不良地質隧道施工技術
第一部分：工程概況
我處擔負株六複線新茨衝隧道、新猴兒關隧道兩座隧道的施工任務。新茨衝隧道全長3680ｍ，新猴兒關隧道全長1480m，為單線電化鐵路隧道。兩座隧道地質條件複雜，洞身岩層主要為石炭系馬坪群（c3mp）灰岩夾泥灰巖、頁岩，二疊系下統梁山組（p1l）石英砂巖、泥質砂岩、頁岩夾煤線。
灰岩中溶溝、溶槽、溶洞、溶孔等岩溶形態發育。工點位於黔西山字型構造前弧西翼外側，構造作用強烈，褶皺斷層發育，線路左側發育有五條區域性大斷裂，岩體中構造節理、裂隙很發育，地下裂隙水豐富。新茨衝隧道進口、新猴兒關隧道出口正處於危岩落石區，地勢陡峻，基岩裸露，區域性倒懸，多次發生崩塌落石，隧道洞身偏壓。
隧道ⅱ、ⅲ類圍岩947m，開挖時共遇到溶洞6處，施工難度很大，施工中共發生大小坍方3次，其中，99年元月1日長16m冒頂大坍方為最大的一次，共清理坍體144余方，處理了3個月才通過。
第二部分：施工方法
一.隧道開挖後的力學行為和支護結構的組成、作用、型別。
1.隧道開挖後的力學行為：
隧道開挖後將引起一定範圍內的圍岩應力重分布，和區域性地殼殘餘應力的釋放（第一階段），在重新分布的應力作用下，一定範圍內的圍岩產生位移，形成鬆弛，與此同時，也會使圍岩的物理力學性質惡化（第二階段），在這種條件下，坑道圍岩將在薄弱處產生區域性破壞（第三階段），最後，在區域性破壞的基礎上，造成整個坑道的崩塌（第四階段）。在坑道開挖以前，岩體處於初始應力狀態，即一次應力狀態；坑道開挖後由於應力重新分布，坑道圍岩處於二次應力狀態，如果二次應力狀態滿足坑道穩定的要求，則可不加任何支護，坑道即可自穩。如果坑道不能自穩，就須施加支護措施加以控制，促使其穩定，這就是三次應力狀態，這種狀態與支護結構的型別、方法以及施工時間等有關，三次應力狀態滿足穩定要求後，就會形成乙個穩定的洞室結構，這樣，這個力學過程才告結束。
影響二次應力狀態的因素主要有：圍岩的初應力狀態，岩體的構造因素（結構面、岩塊組合形態等），坑道形狀和尺寸，埋深，坑道的開挖形式（爆破、非爆破）和開挖方法（全斷面開挖、分部開挖等）。如果圍岩類別較低，岩體完整性較差，在開挖後，二次應力狀態不能穩定，圍岩就會逐漸變化直至整個坑道的破壞，為了控制岩體變形的發展，就必須採取施工支護措施。
有的情況下，開挖後沒有進行施工支護的時間，坑道圍岩就會失去穩定，因此就需要在坑道開挖前對圍岩採取加固支護，即超前支護，以保證開挖後圍岩有一定的自穩時間完成施工支護作業。
2.支護結構的組成、作用、型別：
乙個完整的支護體系是由周圍岩體和支護結構組成的。岩體既是承載結構的重要組成部分，也是構成承載結構的基本建築材料，它既是承受一定荷載的結構體，又是造成荷載的主要**，具有荷載、材料、承載單元三位一體的特徵。在通常情況下，岩體是主要的承載單元，而支護結構是輔助性的。
在某些特殊情況下，比如地質條件極差，岩體自穩能力很差，或沒有自穩能力時，支護結構是主要承載單元，坑道圍岩的三次應力狀態，充分說明了這一點。
支護結構的基本作用：保持隧道斷面的使用淨空；防止岩體質量進一步惡化；承受可能出現的各種荷載；使隧道支護體系有足夠的安全度。
支護結構的型別：根據材料和系統可分為木支撐，鋼支撐，錨桿，金屬網，噴射混凝土，模築混凝土及幾種形式聯合在一起的組合支護。
