分离式隧道穿越洞口崩坡积体贯通施工技术研究

分离式隧道穿越洞口崩坡积体贯通施工技术研究

孙龙

中铁八局集团第二工程有限公司 四川成都610081

摘要:综合分析比较边坡清理的常用方案，结合现场地形地质特点，在确保安全贯通出洞的情况下，制定速率更快、安全系数更好、扰动更小、崩坡积体的扰动更小的方案；探究在崩坡积体不良地质条件下洞内超前支护措施的规格参数，确保崩坡积体不良地质条件下贯通段的掌子面围岩稳定性，保证顺利贯通；综合分析施工循环周期以及出洞段掌子面围岩稳定性以及洞外边坡崩坡积体稳定性，试验确定洞内弱爆破施工的技术参数；通过观测对崩坡积体稳定性的监控量测，确保贯通出洞以及洞外边坡清理防护施工的顺利进行。

关键词：崩坡积体；超前支护；注浆管棚；弱爆破；监控量测。

1 导言

本文通过对分离式隧道穿越洞口崩坡积体贯通施工展开四个方面的研究，包括：①洞外崩坡积体弱干扰清理施工技术；②洞内外超前支护施工技术；③洞内弱爆破施工技术；④洞内外监控量测。通过对比和分析常规的边坡清理方案，结合现场实际地形地质特点，在确保安全贯通出洞的情况下，制定功效更快、安全系数更高、扰动更小的最优方案。通过探究在崩坡积体不良地质条件下洞内外超前支护措施的技术参数，采用控制变量法确定洞内弱爆破施工的技术参数，保证掌子面围岩稳定性，同时进行洞内外监控量测，确保穿越崩坡积体贯通施工安全稳定。

2 洞外崩坡积体弱干扰清理施工技术

2.1 崩坡积体边坡清理

由于崩坡积体由大小不一的孤石及覆盖土组成，具有不稳定性，因此必须对洞口崩坡积体进行清理和防护。边坡堆积体清理的最大难点在于对崩坡积体中大体积孤石的分解，机械破碎是对崩坡积体影响最小的破除方法，但是效率较慢、施工周期较长，增加施工成本；孤石爆破是最为快速便捷的方法，但是对崩坡积体的扰动较大并且孤石爆破会产生飞石，易损伤既有结构物并对交叉作业区域安全有较大影响。因此结合以上两种方法的优劣，采用半挖半支护的方法，对于必须要清理的崩坡积体采用爆破方式，初步对孤石进行分解至较小体积，并采取对应防护措施预防爆破产生的飞石，再使用机械破碎对小体积孤石进行破碎转运；对于剩余堆积体，采用支护的防护措施尽可能减少对崩坡积体的开挖扰动。

对于崩坡积体这种不良地质，爆破方式通常有浅孔爆破、深孔爆破两种方法，浅孔爆破适用于体积适中并且危岩孤石体较为稳定时，便可直接在危岩孤石上使用小功率凿岩机进行钻孔爆破，若所需处理危岩石孤石体积较大，并且临空面大时即可采用深孔爆破，直接将潜孔钻机运送至危岩孤石上方进行一次性处理。

危岩孤石爆破施工时，因根据现场最小安全距离并预留一定安全距离，选择合理的爆破参数，并采取有效的防护措施，控制爆破飞石对周边的影响。因此可以对爆破进行主动防护，可采用废弃轮胎制作的炮被等材料覆盖在孤石炮眼正上方以及四周，有效阻拦爆破飞石的产生和飞射。

图2-1 爆破主动防护示意图

2.2 崩坡积体边坡支护

在对崩坡积体中大体积孤石进行清理后需尽快施作防护，防止边坡因爆破和机械破碎等施工作业扰动导致洞口垮塌，防护主要分为三个阶段：

第一阶段为边坡刷坡平整，刷坡处理可结合现场边坡高度，每一级边坡高度不超过10米，坡比控制为1：1或1：1.25，每两级边坡间设置2m宽检修平台，值得注意的是，在刷坡施工前可先进行洞门墙的施工，洞门墙施工完成后及时回填背墙土，可保护已施工结构物不受刷坡过程中落石碰撞损坏，并且可提前结束贯通出洞结构物施工，缩短施工周期。

