浅埋隧道施工技术(软弱围岩溶蚀区处置)1

1工程概况XX隧道为分离式隧道，隧道左洞起迄桩号为XX138+105～XX139+445.长1340m，右洞起迄桩号为XX138+135～XX139+460.长1325m。隧道左、右线形为大半径C型曲线;左洞纵断面郴州端约1125m范围内位于0.82%的下坡段内，其余位于3%上坡段，右洞纵断面郴州端约1095m范围内位于0.82%的上坡段内，其余位于下坡段。全线按山岭重丘区四车道高速公路修建，设计行车速度100km/h.隧道净空10.75m×5m.单洞两车道2×3.75m设计.隧道穿越整座XX山脉，山脉呈南北向展布，其主要基岩为碳质页岩（含煤地层）、砂岩、灰岩及亚粘土。左右线覆盖层厚度3～20m，出口段山体平缓、覆盖层较薄，右洞斜交进入有明显偏压，隧道区域地质构造整体较复杂，东侧有区域大断层F14下阳山断层通过。出口处地层为第四系棕色亚粘土、自稳性极差、松散不易成洞，在开挖过程中易形成塌方，滑坡等地质灾害。资料显示该隧道洞身存在岩溶.局部较发育。隧道区为亚热带、雨林带温暖、湿润气候。无霜期长，雨量充沛，汛期雨量集中。隧道山体地面冲沟水系较发育，地下水主要为裂隙水和岩溶水两种.以潜水为主，水文地质条件复杂，尤其出口端地层裂隙、岩溶较发育，水量较丰富，施工过程中可能会产生渗水，严重的可能发生突水、突泥现象。隧道区内地层由上至下为第四系更新统亚粘土，二迭系上统斗岭组，下段为石英砂岩、粉砂岩、页岩，上段为适应砂岩、粉砂岩、碳质岩、及煤层。主要不良地质为红粘土、地表软土、岩溶采空区等。这种条件下施工难度极大，必须采取有力可行的辅助施工措与初期支护相结合，相辅相成，才能保证隧道的质量及施工安全。2洞口浅埋段施工2.1浅埋隧道特殊性（1）覆盖层不足隧道跨径2倍的隧道均属于浅埋隧道。（2）浅埋隧道一般受外界地表环境影响较大。由于拱顶埋深较浅，紧邻地表，因此受地表环境诸如地表荷载、地表水、地面构造物等影响较大。（3）浅埋隧道围岩地质条件比较复杂，一般岩层多为黄土层、沙砾层、膨胀性围岩等，其自稳性能较差，围岩难以自成拱，地表沉陷，容易出现落拱塌方。（4）浅埋段隧道多分布在洞口段，故一般洞口段施工都应按照浅埋隧道施工方法施工。2.2浅埋隧道施工原则浅埋隧道基本施工原则可总结为：“管超前、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”。2.2.1管超前隧道在开挖之前，首先对隧道进行超前支护，布置范围一般为隧道拱部周边外轮廓，超前支护形式有超前锚杆、超前注浆小导管、超前注浆大管棚等。超前锚杆一般用在围岩整体性较好地段，常用全长粘结型砂浆锚杆或早强砂浆锚杆。长度一般为3～5m，环向间距30～50cm，搭接长度不小于1.5m。超前小导管或管棚注浆对松散掩体或黄土层是比较适用的。依靠管棚的支撑及注浆加固作用，基本上能保证围岩的稳定。管棚材料一般使用φ40～φ108无缝钢管，钻孔外插角2°～5°为宜。在超前支护作用下去开挖隧道，施工安全就有了根本保证。2.2.2弱爆破由于浅埋隧道的围岩地质条件比较差，因此要尽量减小对其振动，减小对围岩得扰动。开挖时人工可以开挖尽量避免爆破，如果必须爆破，则采取多打孔、少装药，采取松动爆破。2.2.3短进尺开挖钻孔时要控制孔深，一般孔深宜控制在0.5～1.0m，围岩破碎节理发育时，尽量缩短进尺减少对围岩扰动，同时对支护同样有利。2.2.4强支护围岩开挖后要及时进行支护，保证支护紧跟掌子面，支护完成后，才能进行掌子面得开挖作业。