浅谈石忠高速公路方斗山隧道施工技术.doc

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浅谈石忠高速公路B13合同段方斗山隧道施工技术

摘要：

方斗山隧道通过地段岩溶发育、水流量大、断层破碎带多且还有煤层、瓦斯，地质条件极其复杂。

本文在综述和分析施工中应用的常规的初次支护技术、超前预支护技术和地质超前预报技术的基础上，提出了一些在施工中应注意和解决的问题，以便对后续施工起到一定的指导作用。

关键词：

方斗山隧道支护技术超前地质预报

1.前言

石忠高速公路B13合同段方斗山隧道属于特长大隧道，是泸蓉国道主干线分水岭（渝鄂界）至忠县重庆境内的重点工程的控制性工程。

由于在其施工段中遇到的地质情况极其复杂，因而给施工也带来了不少的麻烦，给施工技术人员带来了具有挑战性技术的研究。

在施工过程中不仅要按照施工设计的要求去做，同时在遇到施工设计方法无法满足要求的情况下，需要对原来的设计进行相应的更改，做进一步的调整。

本文就该隧道中所应用到的施工技术以及一些先进的地质预报技术作以综合性的总结。

2.工程地质概况

B13合同段的里程为K59+100～K63+020，全长为3.92公里，方斗山属条形低中山，具有构造剥蚀——溶蚀地貌特点，K59+900～K60+000段和K60+700～K60+800以及K60+970～K61+050段岩体溶化程度高，地下水贮存量十分丰富，施工时将会遭遇10000m3/d以上的涌水或突泥灾害，根据各分水层的地下水静储量与水平巷道涌水量的对比衡量，在地下水量最丰富的地段静储量一般需要70～100天左右才能认为疏干或发生地下水涌出量锐减。

在隧道K60+970～K61+050段断裂带展开区在地下水遭到认为疏干、或发生地下水涌、突水量锐减后，每逢雨季或强雨过程仍有可能出现施工坑道集中排泄地下水，出现大规模的突水、突泥的灾害。

测区方斗山隧道将遭遇采空区，方斗山地区煤层露头良好，煤层稳定，结构简单，百余年来皆有小窖开采，岩煤层露头采煤小窖星罗棋布。

3.初次支护技术的应用情况

方斗山隧道地质条件极其复杂，有断层破碎带、含煤地层、溶洞段不良地质段。

隧道洞身围岩主要有石灰岩、页岩、泥岩，施工难度大。

其中Ⅱ类围岩长153m，占总长的2.0％，Ⅲ类围岩长1151m，占15.2％，Ⅳ类围岩长2550m，占33.7％，Ⅴ类围岩长2571m，占33.9％。

由于围岩类型的多变以及地质条件的复杂性，这就决定了在该隧道的施工中，采用的支护方法不是单一的而是多样的。

隧道设计采用“新奥法”复合式衬砌，开挖采用大断面开挖，光面爆破。

3.1初次支护技术种类综述

3.1.1锚喷支护技术

锚喷支护是由喷射混凝土、锚杆、钢筋网等支护部件进行适当组合的支护形式，它们既可以单独使用，也可以组合使用，其组合形式和支护参数可以根据围岩的稳定状态、施工方法和进度、隧道形状和尺寸等加以选择和调整。

作用机理为：

在隧道开挖之后，及时进行喷射混凝土，由于喷射混凝土能与坑道周边的围岩全面，紧密地粘结，因而可以抵抗岩体之间沿节理的剪切和张裂；锚杆能深入围岩内部一定深度，系统锚杆在围岩中形成一定厚度的锚固区，锚固区内的岩体强度和整体性得以提高和加强，应力分布状态也得以改善，能够及时有效地发挥对围岩的支护作用。

3.1.2钢拱架支护技术

钢拱架主要有型钢、工字钢、钢管或钢筋制成，通常以钢筋制作的格栅钢架较多。

对于较软弱破碎严重的围岩（Ⅲ类围岩中的软岩至Ⅰ类围岩），其自稳性差，开挖后要求早期支护具有较大的刚度以阻止围岩的过度变形和承受部分松弛荷载以便提供较大的早期支护强度。

钢架支撑可很好地锚杆、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且手里条件较好，对隧道断面变形的适应性较好。

钢拱架主要应用于：

（1）稳定时间短的Ⅰ、Ⅱ类围岩隧道；

（2）浅埋、偏压隧道，当早期围岩压力增长快，需要提高初期支护的强度和刚度时；（3）砂卵石、土加石地层，大面积淋水地段，以及为了抑制围岩大的变形需要增强支护抗力时；（4）当需要作超前支护，需要设置钢架作为超前锚杆的支撑构件时。