第二阶段为表面喷浆处理，对整个崩坡积体边坡进行混凝土初喷，喷射混凝土厚度为10cm左右，主要目的是保持边坡整体性并防止雨水浸入降低崩坡积体稳定性，为洞内施工创造安全的施工条件。

第三阶段为坡面防护，对于堆积体厚度较小、稳定性较好的边坡，可采用喷播植草防护，对于堆积体厚度较大、稳定性较差的边坡，应采用锚索框格梁防护，框格梁中采用挂网喷草的防护措施。框格梁单元格尺寸为4*3m，锚索设置于框格梁节点处，锚索长度30m，详见下图：

图2-2 锚索框格梁平面示意图

图2-3 锚索结构断面示意图

2.3 边坡防滚石安全防护

隧道贯通出洞期间，暗洞和明洞施工时对桥梁已完结构物的成品保护。为确保崩坡积体条件下的顺利出洞，在暗洞出洞前需进行洞口平台清理，结合现场高落差地形，土石方形成的滚石落石易对桥梁结构物造成损伤破坏，该阶段交叉施工产生的安全隐患最为明显，因此可在起因物发生地设置主动防护，在作用物处设置缓冲地带，在缓冲地带前设置被动防护，可最大限度降低交叉施工带来的影响。洞口边坡上间隔5m设置缓速防落网，缓速网采用麻绳等兼顾有弹性的材料固定在坡面上，向上倾斜15°，上下两级缓速网重合长度不小于30cm，下级防护网较上级缓速网延伸长度不小于50cm，最后一级缓速网正下方挖设防护沟，通过缓速网使落石慢速落入防护沟内，并定期对防护沟进行清理。交叉作业区与防护区间设置5m缓冲区，缓冲区前设置高度2m的

挡土梗。通过上述多级防护措施，可以有效阻拦边坡滚石，减小安全风险。

3 洞内外超前支护施工技术

3.1 预注浆超前大管棚施工

崩坡积体不良地质条件下的出洞施工，超前大管棚对于暗洞的支护作用至关重要。超前大管棚预注浆有以下优点：堆积体方量很大而且存在偏压现象，大管棚注浆能有效地阻止堆积体岩体滑移并能防止岩体偏压对隧道的影响，管棚注浆能有效防止洞口仰坡面失稳并对松散岩体有固结作用；在大管棚内加入钢筋笼并注浆后，管棚支护具有刚度大、结构强度高、所形成的拱形结构承载能力强的优点，其一次支护长度大，可以减少超前支护的次数，缩短施工时间；采用大管棚支护可根据实际情况局部穿插超前小导管或超前锚杆支护，施工灵活方便。

（1）洞外导向墙施工

导向墙钢架采用I18工字钢，钢架间距50cm，距两侧各25cm，钢架间采用φ22螺纹钢筋进行连接，可先进行导向墙基础浇筑，并将第一节钢架预埋在导向墙基础中，保证导向墙钢架安装时定位准确、安装稳定。

（2）大管棚施工

导向墙施工完成后进行管棚施工，管棚钻机采用回转加冲击的方式进行钻进，加快管棚钻孔施工效率，崩坡积体地质松散极易发生塌孔，因此采用自进式管棚钻机，并在钻孔的同时自动跟进套管保证成孔效率，加快管棚施工。

先在导向墙上定位出35个孔口位置，使用管棚钻机在导向墙上依次成孔后，开始安装孔口管及大管棚。管棚孔口管采用φ127*6mm钢管，环向间距40cm，拱部120°范围布置共35根，单根长度1m；管棚采用φ108*6mm钢管，环向40cm与孔口管一一对应，单孔总长度30m，管棚钢管纵向搭接长度宜为10-45cm，分段安装每段长度为4-6m，两段之间使用丝扣长度不小于15cm的套筒连接。管棚安装完成后安装管棚钢筋笼，管棚钢筋笼由钢筋加工场进行集中加工后运至现场，管棚钢筋笼构造图如下。钢筋笼安装完成后，使用注浆机对管棚进行注浆，使用M30砂浆，注浆完成后清理管中浆液。