一般常用的支护形式有锚网喷联合支护、锚网喷结合钢支撑联合支护等，一般围岩变形速度快，围岩应力大，埋深相对较浅的隧道采用型钢拱架支撑，反之可用格栅钢架支撑。支护要充分考虑灾害性围岩对支护的影响。2.2.5早封闭当上部开挖支护完成后，要及时进行下部及仰拱的开挖支护，使上下支护形成一个整体，使围岩得到约束尽早稳定。2.2.6勤测量根据浅埋隧道特点，隧道监控量测工作要及时准确，通过真实的测量数据指导施工，尤其在爆破后24小内洞内变形量较快，要定时定点准确测量。同时由于浅埋隧道拱顶覆盖层较薄，因此进行地表测量也是重要的一项工作。2.3浅埋隧道施工方法2.3.1施工准备施工前应首先根据设计文件提供的地质调查资料和施工调查资料制定切实可行的施工方案。尽可能查明隧道施工范围内的地形、地质条件及浅埋段地质和地表下沉的可能性。超前支护：隧道开挖前，根据围岩地质情况，对隧道进行超前支护。超前锚杆施工可以采用凿岩机钻孔，砂浆宜采用早强砂浆。超前小导管或大管棚可用潜孔钻、地质钻等设备钻孔。小导管和大管棚均要在管壁钻泄浆孔确保浆液能够扩散固结土体。注浆采用注浆泵，常用水泥水玻璃双液浆。3XX隧道施工浅埋段施工XX隧道出口段位于=5\*ROMANV级浅埋围岩地段，埋深最小处仅3.8m。上覆岩层为松散的第四系亚粘土层，土体含水量较大，不易成洞且无自稳能力，开挖过程中极易出现坍塌。根据所掌握的地质资料以及现场实际情况，最终确定采取施工方法为：洞口（出口）采用40mφ108长管棚做超前支护，长管棚过后采用超前小导管支护。3.1长管棚超前支护相关参数及要求（见图3-1）、图3-1长管棚立面图钢管规格：热轧无缝钢管φ108×6mm；管距：环向间距50cm；倾角：仰角1～3°（不包括线路纵坡），方向：与线路中线平行；钢管施工误差：孔底径向不大于20cm；隧道纵向同一断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。3.2长管棚施工a.采用XY-28-300电动钻机，钻孔并顶进长管棚。b.洞口处先施作2m长C25混凝土套拱作为长管棚导向墙，套拱在明洞外轮廓线以外施作，套拱内埋设计配筋，钢筋上焊接φ127孔口管作为长管棚得导向管。c.管棚分为单号有孔钢花管和双号无孔钢管，先打有孔钢花管，注浆后再打无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。钻机立轴方向必须准确控制，以确保空口方向正确，每钻完一孔便顶进一根钢管，钻进应经常采用测斜仪量测钻进的偏斜度，发现偏差超过设计应及时纠正。d.为了便于钢管的顶进，钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15cm，为使钢管接头错开，编号为奇数的第一节钢管采用3m长钢管，编号为偶数的第一节钢管采用6m钢管，以后每节均采用6m钢管。e.管棚注浆：注浆前应先进行注浆得现场试验，注浆参数通过现场试验确定。注浆采用水泥-水玻璃双液浆，为保证注浆对隧道周围围岩得加固效果，要求注浆扩散半径不小于0.5m，可以通过下两个孔的钻探检验。注浆压力的初压值控制在0.5～1.0Mp，终压值2.0Mp，可利用注浆量和压力双指标控制注浆效果。3.3洞口浅埋段开挖支护方法选择该段隧道为浅埋亚粘土隧道，含水量较大的亚粘土，具有塑性、变形快的特性。