才能运到现场拼装使用。准确测量隧道设计轮廓断面尺寸，若有欠挖，应进行欠挖处理，确保断面尺寸准确。每榀钢架安装前，应采用全站仪准确测量定位钢架安装中线、标高及拱脚设计位置；钢架安装由人工借助机具架立就位，安装前先对围岩进行初喷混凝土封闭；架设时拱脚必须架立在坚固的基石上。每榀钢架安装后应在拱腰、拱脚处设置长度不等的锁脚锚杆，限制初支下沉，其端部与钢架焊接牢固。钢架就位后，报监理工程师隐蔽工程检查验收，验收合格后喷射混凝土施工。钢架与围岩之间的间隙应用喷射混凝土充填密实，钢架应分节段安装，节段间宜采用螺栓连接牢固。

4.7监控量测

监控量测是新奥法施工的重要组成部分，通过动态监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，进一步分析确定围岩的物理力学参数，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩稳定性，支护、衬砌可靠性，确定围岩的物理力学参数，采用现场实测结果弥补理论分析过程中存在的不足，把监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据，以确保洞室周边岩体的稳定及支护结构安全。

5.结束语

不良地质条件下开挖支护安全技术措施是保证隧道施工的关键，施工前应做好岗前培训、技术交底工作，建立完善质量安全保证体系，明确各工序责任分工，落实质量责任制，科学、合理的编制施工组织设计、施工安全专项方案，严格按要求进行施工。切实加强关键工序质量自查，强化自检自控，规范管理，建立进出洞人员登记制度，积极采用隧道施工人员定位和视频监控系统，大力推行质量安全标准化，提高现场文明施工管理，确保隧道施工安全。

参考文献

[1]《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004）.

[2]《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）.

[3]《公路隧道施工技术细则》（JTG/TF60-2009）.

[4]《公路工程施工安全技术规范》（JTGTF90-2015）.