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不良地质隧道施工技术
第一部分：工程概况
我处担负株六复线新茨冲隧道、新猴儿关隧道两座隧道的施工任务。新茨冲隧道全长3680ｍ，新猴儿关隧道全长1480m，为单线电化铁路隧道。两座隧道地质条件复杂，洞身岩层主要为石炭系马坪群（C3mp）灰岩夹泥灰岩、页岩，二叠系下统梁山组（P1l）石英砂岩、泥质砂岩、页岩夹煤线。灰岩中溶沟、溶槽、溶洞、溶孔等岩溶形态发育。工点位于黔西山字型构造前弧西翼外侧，构造作用强烈，褶皱断层发育，线路左侧发育有五条区域性大断裂，岩体中构造节理、裂隙很发育，地下裂隙水丰富。新茨冲隧道进口、新猴儿关隧道出口正处于危岩落石区，地势陡峻，基岩裸露，局部倒悬，多次发生崩塌落石，隧道洞身偏压。隧道Ⅱ、Ⅲ类围岩947m，开挖时共遇到溶洞6处，施工难度很大，施工中共发生大小坍方3次，其中，99年元月1日长16m冒顶大坍方为最大的一次，共清理坍体144余方，处理了3个月才通过。
第二部分：施工方法
一.隧道开挖后的力学行为和支护结构的组成、作用、类型。 1.隧道开挖后的力学行为：
隧道开挖后将引起一定范围内的围岩应力重分布，和局部地壳残余应力的释放（第一阶段），在重新分布的应力作用下，一定范围内的围岩产生位移，形成松弛，与此同时，也会使围岩的物理力学性质恶化（第二阶段），在这种条件下，坑道围岩将在薄弱处产生局部破坏（第三阶段），最后，在局部破坏的基础上，造成整个坑道的崩塌（第四阶段）。在坑道开挖以前，岩体处于初始应力状态，即一次应力状态；坑道开挖后由于应力重新分布，坑道围岩处于二次应力状态，如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不加任何支护，坑道即可自稳。如果坑道不能自稳，就须施加支护措施加以控制，促使其稳定，这就是三次应力状态，这种状态与支护结构的类型、方法以及施工时间等有关，三次应力状态满足稳定要求后，就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。 影响二次应力状态的因素主要有：围岩的初应力状态，岩体的构造因素（结构面、岩块组合形态等），坑道形状和尺寸，埋深，坑道的开挖形式（爆破、非爆破）和开挖方法（全断面开挖、分部开挖等）。如果围岩类别较低，岩体完整性较差，在开挖后，二次应力状态不能稳定，围岩就会逐渐变化直至整个坑道的破坏，为
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了控制岩体变形的发展，就必须采取施工支护措施。有的情况下，开挖后没有进行施工支护的时间，坑道围岩就会失去稳定，因此就需要在坑道开挖前对围岩采取加固支护，即超前支护，以保证开挖后围岩有一定的自稳时间完成施工支护作业。
2.支护结构的组成、作用、类型：
一个完整的支护体系是由周围岩体和支护结构组成的。岩体既是承载结构的重要组成部分，也是构成承载结构的基本建筑材料，它既是承受一定荷载的结构体，又是造成荷载的主要来源，具有荷载、材料、承载单元三位一体的特征。在通常情况下，岩体是主要的承载单元，而支护结构是辅助性的。在某些特殊情况下，比如地质条件极差，岩体自稳能力很差，或没有自稳能力时，支护结构是主要承载单元，坑道围岩的三次应力状态，充分说明了这一点。
支护结构的基本作用：保持隧道断面的使用净空；防止岩体质量进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使隧道支护体系有足够的安全度。
支护结构的类型：根据材料和系统可分为木支撑，钢支撑，锚杆，金属网，喷射混凝土，模筑混凝土及几种形式联合在一起的组合支护。
木支撑：木支撑大多数采用立柱或支架形式，在过去长时间内曾是开挖支撑的主要手段，其优点是制做方便，重量轻，但是木支撑耐久性差，强度低，在多数情况下需要拆除，这种拆除或顶替已承载支撑的作业，会造成围岩过度松弛及应力的第二次分配。另外，木支撑断面尺寸大，占用隧道空间多，且成本高，目前，除局部坍方处理外，木支撑已很少采用。
钢支撑：钢支撑可以迅速架设并有足够的阻力，且无须顶替，可以灌注在混凝土内，作为永久衬砌的一部分，与围岩接触条件也比木支撑好。钢支撑一般采用型钢、旧钢轨等采用车间加工，以螺栓、垫板联接。两排钢支撑之间，为使其互相牢固联系成整体，保证能充分承受隧道轴向力及爆破引起的震动，在纵向设联系螺栓和纵向支撑。目前钢支撑大多数用钢筋加工，即格栅支撑。格栅支撑以重量轻，便于架设、装配，与喷射混凝土和围岩的联系条件好，柔性大等特点而广泛使用。
锚杆支护：锚杆支护是隧道支护技术的一大进展，其作用原理是利用围岩自身强度来支撑围岩，从内部提高岩体本身的承载能力，它与外部支护围岩的钢支撑不同，属内部支护。其主要作用有三点：悬吊作用，组合梁作用，加固作用。锚杆支护多数不是面接触，而是点状的。但它比较迅速，还可施加预应力，这种方法适应多变的地质条件，且锚杆支护不占用空间。锚杆分为端部锚固式、全面胶结式及并用式三类，隧道施工中常用全长粘结型砂浆钢筋锚杆，近年来一些新型锚杆材料如集钻、注、锚于一体的GM锚杆，WTD锚杆等得到了广泛推广应用。