一旦受到开挖切割在洞周围形成不稳定体，施工中易形成坍塌，通过对该段隧道围岩特性分析为防止开挖时工作面失稳正洞k139+425～355V级围岩浅埋段施工采用三台阶七部分预留核心土法施工顺序如图3-2图3-2隧道开挖按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的开挖顺序开挖断面，并分部施作初期支护。然后开挖上断面的核心土，下断面Ⅴ和Ⅵ采用跳槽法开挖，开挖后施作初期支护。最后开挖Ⅶ断面仰拱部分，全断面开挖挖成后及时施作仰拱，并进行仰拱回填。待初期支护趋于稳定后整体模筑二次衬砌。采用三台阶七部分预留核心土法施工时，每次开挖进尺不大于1m，主要采用挖机配合人工风镐开挖，每成型一榀拱架位置后、及时进行支护、封闭；开挖前按设计先施做超前小导管支护，用φ42×3.5热轧无缝钢管，管壁四周钻8mm注浆孔，钢管与衬砌中线呈14°仰角打入拱部围岩，环向间距0.4m，纵向间距2.25m，小导管搭接长度不小于1.0m。施工中将开挖断面分为上、中、下及底部四个部分逐级掘进施工。上部超前中部3～5m，中部超前下部3～5m，下部超前底部10m左右。为了方便机械作业，上部开挖高度控制在4.0m左右，中部台阶高度也控制在4.0m左右，下部最后开挖仰拱部分。上部开挖时及时将两拱脚落底，中间抬高预留核心土。中部开挖时根据围岩情况，较弱时半边先开挖、接拱腿，及时打锚杆，挂网喷护后再开另一边。开挖后围岩太差，沉落变形大时，及时开挖仰拱，开挖纵向长度不大于2m，及时做钢支撑的封闭施工及仰拱钢筋砼的浇筑，必要时仰拱跳槽施工，在隧道纵断面上形成一道道初期支护闭合环，以稳定围岩的变形。开挖支护至k139+400里程时，通过监控测量数据显示，k139+425～+400段施工过程中，拱部沉降量较大，部分区段累积沉落值接近预留沉降量。通过监控测量数据与施工工序相结合分析得出以下结论：采用三台阶七部分预留核心土法开挖支护时，由于施工中围岩条件较差，支护时拱架拱脚很难落于坚实基础上。导致每部开挖时围岩受到扰动，拱架累积沉降量增大。通过理论分析结合施工中实际问题，我单位试用上下台阶法开挖支护，同时以监控测量数据为指导，将原设计10cm预留沉降量调整为30cm。具体施工工序如图3-3=1\*ROMANI=2\*ROMANII=4\*ROMANIV=3\*ROMANIII图3-3采用上下两台阶开挖支护时，通过将拱脚处连接钢板由200×200mm调整为300×400mm，基底为岩石时将拱脚落于坚实岩石上，如拱脚处为软弱围岩可采用拱脚处垫8cm厚、30×40cm规格的木板。通过监控测量数据显示，累积沉降量明显减小，拱脚稳定。通过试验施工证明XX隧道=5\*ROMANV级软弱围岩浅埋段开挖支护采用上下台阶法开挖支护，减少了对围岩的扰动次数、增大拱脚受力面积，对减小拱架沉降以及隧道初期支护稳定性效果比较好，最终确定开挖支护方法采用上下两台阶法。3.4浅埋段初期支护参数调整XX隧道出口浅埋、软弱围岩段开挖后及时对围岩进行初期支护，为保证打锚杆时土体不至于坍塌，每次先对开挖面进行初喷混凝土（3～5cm厚），封闭后再进行初期支护施工。初期支护原设计为采用I18工字钢拱架间距50cm，由于开挖土体为含水量较大的亚粘土，无自稳能力，施工中出现多次拱顶土体塌落，发生塌方的危险。经研究确定采取“短进尺”施工，将拱架间距调整为30cm，拱架安装完毕及时安装φ8钢筋网，形成依托防止拱部土体塌落，并打设L=3.5m、φ42超前注浆小导管加固围岩，施工时每循环进尺30cm，支护紧跟掌子面。3.5隧道监控测量XX隧道在施工中，量测项目采用了四项，分别为超前地质预报和支护状况观察描述；周边位移监测；边墙收敛和拱顶沉降量测；地表下沉量测。