浅谈软弱围岩隧道高岭土段施工技术

浅谈软弱围岩隧道高岭土段施工技术

周飞1黄华2刘义3

中铁十局集团第四工程有限公司江苏南京210039

摘要：在软弱围岩隧道穿越高岭土段情况下，探讨隧道的支护和开挖施工技术。

关键词：隧道；高岭土；支护；短台阶

在工程建设中隧道施工占有重要的地位。虽然目前隧道施工技术相当成熟，但由于地下工程的不确定性，导致目前对一些复杂地质隧道施工水平不一，其中高岭土地段隧道就属于不良地质隧道，目前国内对此类隧道研究并不成熟。

一、工程概况

丹朱隧道位于广东省江门市台山境内，从路基引入，出口为路基段，进口里程DK166+152，出口里程DK166+428，隧道全长276m，隧道属浅埋隧道，最大埋深约50m。隧道进口段DK166+152～+324.838段位于左偏曲线上，左线曲线半径3500米，其余段落位于直线上，隧道内纵向设人字坡，坡度3‰，变坡点里程为DK166+400，DK166+334～+428段设置圆曲线，竖曲线半径为15000m、坡率为9.5‰。

隧道穿越场地表层为第四系全新统残坡积粉质粘土，下伏基岩为寒武系八村群变质砂岩。隧道出口段缓坡处全风化层较厚，约20～25m，间夹强风化不均匀风化层。隧道围岩主要为Ⅴ级、Ⅳ级围岩。根据超前地质预报显示Ⅴ级围岩存在31m高岭土段。茂名高岭土从成因上说经过风化残积、搬运自磨、再风化三个阶段，高岭土风化完全，晶片以单片状为主，粒度细。高岭土隧道自稳性差，开挖暴露在空气中易发生掉块、坍塌等。隧道开挖在进入高岭土地段时发生数次小方量拱部坍塌、掌子面坍塌。

二、隧道施工技术

（一）洞身开挖工法

针对高岭土隧道掌子面易坍塌及高岭土暴露后吸水强度极速下降的特点。综合考虑隧道安全及经济投入，高岭土段Ⅴ级围岩采用“三台阶+预留核心土+短台阶快速仰拱成环”开挖法。洞身采用挖机配合人工风镐开挖。高岭土Ⅴ级围岩洞身开挖上台阶每循环开挖支护进尺1榀钢架间距（0.6m），上台阶长度控制在2.4m（短台阶）。边墙每循环开挖支护进尺2榀钢架间距（1.2m），中台阶长度控制在4.8m（短台阶）。仰拱开挖每循环进尺不得大于3m，仰拱初期支护与掌子面距离不大于10m。上台阶在开挖过程中预留核心土确保掌子面安全。

（二）洞身开挖施工

1.利用上一循环架立的钢架施做超前支护开挖①部。开挖完成后施做①部导坑周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，架立钢架，并设锁脚钢管。施做①部时预留核心土，同时使用喷射混凝土封闭掌子面。钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

2.在滞后①部2.4m之后，开挖②部。导坑周边部分初喷4cm厚混凝土，架立钢架，并设置锁脚钢管。钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

3.在滞后②部4.8m后，开挖③部。初喷4cm混凝土，架立钢架。隧底周边部分喷射混凝土至设计厚度。

4.利用装载机、挖机、自卸车进行出渣。装载机装渣，挖机清低，平整地面，清理危石。

隧道三台阶开挖剖面图

（三）隧道支护

1.超前小导管

超前小导管为单层小导管采用Φ50mm无缝钢管，单根长5m，壁厚5mm，环向间距30cm。钢管前端做成尖楔状，便于插入孔中或直接打入，注浆管与非注浆管间隔布设，注浆管沿管体每15cm钻φ10mm注浆孔，呈梅花状布置，前端封闭并制成尖状，尖锥长10cm。尾部不钻孔长度30cm，作为止浆段。外插角以5°～10°为宜，可根据实际情况适当调整，但外插角不宜大于10°。

超前小导管安设采用钻孔打入法，即先按设计要求沿开挖轮廓线周边布点钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5mm，高压风吹孔。然后将小导管穿过钢架，用钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出。小导管安设后，用喷射砼堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近及工作面喷砼，以防止工作面坍塌。

超前小导管安设后，即可开始注浆。注浆前把注浆管与小导管端头及砂浆泵出浆管用铁丝绑扎牢固，水泥浆按1：1的水灰比采用拌和机拌制（水泥浆拌制时，，根据试验掺入速凝剂），砂浆泵注浆的方式对小导管进行注浆。注浆从隧道顶部往两边进行，其注浆压力为0.5～1.0MPa，注浆结束每一根小导管时，应立即堵塞孔口，防止浆液外流。

