昔格达地层广泛分布于我国西南地区, 作为一种半成岩, 其强度低, 工程性质差, 是隧道开挖与支护较为困难的地层。昔格达地层主要由灰绿色、灰黄色、灰黑色的黏土岩、粉砂质黏土岩和粉砂岩组成^[1,2], 分布面积在西南地区达40 000km。微 (弱) 爆破是软弱围岩隧道开挖的常用方法, 但该方法易诱发岩层牵引破坏, 不利于初期支护的稳定;超挖较大, 混凝土回填数量超耗严重, 大大增加施工资源投入和施工成本^[3,4]。目前, 尚未有一套专用于昔格达特殊地层的浅埋隧道施工方法, 实现安全、快速、高效、低成本的开挖施工。

针对成昆铁路扩能改造工程米易—攀枝花段MPZQ-4标那招隧道昔格达地层施工, 采用超前地质预报、排水、锁脚锚杆等施工措施解决昔格达特殊地层隧道开挖及初期支护施工技术等难点, 形成昔格达地层施工工艺。

成昆铁路扩能改造工程全长860km, 米易—攀枝花段全长108.3km, 其中路基12.2km、隧道105.8km、桥梁9.8km、站房6座, 全线桥隧比92.5%, 投资约126.9亿元, 预计2019年竣工。该改造工程米易—攀枝花段那招隧道前接穆家湾大桥, 后接那招河大桥, 隧道起讫里程D5K587+725—D5K589+776, 全长2 050m, 全隧为11.7‰单面上坡, 最大埋深约185m。那招隧道为双线隧道, 设计行车速度为160km/h;隧道限界净宽为12.11m, 净高为8.38m。隧道位于半径R=1 600m的左偏曲线上。

那招隧道在D5K588+961—D5K589+776段穿过第三系昔格达组页岩夹砂岩地层 (总长814m) , 岩质极软, 易风化, 水稳性差, 浸水后强度降低较快, 地质条件整体很差。因此, 施工开挖过程中诱发围岩大变形, 导致隧道施工风险高, 不良地质多发育, 进而引发施工难度大、工期长等问题。

昔格达 (N₂x) 特殊地层隧道开挖及初期支护施工工法严格采用“短进尺、机械开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则施工。通过加强围岩监控量测工作和超前地质预报, 改进开挖方法, 采用人工配合机械开挖, 控制围岩初始变形;超前支护采用改进小导管钻进方法及管棚内增加钢筋束的方法提高超前支护的抗剪切能力;初期支护通过加大钢架刚度, 增加钢架纵向连接措施, 增强整体性;锁脚锚杆采用32精轧螺纹钢并采用干法成孔, 方向尽量沿开挖轮廓的切线方向, 由多根锚杆组成锚杆群, 且增加大拱脚, 增加初期支护刚度及支撑能力;对于地表起伏较大 (地形偏压地段) , 考虑削坡减载或不对称设置锚杆的措施。监控量测引入信息化平台, 加大监控量测频率, 使围岩沉降和收敛信息能够及时反馈, 很好地指导施工措施和参数的选择, 从而保证软弱围岩地段顺利平稳渡过。昔格达特殊地层隧道开挖及初期支护施工工艺流程如图1所示。

对于昔格达地层, 隧道开挖前应采用加深炮眼、超前水平钻等方法查明隧道掌子面前方富水情况及围岩情况 (见图2) 。那招隧道在施工中主要采取超前钻孔、TSP、加深炮孔、地质调查等方法^[5,6,7], 及时掌握隧道围岩变化情况。

同时, 加强超前支护施工, 采用108超前大管棚 (76中管棚) 对那招隧道D5K589+432.2—D5K589+457.2段进行超前支护, 管棚长度为25m, 采用每节长3m的热轧无缝钢管以丝扣连接而成, 管棚环向间距40cm, 钢花管上钻注浆孔, 孔径10～16mm, 孔间距11cm, 呈梅花形布置, 尾部留不钻孔的止浆段110cm, 管棚外插角5°。该段初期支护为双层拱架, 在外层拱架施作完毕后进行管棚施作, 进行测量放线、成孔、顶管、封口、注浆、关闭止浆阀, 即完成管棚施工, 管棚施作完毕后进行内层拱架施作。超前管棚有效降低了那招隧道昔格达地层段的施工风险。