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喷射混凝土：喷射混凝土以其对岩体条件和坑道形状的很强适应性和可在开挖后迅速施喷的特点而成为一种广泛应用的施工支护手段。隧道开挖后，在围岩上立即喷射一层混凝土，能与围岩表层岩石共同作用，且能渗入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面，从而提高围岩强度、整体性和自承能力。它的支护能力很高，并可随时加强。喷射混凝土一般与钢支撑、锚杆、金属网等联合使用。 二.施工方法的选择
洞室的形成是通过开挖和支护两个施工阶段完成的。因此采用的施工方法和支护方法也必然对整个坑道的稳定给予一定的甚至是极为重要的影响。例如，全断面开挖及分部开挖、爆破开挖及非爆破开挖、木支撑与钢支撑、早期支护及二次支护、仰拱的及时封闭、一次掘进进尺等都对坑道及结构的应力状态产生相应的影响。
选择隧道的施工方法，应以地质条件为主，还要结合隧道长度、断面、结构类型、工期要求、施工技术力量、机械设备情况和综合效益等综合确定。 我们以新奥法基本原理为依据，通过对比分析，制定出可行的施工方案。 为了充分利用围岩的自稳能力，延长洞身开挖后围岩自稳时间，我们确定先护后挖。在Ⅱ类围岩地段采用超前小导管注浆加固地层，并超前支护；在Ⅲ类围岩地段采用超前锚杆支护。
由于不良地质情况下围岩自稳能力差，因此开挖后需要及早施作初期支护，并闭合成环，提高承载能力，因此决定采用短台阶法作为基本施工方法。采用拱部超前的台阶法开挖不仅能在正面和中层同时钻孔，而且支护准备、支撑架设和喷射混凝土支护以及锚杆作业都能相互交替进行。如果岩体的自稳时间不足或开挖面不稳时，可采用保留核心土的方法。
由于地质条件差，岩体松散破碎，选择支护手段时，要选用既能承受较大的围岩压力，同时还能大面积的、牢固的与岩体紧密接触，能及时施作、随时加强的支护手段。因此，我们采用喷射混凝土、锚杆、挂钢筋网、钢筋格栅联合一起的组合支护形式。
在过去，Ⅱ、Ⅲ类围岩不良地质地段，传统上采用先拱后墙法衬砌，但工序多，进度慢，稍有不慎，便容易引发拱圈下沉、开裂、甚至掉拱等病害，目前，这种方法正被摒弃。我们决定采用仰拱(铺底)紧跟的先墙后拱法衬砌。这样做的优点是:初期支护与围岩结构联成一体，共同承载，共同控制围岩变形，二次模筑衬砌在围岩的变形基本稳定后再作，从而避免了二次衬砌过早受力而产生开裂破损等病害；由于初期支护相对于先拱后墙法成环早，整体受力好，故能避免底鼓和塌方事故发生；初期支护先成形，有利于防水隔离层的施作，拱墙一次灌注长度可达8m，减少了工作缝，工程质量容易保证，渗漏水病害减少；由于仰拱
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（铺底）紧跟，道路通畅，故可避免地下水和施工用水浸泡基底而造成日后翻浆冒泡。
在稳定性很差的围岩中，地质条件复杂多变，二次衬砌和仰拱的施作时间，直接关系到衬砌结构的安全，过早施作，会使二次衬砌承受较大的围岩压力，过晚又不利于初期支护的稳定。因此，在施工中应进行监控量测，掌握围岩和支护的变化规律，及时调整支护和衬砌参数，以确定二次衬砌和仰拱的施作时间，能使衬砌结构安全合理。
如果自稳性很差的围岩在较长时间达不到基本稳定的条件，喷射混凝土出现大量的明显裂缝，而支护能力又难以加强，则应及早施作仰拱，以改善围岩受力变形条件。若围岩仍不能稳定，应提早进行二次衬砌，以提高支护抗力，避免初期支护坍垮。
根据新奥法理论，变形在初期支护下已趋于稳定，二次衬砌作为安全储备而修建，而不是把二次衬砌作为承载的主要结构在衬砌施工时，强调适时衬砌，充分发挥初期支护的作用，如果过早衬砌，变形较大，容易出现过早受力变形开裂，如果过晚，初期支护不能承受荷载，发生塑性变化时，将不利于整个隧道的稳定。 综上所述，确定不良地质条件下隧道施工方法为：超前支护，先护后挖，控制爆破，加强支护，仰拱紧跟，适时衬砌，量测反馈。
第三部分：主要工序施工
一、超前支护。
不良地质隧道施工时，围岩大多松散、破碎，自稳能力极差，开挖后在短时间内就会坍塌。因此，超前支护成为必然手段。我们在隧道施工中主要采用了超前小导管、超前锚杆两种超前支护形式。其中，Ⅱ类围岩采用超前小导管注浆，Ⅲ类围岩采用超前锚杆。 1 .超前小导管注浆：
超前小导管注浆是一项围岩加固新技术。通过在开挖面周边按一定角度将小导管打入岩层中，借助注浆泵的压力，使浆液通过小导管渗透、扩散到岩层孔隙或裂隙中，以改善围岩的物理力学性能，在工作面周围形成一个承载壳，同时管体又起到超前锚杆的作用，从而增加围岩的自稳时间，提高围岩的自稳能力。 技术参数：材料为Ф42mm钢管，外插角3°～5°，环向间距0.3m，每环22根，间隔2m布置一环，每根钢管长3.5m。
打小导管：测量放样，在设计孔位点上标记；用风钻钻孔后，将小导管沿孔打入，如岩层松软也可用油锤或风钻直接将小导管打入。小导管的尾部与格栅钢架焊接连成一体。
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