2.喷射混凝土

高岭土Ⅴ级围岩拱墙采用C30喷射砼，仰拱采用C25喷射砼。针对试验检查地下水对混凝土是否具有侵蚀性结果，采取相应对策，水泥强度等级不低于42.5MPa水泥用量为400kg/m3。

混凝土配合比应选用水灰比小、单位水泥量、速凝剂用量少的配合比。优先采用碱性小、对人体腐蚀性小的速凝剂。喷射混凝土应具备粘度大、回弹小、后期强度较高、初凝和终凝时间间隔短等特点。

3.锚杆施工

Ⅴ级围岩拱部采用中空锚杆，边墙设置砂浆锚杆；拱部环纵间距1.5m×1.5m，边墙设置1.2m×1.0m；锚杆长度4m。

（1）砂浆锚杆

隧道边墙采用C22普通砂浆锚杆，长4.0m，锚杆砂浆强度不低于M20，且所有锚杆尾端均设置钢垫板，垫板尺寸不小于150mm×150mm×150mm。施工时用台架采用YT-28凿岩机钻眼，搅拌机拌制砂浆。注浆压力控制在0.5～1.0MPa，并注意随时排除孔中空气，保证注浆的饱满。

（2）中空注浆锚杆支护

隧道拱部系统采用A25中空锚杆（杆体外注浆，杆内孔排气），压注浆液后不仅能锚固杆体，注浆压力较大时部分浆液会渗入锚孔的裂隙中，起到加固围岩的作用。采用钻机钻孔，ZTGZ-60/120注浆泵注浆。

4.钢筋网的铺设

钢筋网按预先在洞外钢筋加工场加工成型。钢筋类型（φ8mm）、网格间距（20cm×20cm），符合施作要求。

钢筋网根据初喷混凝土面的实际起伏状铺设，并与受喷面间隙不大于3cm。钢筋网与钢筋网、钢筋网与锚杆、钢筋网与钢架连接筋点焊在一起，使钢筋网在喷射时不晃动。钢筋网在构件加工厂加工成片，洞内焊接形成整体。

钢筋网制作前对钢筋进行校直、除锈及油污等处理；安装前，岩面初喷4cm厚混凝土形成钢筋保护层。

5.钢拱架的施工

隧道高岭土Ⅴ级围岩设I20型钢支架，纵向间距为0.6m米。

（1）制作安装

现场制作加工：钢架按要求预先在洞外分节加工制作。先将加工场地用C15混凝土硬化，按设计1：1比例放出加工大样；将工字钢冷弯成型，要求尺寸准确，弧形圆顺；钢架加工后要进行试拼，其允许误差为：钢架各节长度不大于4cm；钢架周边拼装允许偏差为±3cm，平面翘曲应小于2cm。

试拼无误后分节运至开挖面架设，钢架架设应在初喷混凝土之后进行，与定位钢筋焊接。每榀钢拱架安装时，应准确测量定位，保证拱架的安装精度，以符合要求。钢架间以混凝土喷平，钢架与岩面之间的间隙用喷射混凝土充填密实，并使钢架埋入混凝土中，钢架拱脚必须放在牢固的基础上，拱脚标高不足时设置钢板进行调整，必要时用砼加固基底。安装时，段与段之间的连接板接合对齐密贴。质量达不到要求的钢架严禁使用。架立时垂直隧道中线，架设时中线、高程和垂直度由测量技术人员严格控制，并将锚杆与钢架焊接连为整体。每榀钢架安装好后在其拱脚处设置两根锁脚锚杆来固定，以限制初支下沉和收敛。锁脚锚管用Φ42mm小导管，其尾部与钢架焊接牢固。

（四）应急处理措施

为保证隧道安全，将施工过程中可能出现的危险控制在最初形成范围。拟在隧道高龄土段过程中发生掉块时，采用机械推送小导管支护及速喷喷射混凝土控制。在施工前将应急小导管材料准备齐全，喷射混凝土及喷射设备在现场待命。

三、结语

开挖工法对隧道安全起着关键作用，科学的开挖方式能有效的避免隧道事故的发生且能减少经济投入。丹朱隧道高岭土段采用“三台阶+预留核心土+短台阶快速仰拱成环”开挖法施工，施工过程中拱部得到有效支撑，未出现突发性掉块及坍塌情况。拱顶沉降均处于安全状态。表明该工法在隧道高岭土段对围岩自身稳定性进行了有效控制，能够为以后类似隧道工程施工提供参考。

参考文献：

[1]郭钟浩.基于铁路隧道软弱围岩隧道浅埋段的施工工艺探讨[J].四川水泥，2018，（12）.

[2]杨文平.软弱围岩隧道浅埋段施工研究[J].山西建筑，2017，（36）.