昔格达地层隧道主要采用改装后的挖掘机辅以人工进行开挖, 多以三台阶临时仰拱法、三台阶预留核心土法为主^[8]。采用常规的挖掘机进行开挖, 在掌子面及隧道轮廓线附近开挖时易造成昔格达地层的扰动, 引发危岩大变形和破坏。昔格达地层开挖的主要问题是危岩出事变形导致的危岩破坏或危岩自稳能力降低, 因此, 采用改良的挖掘机进行施工。大范围开挖时采用反装挖掘机刀片 (见图3) 进行开挖, 接近隧道断面轮廓线时, 在挖掘机前端暗转钢质刀片, 钢质刀片可操作角度大, 可以对隧道轮廓线周围小范围围岩进行修整。该改进挖掘机在那招隧道的应用证明, 有效降低对围岩的扰动, 控制围岩初始变形, 避免围岩破坏引发塌方等事故, 同时降低人员施工风险。

为减少施工用水对孔洞的软化泥化影响, 在超前小导管和超前大管棚施工中做相应改进, 以适应昔格达特殊地层隧道施工。

如图4所示, 在超前小导管钻孔时, 用风枪钻孔至设计深度的一半, 然后插入小导管, 再用风枪将小导管顶入至设计长度。这样能有效减少施工用水对围岩的软化, 使超前小导管嵌入围岩, 更好地发挥小导管的超前支护作用, 确保隧道的施工安全。

那招隧道在施工过程中, 由于地形偏压及雨季渗水变大对昔格达围岩造成软化等原因, 发生过2次较大变形。在处理变形时, 采用超前大管棚对前方扰动围岩进行支护, 但由于围岩竖向压力较大, 大管棚很容易在管棚薄弱点 (管棚连接处) 开裂、折断。通过总结施工经验, 决定在大管棚内设置钢筋束, 增加管棚抗弯折能力。这一措施很好地解决了因围岩压力较大造成管棚易折断的问题, 最大限度地利用大管棚支撑力, 发挥大管棚的超前支护作用, 保证施工安全。

那招隧道一直将隧道防排水作为隧道施工的管控重点^[9,10]。施工过程中, 部分里程段有渗水出现, 尤其是攀枝花雨季期间 (6—10月) 渗水更大, 对围岩软化严重。因此, 采用在每台阶立架施工时, 于钢拱架背后埋设环向盲管, 如图5所示, 将围岩渗水引排至每台阶距拱脚1m处的集水坑, 再抽排至中心水沟。并且, 对渗水量较大的部位采取单独插PVC管进行定点引排。以上措施减少渗水对初期支护背后围岩的二次软化作用, 保证围岩强度和稳定性, 且能引导渗水流向避免形成“水帘洞”, 保证隧道施工安全及文明施工标准。

干式钻孔主要措施为:在打设锁脚锚管孔时, 采取螺旋电钻替代传统的风枪钻孔, 做到无水成孔, 有效避免风枪钻孔时风枪水对围岩的软化影响。

那招隧道埋深较浅, 通过围岩变形监测数据及初期支护裂损等情况分析, 围岩压力主要是开挖后形成的松散压力, 以拱部垂直方向荷载为主。据此, 通过昔格达 (N₂x) 特殊地层方案的重点是加强初期支护, 控制围岩松散和岩体坍塌。为加强拱架整体性, 纵向采用I18连接拱架, 拱脚位置增设大拱脚, 如图6所示, 从而增加拱脚受力面积。鉴于昔格达地层浆液可注性不强, 且昔格达地层遇水软化, 锁脚锚杆成孔时采用干法成孔, 即利用电动麻花钻冲击成孔, 成孔后塞入锚杆锚固剂, 打入锁脚锚杆杆体。锁脚锚杆采用32精轧螺纹钢作为杆体, 方向尽量接近开挖轮廓的切线方向, 由多根锚杆组成锚杆群, 由此改善拱脚位置受力特性, 防止拱脚位置下沉, 大大减少沉降速率和累计沉降值。为控制拱顶变形, 在钢架拱脚位置增加刚性垫块, 用以增大拱脚作用面积, 降低拱脚应力集中。从监控数据来看, 增设大拱脚与增强锁脚锚杆措施和下垫刚性垫块对防止拱架沉降起到关键作用。