3.1.3超前小导管预注浆支护技术

超前小导管预注浆技术就是沿开挖轮廓线，以稍大的外插脚，向开挖面前方安装管壁带小孔的小导管，并以一定压力向管内压注起胶结作用的浆液的施工方法，待浆液硬化后，坑道周围岩体能得到预加固，并形成具有一定厚度的加固圈，在提前形成的围岩锚固圈保护下进行开挖、装渣、出渣和衬砌等作业。

超前支护主要适用于围岩应力较小，地下水较小，岩体软弱破碎，开挖工作面有可能塌滑的隧道施工中，如裂隙发育的岩体，断层破碎带，浅埋无大偏压的隧道地段等。

3.1.4超前管棚预支护技术

管棚由钢管和钢拱架组成，管棚是利用钢拱架沿着开挖轮廓线以较小的外插角，向开挖面前方打入钢管或钢插板构成的，形成对开挖面前方围岩的预支护。

管棚主要利用钢管或钢插板作为纵向支撑，钢拱架作为横向环形支撑，构成纵横向整体。

其刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期压力。

管棚主要使用于特殊地段，如在极破碎岩体、塌方体、岩锥地段、砂土质地层，强膨胀性地层，强流变形地层、裂隙发育岩体、断层破碎带、浅埋大偏压等围岩的公路隧道中采用。

3.1.5超前深孔预注浆支护技术

超前深孔预注浆又称深孔注浆，它是加固地层、封堵水源的一种方法。

其原理为：

对于破碎岩层、砂卵石层、中、细粉砂层等有一定渗透性的地层，采用中低压力将浆液压注到上述地层中的裂隙、裂缝、空隙里凝固后将岩土或颗粒胶结为整体，称为“渗透注浆”。

对于颗粒更细的不透水、不透浆液的粘土层，采用高压浆液强行挤压深孔周围，使粘土层劈裂并填充浆液且凝结与其中，从而对粘土层起到挤压加固和增加高强夹层加固的作用，称为“劈裂注浆”。

深孔预注浆方法主要用于：

软弱围岩及断层破碎带、自稳性能较差的含水地质地段的加固，更适用于有压地下水及地下水较多的地层中的加固与堵水。

3.2工程中各支护技术的应用情况

尽管方斗山隧道B13标进洞时间才两个多月，但是由于隧道围岩复杂性和断层带分布多的原因，使得上述大部分的支护技术都已被应用，这里主要介绍一两个典型的应用情况。

3.2.1超前小导管预注浆支护技术的应用情况

（1）施工范围

方斗山隧道出口段左右隧道II类围岩段和断层破碎带（含煤层）及洞口加强段局部岩层较破碎地段。

（2）施工参数

超前小导管预注浆采用Φ42热扎无缝钢管，壁厚4mm，钢管前端加工成锥形，尾部焊接Φ6.5加劲钢筋，管四壁钻四排φ6压浆孔，如图

（1）。

施工时小导管以150外插角打入岩层中，环向间距40cm（洞口加强段25cm），纵向间距240cm，纵向相临搭接长度不小于100cm。

浆液采用水泥+水玻璃，水泥浆水灰比1：

（0.6～1），水玻璃Be=35，模数2.4，水泥浆液与水玻璃的配比1：

1，在浆液胶凝时间过快时适当加入缓凝剂（磷酸二氢钠，掺加比例为水泥用量的2%左右）。

II类围岩段只在拱部1200范围内布置；断层带（含煤层）在拱部范围内布置。

图1钢花管大样图

（3）施工方案

采用喷射混凝土封闭掌子面，人工采用风钻钻孔，清孔，安装小导管，最后采用KBY—50/70双液注浆泵灌注C-S（水泥-水玻璃）双液浆。

（4）施工工艺

超前小导管的施工工艺流程如图2所示：

否

是

测量放线

钻孔

清孔

安装超前小导管

注浆

安设注浆泵

连接管路

配置浆液

结束

加工小导管

注浆量是否达到设计

封闭掌子面

图2超前小导管施工工艺框图

（5）施工技术要点总结

在施工过程中，我们严格按照施工要求进行施工作业，精确测量放线和钻孔定位；在安设小导管时，为了能使小导管和钢拱架连为一体，起到整体加固效果的作用，在施工中将小导管的尾部焊接在拱架上。

在注浆时为防止浆液从其它孔眼溢出，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，注浆顺序从两侧拱脚向拱顶。