木支撐：木支撐大多數採用立柱或支架形式，在過去長時間內曾是開挖支撐的主要手段，其優點是製做方便，重量輕，但是木支撐耐久性差，強度低，在多數情況下需要拆除，這種拆除或頂替已承載支撐的作業，會造成圍岩過度鬆弛及應力的第二次分配。另外，木支撐斷面尺寸大，占用隧道空間多，且成本高，目前，除區域性坍方處理外，木支撐已很少採用。
鋼支撐：鋼支撐可以迅速架設並有足夠的阻力，且無須頂替，可以灌注在混凝土內，作為永久襯砌的一部分，與圍岩接觸條件也比木支撐好。鋼支撐一般採用型鋼、舊鋼軌等採用車間加工，以螺栓、墊板聯接。
兩排鋼支撐之間，為使其互相牢固聯絡成整體，保證能充分承受隧道軸向力及爆破引起的震動，在縱向設聯絡螺栓和縱向支撐。目前鋼支撐大多數用鋼筋加工，即格柵支撐。格柵支撐以重量輕，便於架設、裝配，與噴射混凝土和圍岩的聯絡條件好，柔性大等特點而廣泛使用。
錨桿支護：錨桿支護是隧道支護技術的一大進展，其作用原理是利用圍岩自身強度來支撐圍岩，從內部提高岩體本身的承載能力，它與外部支護圍岩的鋼支撐不同，屬內部支護。其主要作用有三點：
懸吊作用，組合梁作用，加固作用。錨桿支護多數不是面接觸，而是點狀的。但它比較迅速，還可施加預應力，這種方法適應多變的地質條件，且錨桿支護不占用空間。
錨桿分為端部錨固式、全面膠結式及並用式三類，隧道施工中常用全長粘結型砂漿鋼筋錨桿，近年來一些新型錨桿材料如集鑽、注、錨於一體的gm錨桿，wtd錨桿等得到了廣泛推廣應用。
噴射混凝土：。隧道開挖後，在圍岩上立即噴射一層混凝土，能與圍岩表層岩石共同作用，且能滲入圍岩裂隙，封閉節理，加固結構面，從而提高圍岩強度、整體性和自承能力。它的支護能力很高，並可隨時加強。
噴射混凝土一般與鋼支撐、錨桿、金屬網等聯合使用。
二.施工方法的選擇
洞室的形成是通過開挖和支護兩個施工階段完成的。因此採用的施工方法和支護方法也必然對整個坑道的穩定給予一定的甚至是極為重要的影響。例如，全斷面開挖及分部開挖、爆破開挖及非爆破開挖、木支撐與鋼支撐、早期支護及二次支護、仰拱的及時封閉、一次掘進進尺等都對坑道及結構的應力狀態產生相應的影響。
選擇隧道的施工方法，應以地質條件為主，還要結合隧道長度、斷面、結構型別、工期要求、施工技術力量、機械裝置情況和綜合效益等綜合確定。
我們以新奧法基本原理為依據，通過對比分析，制定出可行的施工方案。
為了充分利用圍岩的自穩能力，延長洞身開挖後圍岩自穩時間，我們確定先護後挖。在ⅱ類圍岩地段採用超前小導管注漿加固地層，並超前支護；在ⅲ類圍岩地段採用超前錨桿支護。
由於不良地質情況下圍岩自穩能力差，因此開挖後需要及早施作初期支護，並閉合成環，提高承載能力，因此決定採用短台階法作為基本施工方法。採用拱部超前的台階法開挖不僅能在正面和中層同時鑽孔，而且支護準備、支撐架設和噴射混凝土支護以及錨桿作業都能相互交替進行。如果岩體的自穩時間不足或開挖面不穩時，可採用保留核心土的方法。
由於地質條件差，岩體鬆散破碎，選擇支護手段時，要選用既能承受較大的圍岩壓力，同時還能大面積的、牢固的與岩體緊密接觸，能及時施作、隨時加強的支護手段。因此，我們採用噴射混凝土、錨桿、掛鋼筋網、鋼筋格柵聯合一起的組合支護形式。
在過去，ⅱ、ⅲ類圍岩不良地質地段，傳統上採用先拱後牆法襯砌，但工序多，進度慢，稍有不慎，便容易引發拱圈下沉、開裂、甚至掉拱等病害，目前，這種方法正被摒棄。我們決定採用仰拱(鋪底)緊跟的先牆後拱法襯砌。這樣做的優點是:
初期支護與圍岩結構聯成一體，共同承載，共同控制圍岩變形，二次模築襯砌在圍岩的變形基本穩定後再作，從而避免了二次襯砌過早受力而產生開裂破損等病害；由於初期支護相對於先拱後牆法成環早，整體受力好，故能避免底鼓和塌方事故發生；初期支護先成形，有利於防水隔離層的施作，拱牆一次灌注長度可達8m，減少了工作縫，工程質量容易保證，滲漏水病害減少；由於仰拱（鋪底）緊跟，道路通暢，故可避免地下水和施工用水浸泡基底而造成日後翻漿冒泡。
在穩定性很差的圍岩中，地質條件複雜多變，二次襯砌和仰拱的施作時間，直接關係到襯砌結構的安全，過早施作，會使二次襯砌承受較大的圍岩壓力，過晚又不利於初期支護的穩定。因此，在施工中應進行監控量測，掌握圍岩和支護的變化規律，及時調整支護和襯砌引數，以確定二次襯砌和仰拱的施作時間，能使襯砌結構安全合理。
如果自穩性很差的圍岩在較長時間達不到基本穩定的條件，噴射混凝土出現大量的明顯裂縫，而支護能力又難以加強，則應及早施作仰拱，以改善圍岩受力變形條件。若圍岩仍不能穩定，應提早進行二次襯砌，以提高支護抗力，避免初期支護坍垮。
根據新奧法理論，變形在初期支護下已趨於穩定，二次襯砌作為安全儲備而修建，而不是把二次襯砌作為承載的主要結構在襯砌施工時，強調適時襯砌，充分發揮初期支護的作用，如果過早襯砌，變形較大，容易出現過早受力變形開裂，如果過晚，初期支護不能承受荷載，發生塑性變化時，將不利於整個隧道的穩定。
綜上所述，確定不良地質條件下隧道施工方法為：超前支護，先護後挖，控制爆破，加強支護，仰拱緊跟，適時襯砌，量測反饋。
第三部分：主要工序施工
一、超前支護。
不良地質隧道施工時，圍岩大多鬆散、破碎，自穩能力極差，開挖後在短時間內就會坍塌。因此，超前支護成為必然手段。我們在隧道施工中主要採用了超前小導管、超前錨桿兩種超前支護形式。
其中，ⅱ類圍岩採用超前小導管注漿，ⅲ類圍岩採用超前錨桿。
1.超前小導管注漿：
超前小導管注漿是一項圍岩加固新技術。通過在開挖面周邊按一定角度將小導管打入岩層中，借助注漿幫浦的壓力，使漿液通過小導管滲透、擴散到岩層孔隙或裂隙中，以改善圍岩的物理力學效能，在工作面周圍形成乙個承載殼，同時管體又起到超前錨桿的作用，從而增加圍岩的自穩時間，提高圍岩的自穩能力。
技術引數：材料為ф42mm鋼管，外插角3°～5°，環向間距0.3m，每環22根，間隔2m布置一環，每根鋼管長3.5m。
打小導管：測量放樣，在設計孔位點上標記；用風鑽鑽孔後，將小導管沿孔打入，如岩層鬆軟也可用油錘或風鑽直接將小導管打入。小導管的尾部與格柵鋼架焊接連成一體。
注漿：注漿前先噴混凝土封閉掌子面以防漏漿，對於強行打入的鋼管應先衝清管內雜物，然後再注漿。注漿順序由下向上進行，漿液用拌和機攪拌。
水泥漿水灰比為1.5:1、1:
0.8、0.8:
1三個等級，漿液由稀到濃逐級變換，先註稀漿，然後逐步變濃直到0.8:1為止。
考慮到注漿後需盡快開挖，注漿宜用普通水泥或早強水泥。注完漿的鋼管要立即堵塞孔口，防止漿液外流。
2.超前錨桿：
當岩層比較破碎時，拱部開挖前採用超前錨桿支護。超前錨桿採用鑿岩機鑽孔，孔深3.5m，孔徑32mm，鑽孔按設計要求進行，保證其方向、深度、間距準確；用壓縮空氣作動力，將水泥砂漿壓入鑽孔內，漿液配比為水泥:
砂子:水=1:1:
0.42；錨桿選用ф22mm，長度3.5m鋼筋砂漿錨桿，環向間距30cm，排距2m，外插角15°，並從格柵鋼架腹部空間穿過，插入孔中，尾部與鋼架焊接連成一體。
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