图3-1 导向墙立面图

3.2 洞内双层交错型超前注浆小导管

洞内超前支护一般采用注浆小导管，注浆小导管作为暗洞施工主要的防护措施，在崩坡积体不良地质的条件下应进行加强，并相对应的结合拱顶注浆等辅助加固措施，保证在贯通出洞施工过程中对崩坡积体的稳固作用。原设计采用单层φ42*3.5mm超前注浆小导管，现场施工反馈单层注浆导管沉降速率较大，拱顶掉块较为严重，因此经过现场试验采用双层交叉型注浆导管。双层小导管超前注浆预支护通过浆液渗透、扩散到地层裂隙中以改善土体物理力学性能，达到增加土体的自稳时间、限制地层松弛变形的目的。双层小导管内侧一层小角度斜外插角5°-10°的注浆小导管，稳定固结即将开挖隧道外轮廓线附近的围岩，形成第一层注浆固结圈；外侧一层外插角10°-30°的注浆小导管与第一层注浆圈形成搭接的同时，形成第二层注浆加固圈，进一步加大围岩固结区的范围，使双层小导管发挥挑梁作用，并且交叉型布置可以使在面临较大负荷时双层注浆导管同时发挥作用。

双层交错型注浆导管采用φ42*3.5mm热轧无缝钢管，外径42mm，长度4.5m；小导管环向间距40cm，上下两层交错布置，前端加工成锥形，尾部焊接于钢拱腹部，以增加共同支护作用；两层小导管外插角度分别为5°-10°和10°-30°；小导管施工与钢拱架配套，每循环小导管纵向应有不小于1m的搭接长度。

针对注浆料的性能特征，贯通段一个循环的施工周期为13-15小时，均满足不同注浆料的凝固时间，因此采用单液水泥浆即可，通过现场试验配比确定水泥：细集料：水掺和比例为1：6.9：1.26，注浆料性能如下：

表3-1 注浆料性能表

通过现场实际施工，该配合比注浆料可满足崩坡积体条件下的超前支护需求。

图3-2 双层超前导管示意图

4 洞内弱爆破施工技术

崩坡积体因其不稳定性，极易收到爆破震动的影响，因此在崩坡积体贯通段进行爆破施工时，不同于一般地质条件下暗洞施工的工艺，崩坡积体贯通段暗洞施工采取弱爆破施工工艺，可经过多个循环试验段的试验爆破确定最佳的爆破参数，在保证施工进度的前提下尽可能减小对围岩和崩坡积体地质的扰动，稳中求进，实现安全出洞。本项目爆破器材采用φ32二号岩石乳化炸药，孔内设置延时电子数码雷管起爆网路。

4.1 爆破参数设计

1.孔网参数

（1）孔径：φ42mm；（2）周边孔孔距：500mm；

（3）辅助孔孔距：1000mm；（4）辅助孔排距：700-850mm；

（5）光爆层厚度：600mm；（6）孔深：按循环进尺确定，掏槽孔加深100mm。

2.掏槽孔示意图

图4-1 掏槽孔示意图

3.装药结构

4.起爆网路

根据爆破作业环境，为了有效降低爆破有害效应，减少对围岩的扰动，因此该工程采用电子数码雷管网路。这一爆破网路具有连接方便、起爆可靠、使用简单方便的优点。隧道起爆网路设计采用孔内延时，起爆采用电子数码雷管专用起爆器起爆。

图4-2 电子数码雷管连接示意图（图中数字为雷管起爆顺序）

4.2 弱爆破设计参数研究

在确定了开挖掌子面的炮眼布置等技术参数后，需对炮孔深度以及装药量进行调整，实现弱爆破工艺，炮眼深度不足或炮眼装药量不足极有可能导致爆破效果不佳影响施工的正常进行，炮眼深度过深或炮眼装药量过大又会对掌子面围岩扰动过大、无法有效控制进尺，在爆破过程中，需要对辅助孔、周边孔的相关参数进行试验调整，来确保最佳的爆破效果。