由于岩体孔隙不均匀，考虑风镐环形开挖的方便，同时要达到固结破碎松散岩体的目的，保证开挖轮廓线外环状岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保两侧拱脚的注浆密实度和承载力，将注浆压力控制在0.5~1.0Mpa范围内，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。

通过查阅相关资料，采用拱脚终压为1.0MPa，拱腰范围为0.8MPa，拱顶为0.6MPa。

注浆时采取相邻孔眼间隔注浆，这样既确保了固结效果，又达到了控制注浆量的目的。

3.2.2管棚超前预支护技术的应用情况

（1）施工范围

方斗山隧道出口段右线K62+885~+855，左线ZK62+845~+815。

（2）施工参数

隧道左右洞管棚各长30m,钢管外径为Φ108，每循环共41根，间距50cm，外插角扣除坡度影响外为10。

钢管采用长度为3m和4m两种规格，除尾部105cm为无孔钢管外，其余为花管，管壁四周钻2排Φ20mm的压浆孔，间距20cm，梅花型布置。

钢管内安装钢筋笼，钢筋笼采用Φ42钢管和Φ20钢筋加工制成。

灌浆浆液为30号水泥砂浆。

（3）施工方案

在套拱施工完毕并封闭掌子面后，采用MK-5型钻机按照设计方向钻孔，钻孔到设计位置后，清孔,顶进钢管，安装钢筋笼，最后灌注砂浆。

（4）施工工艺

超前管棚的施工工艺流程如图3所示：

是

搭平台、钻机就位

钻孔

清孔、测钻孔是否倾斜

顶管

注浆

拆平台、撤离现场

开挖

施作套拱

封闭掌子面

安装钢筋笼

否

图3超前管棚的施工工艺流程图

（5）施工技术要点总结

钻孔是管棚施工的关键环节之一，因此我们在钻孔时采用从两侧向隧道中线方向进行施工，间隔钻孔，每成一孔，及时安装钢管和钢筋笼，并按照设计要求进行灌浆。

钻孔采用“光钻杆＋潜孔冲击器＋钻头”作为钻具组合，钻孔时用一定的压力气体来起动潜孔冲击器，冲击破碎孔底岩石进行钻进。

钻进时根据岩石强度不同采用不同的压力冲击孔底，其风压在0.5Mpa～2.5Mpa不等，钻进时给进压力1～3Mpa。

在施工时我们严格作到了以下几点：

①钻时先启动旋转，再开风阀，以防止过大风压的气体冲入孔底造成意外；②开孔时低速、低压，防止钻具偏离设计轴线；③加接新钻杆时保证钻杆内的清洁；

管棚施工时对钻孔的精度要求很高，在成孔后有可能发生孔斜或超出设计允许偏差值，将发生以下几种情况：

①妨碍邻管的钻设；②上下、左右错位，支护效果差；③管子下沉侵限，开挖时需割掉，造成间隔增大而影响施工支护质量；我们在施工过程中经常用罗盘仪时常检测钻杆角度，在成孔后及时用经纬仪法进行测斜。

通过以上措施，我们基本上杜绝了以上几种情况的发生，为安全施工作到了一定的保障。

4.地质超前预报技术的应用

4.1采用地质超前预报技术的必要性

（1）保证隧道施工安全，由于管道岩溶发育的不确定定性和揭露管道岩溶产生大量突泥、涌水而带来的危害性要进行超前地址预报。

（2）施工措施提供必要的参数，如地下水压力、水量、管道岩溶的大小、方位及含煤地层的瓦斯参数等。

（3）地址超前预报可以节约大量资金，围岩为石灰岩的隧道存在着普遍特点是：

岩溶发育地段，地下水活动频繁，一方面加剧岩溶的发育，另一方面大量块石、泥砂充填在溶洞中，围岩稳定性极差；岩溶不发育地段，地下水活动缓慢，岩层中大部分节理裂隙被地下水中析出的方解石充填，围岩稳定性较好。

因此，有了准确的预报就可以减少很多不必要的安全措施。

4.2.TSP-203+超前地质预报

TSP隧道地震勘探（隧道超前地质预报系统）引进中国以后，主要应用于铁路、公路隧道和水电系统的导流洞、泄洪洞等隧洞施工中的长期（长距离）超前地质预报工作，应用效果较好，取得的经济效益明显。

由于引进和应用的时间较短，有关这方面的论文或著作的发表比较少。

4.2.1基本原理与技术状况

该设备是由瑞士安伯格开发生产的，主要用于探测隧道及其他不良地质的地下工程。

其基本原理如图4所示：

首先，在隧道内，人工制造一系列有