量测间距10m，每个断面布置5个点，起拱处左右对称各一个，边墙部位左右各一个。地表下沉量测与洞内测点间距一致，每个断面横向2m布置一点。施工小结：通过对XX隧道浅埋段施工总结和监控量测数据证明=1\*GB3①采用上下台阶法开挖支护，Ⅱ、Ⅲ部分开挖必须保持交错跳跃进行。施工时监控量测结果表明：左右侧开挖间距小于3.0米时，下部开挖就会导致拱顶下沉速率超过1～2mm/d；在下部开挖施工中，要严禁对口开挖，否则轻者会引起拱部整体急剧下降，重者会引起落拱、坍塌。=2\*GB3②浅埋、粘土隧道施工时，在做好超前支护前提下，尽量减少对土体的扰动次数、将拱脚落于坚实基础上并根据实际情况调整预留沉落量确保隧道不侵限。③浅埋隧道施工，比选正确的开挖、支护方法、监控数据指导施工，是保证隧道安全、稳定的先决条件。4.XX隧道软弱围岩、溶蚀区的处理我国西南地区是岩溶发育最为集中和典型的区域。随着我国高速公路建设的迅猛发展，在岩溶地区修建公路隧道越来越多。特别在大断面隧道施工中，经常遇到不同类型的溶洞、溶槽，严重影响了隧道的安全快速施工。现通过施工中遇到的实际问题，将穿越软弱围岩溶蚀区的加固措施简析如下：4.1超前小导管预注浆加固此方法适用于岩溶区、溶洞的充填物为极松散的砾、块石堆积或有水的情况。超前小导管是沿着隧道纵向、与岩溶区位置相对应的开挖轮廓线以外一定范围内、向前与洞轴线有一定仰角的密排注浆花管，施工时，注浆花管外露端支于开挖面后的钢拱架上，共同组成预支护系统。超前小导管的设计参数（导管直径、长度、构造、布置方式、注浆参数）应视岩溶区的规模及其与隧道的相对位置关系而定。注浆之前先喷射Ｃ20级混凝土封闭掌子面，以防漏浆同时确保掌子面稳定性。4.2小管棚施工在溶洞规模较小、地下水含量较少和围岩破碎程度较轻的地段，采用小管棚的方法通过。小管棚直径Ф42～Ф89热轧无缝钢管加工而成，前端加工成锥形，管内用Ｃ20混凝土填塞，如围岩为松散体可采用注浆加固围岩。小管棚采用扇形布置，设计参数(长度、间距)依实际情况确定。4.3钻孔压浆回填，打钢管桩此方法较适用于溶蚀区、溶洞处在隧道底板以下或穿过底板影响隧道稳定的情况，也适用于溶蚀区、溶洞处在隧道侧墙部位且与开挖外轮廓线有一定距离的情况。若溶蚀区、溶洞的规模较小，可采用先抛填片石，再由注浆孔吹填砾石、砂充实然后压浆；若溶蚀区、溶洞的规模较大在拱脚处，可考虑在拱脚处打设钢管桩。对于较大型的溶洞应根据具体情况分别采取排水、跨越、堵填、绕行施工等综合措施进行治理。4.3.1施工实例XX隧道K139+420～+300开挖时上断面以含水量较高的亚粘土为主，下断面为灰岩，属高岩溶发育区，隧道底部存在大量溶洞、溶槽，充填物多为松软的亚粘土和稀泥，并且向下延伸较深，隧道基地软弱；有的溶洞位于隧道边墙外侧，初期支护完成后在隧道外形成空腔；隧道拱顶也常有稀泥填充的溶腔初露，开挖时土体受到开挖的扰动，极易发生坍塌。根据设计文件资料和现场超前雷达探测数据，查明溶洞分布范围、类型情况、以及地下水量情况后，施工中根据实际情况分别采取以下几种方案进行处理。（1）XX隧道XX139+410～+390段初期支护上断面完成下断面施工之前，部分区段出现是已支护好的初期支护沉降速率过大，上断面拱架沉降变形严重，局部出现初期支护开裂、掉皮现象，监控量测数据揭示沉降变形速率超过允许范围，如不及时对其加强支护，将造成初支侵线，严重危及隧道施工安全及质量，针对此突发事件，我单位及时对已经完成初期支护段边墙下部进行钻探分析，钻探证实，该段拱脚下部为岩层覆盖的溶蚀区，下部有溶槽、溶洞存在，受开挖土体扰动，拱顶土压力越来越大，导致已支护好的初期支护沉降速率过大，上断面拱架沉降变形，局部出现初期支护开裂、掉皮。