那招隧道喷射混凝土采用湿喷工艺。湿喷工艺因其混凝土是在拌合站中按施工配合比集中拌制运输至现场, 有效解决干喷工艺混凝土现场人工拌制施工配合比难以准确掌握的缺点, 因而湿喷混凝土强度更有保障;湿喷混凝土的致密性较干喷混凝土也有所提高, 与钢架能更紧密贴合, 更易形成整体支护, 提高初期支护混凝土承载力^[11];同时, 湿喷混凝土也有效减小回弹量、施工粉尘大等问题。

监控量测是新奥法施工的核心技术之一, 也是采用信息化设计和施工重要组成内容之一^[12]。在软弱围岩地段进行施工, 监控量测显得尤为重要, 其直接提供施工支护信息, 监测围岩和支护的力学动态及稳定程度, 保障施工安全, 为评价和修改初期支护参数、力学分析及二次衬砌施作时间提供依据。隧道监控量测信息化平台是将现场数据采集、传输、分析与处理、预警、预警信息发送集为一体的工作平台 (见图7) 。该信息平台与全站仪、手机客户端实现无缝对接, 其工作程序为:现场数据采集→数据传输至信息化平台→数据分析与处理→预警信息发送 (若存在预警情形) →手机客户端接收。该信息平台的优点为: (1) 数据采集通过全站仪直接采集, 采集的数据通过手机客户端同步上传至信息平台, 保证数据的真实性和同步性; (2) 信息平台自行进行数据分析与处理, 处理速度快, 准确性较人工处理高; (3) 信息平台存储数据量大, 就不同单位工程、监测项目、不同时段的数据进行分类存储; (4) 及时发布预警信息, 便于业主公司、监理单位、施工单位第一时间掌握, 针对红色预警、黄色预警果断采取应急措施, 切实贯彻安全施工“预防为主”的方针, 保障施工安全。

由量测结果可知, 按照原设计施工时, 拱顶累计沉降值可达48mm, 优化设计后, 累计沉降值下降至11mm左右, 在可控范围内。

施工过程中严格控制安全距离, 及早封闭成环^[13], 保证施工隧道控制在安全步距内。现场监测数据发现, 在富水围岩地段, 监控数据已趋于临界值, 临近标段隧道同样也存在这样情况。经过探索、实践与总结, 对昔格达地层隧道的安全步距即仰拱封闭位置距掌子面的距离进一步缩短至25～30m, 能有效减少黄色或红色预警几率, 但过度压缩会导致挖掘机工作面无法展开, 给施工组织带来较大困扰。

该施工技术成功应用于成昆铁路米易—攀枝花段扩能改造工程MPZQ-4标那招隧道。施工过程中, 利用改装后的挖掘机, 有效解决软弱围岩隧道超挖严重的难题, 实现在三台阶施工条件下大型机械大体量土方的快速开挖, 同时大大减少火工品的使用对围岩的扰动和对环境的影响;利用改装后的凿岩风枪, 改变传统小导管施工工艺, 有效消除施工用水对围岩的软化影响, 保证小导管与围岩的整体性。同时在大管棚内增设钢筋束, 当超前大管棚施工存在较大拱顶垂直力作用时, 可增加管棚的抗弯折能力, 避免管棚在连接处 (管棚薄弱点) 发生折断、断裂, 最大程度地发挥大管棚的超前支护作用, 保证施工安全, 降低人员施工风险, 提高施工效率, 节约工序作业时间, 取得良好的施工效果。