炮孔深度根据所在岩层的岩石坚固系数ƒ和掘进断面的大小决定，见下表所示：

表4-1炮孔深度取值表

根据对武圣隧道粉砂质泥岩取样，得到岩石单轴抗压强度R=47MPa；根据岩石坚固系数公式：ƒ=R/10=4.7；武圣隧道开挖断面大小为97.28㎡，因此炮孔深度取2.2-2.5。

武圣隧道贯通段围岩为粉砂质泥岩，前述岩石坚固系数ƒ为4.7，根据K值表可查得其松动爆破单位炸药消耗量为0.4-0.6。根据炮孔布置图，可知周边孔孔距为500mm，辅助孔孔距为1000mm，隧道爆破最小抵抗线为光面爆破厚度，即进尺600mm，由此可以分别计算出：

周边孔线装药密度r=（0.4-0.6）*0.5*0.6；

辅助孔线装药密度r=（0.4-0.6）*0.5*1.0。

通过控制孔深、单位炸药消耗量这两个变量，分别进行了两组对比试验：

（1）第一组试验固定单位炸药消耗量为0.5，调整孔深大小，通过对比有效进尺和围岩沉降情况确定最优孔深；

（2）第二组试验固定孔深为1.2m，调整装药量，通过对比有效进尺和围岩沉降情况确定最优装药量。

根据试验数据可以得出，在不减小炮孔深度的情况下，只对爆破单位炸药消耗量进行减少，不仅爆破效果不佳，并且对围岩的扰动也没有较明显的改观，因此初步得出结论，通过减小炮孔深度至1.2m并相应的减少爆破装药量，可以有效地控制开挖进尺，同时减弱对周边岩层的扰动，由此得到崩坡积体不良地质条件下弱爆破的炮眼药量分配和主要技术指标。

表4-2 贯通段光面弱爆破炮眼药量分配表

表4-3 贯通段光面弱爆破主要技术指标

5 洞内外监控量测

穿越崩坡积体不良地质贯通出洞施工过程中，围岩的监控量测和钢拱架的应力监测对保证施工安全具有重要意义。通过施工现场的监控量测，提高了围岩的稳定性、初期支护和衬砌的可靠性，为二次衬砌合理施作时间、调整施工方法、优化衬砌类型、变更支护设计参数提供了依据，指导现场施工管理，确保施工安全和质量。

5.1 洞内监控量测

武圣隧道左右线贯通段均为Ⅴ级围岩，该段洞内监控量测点每5m埋设一个断面，每个断面分别在拱顶、拱腰及边墙埋设共5个观测点。

图5-1 洞内监控量测布置图

当拱顶下沉、水平收敛速率达5mm/d或位移累计达100mm时，应暂停掘进，并及时分析原因，采取处理措施，根据具体情况及时采取加厚初支喷砼厚度、加密或加强超前支护、增加钢架等加强措施。隧道钢拱架应力监测采用应力盒，放置在钢拱架支撑的垫钢板下方，在测量断面上布置径向、切向两对应力盒，然后将量测管路集中读数，若读数突然增大或持续异常，则需立即停止掘进。

5.2 洞外监控量测

洞外监控量测主要是监测隧道洞内爆破开挖施工对洞外堆积体的影响，而隧道施工对堆积体稳定性的影响主要表现在岩堆体局部失稳（坍塌）和整体失稳（边坡滑移、开裂）两方面，进行施工监测的目的是确保洞内外施工安全，同时检验支护设计和施工措施的合理性。

6结束语

崩坡积体在山区隧道施工中是出现频率较高的不良地质条件，其特点是稳定性较差、易受施工扰动发生坍塌，因此当崩坡积体出现在洞口上方时会对贯通出洞施工产生较大的施工影响，增加洞口边坡清理难度以及洞内掌子面爆破的危险性。本文总结归纳的

成果对于穿越崩坡积体洞口边坡的贯通施工有很好的示范和借鉴作用，研究所得出的边坡清理方案、洞内爆破及支护参数、洞内外监控量测方案，可以有效保证贯通出洞的施工效率以及安全性，缩短施工周期，保证施工进度，形成了良好的社会效益，针对类似地质条件的隧道工程具有较好的应用前景和推广价值。

参考文献

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