为了确保隧道施工和结构安全，从稳妥、经济、便于施工等各方面因素考虑，最终确定以下处理方案。=1\*GB3①在已完成上断面初期支护区段，即隧道大圆心位置采用I18工字钢施作临时仰拱，纵向间距1m，中间用φ22螺纹筋连接，间距1m。见图4-1：图4-1=2\*GB3②在隧道大圆心以上左右边墙按间距0.5mx0.5m打设四排φ42×3.5mmL=4m、小导管注浆加固围岩，并将小导管与拱架焊接牢固，锁焊住拱架。见图4-2：图4-2=3\*GB3③待以上工序完成后，逐榀拆除临时仰拱钢支撑，施作下导即图2中=5\*ROMANV、=6\*ROMANVI部分，施工中拱脚落于坚固岩石上，拱脚处为软弱围岩时，则通过在拱脚处垫8cm厚、30×40cm规格的木板，增大拱脚受力面积。通过雷达探测显示，该段部分区段拱脚处存在大量溶洞，严重影响拱脚稳定性，根据现场实际情况，我单位在拱脚处存在溶洞区段每榀拱架拱脚处，分别打设两根φ108钢管桩，并注浆对拱脚处软弱围岩进行加固，将拱架拱脚牢固的焊接在φ18钢管桩上部。见图4-3：图4-3=4\*GB3④上述工序完成施工仰拱时发现部分区段仰拱下部地基存在含量较大的亚粘土。为了确保仰拱闭合后隧道的整体稳定性，采取对仰拱下部软弱岩土进行挖除换填处理，无法挖除换填处则采用打设φ42小导管间距1.0m×1.0m注浆加固基底，并且将正在施工的初期支护钢拱架连接钢板由原设计20×20cm调整为30×40cm，增加拱脚受力面积。采取以上措施度过该段后，通过监控测量数据显示该段最拱部沉降速率，收敛在允许范围内，最终稳定。监控量测数据充分说明采取加固措施后取得了预期的效果，确保了隧道施工安全及运营后质量。（2）XX隧道右线XX139+385～+379上断面围岩受灰岩溶蚀影响，掌子面为孤石及强风化灰岩和亚粘土交错出露，且含水量较大，结构松散，自稳性差。根据超前雷达探测及超前钻探表明XX139+360里程处拱顶部位存在环向约4.5m、纵向约5.0m、拱顶高度约3.8～4.5m，填充物为稀泥的大溶洞，施工中稍有不慎可能造成大塌方，根据所获以上数据及现场具体情况分析研究，及时制订处理方案。=1\*GB3①在隧道地表准确测量放样XX139+360里程，并在地表做好沉降观测桩，定期观测，随时掌握地表是否有沉降，指导施工，并在地表半径20m范围设警戒线。=2\*GB3②洞内采用打设φ108管棚，L=12m、环向间距40cm，φ108钢管管壁打孔作为注浆孔，加固围岩。管棚打设完毕端部与已支护好的初期支护I18钢拱架焊接牢固，并对管棚注浆。注浆参数：水泥浆水灰比1：1、注浆压力的初压值控制在0.5～1.0Mp，终压值2.0Mp，可利用注浆量和压力双指标控制注浆效果。=3\*GB3③注浆完毕现场试验员取水泥浆做现场试件。待水泥浆液强度达到1.2Mp时，掌子面开始掘进。=4\*GB3④掘进时每循环进尺30cm，确定方案将此段I18工字钢拱架间距由原设计50cm调整为30cm加强支护，施工时每循环开挖、支护一榀拱架。=5\*GB3⑤该段施作初期支护时，拱顶采用喷C20喷射砼，将拱顶加厚2m，作为护拱，并在拱顶预留注浆孔，待初期支护闭合后对拱顶溶洞进行注浆填充。确保隧道运营后的安全和质量。该段施工完成至二次衬砌施工前，地表沉降量和净空收敛及拱顶下沉量测结果表明，该段已处于稳定状态。因此施工中采取的溶洞、溶槽处理措施