摘要：不同围岩之间的本质区别和直观表现在于其自稳时间，按照自稳时间的差异性可将围岩分为不同的级别，但对于某些自稳时间为0的复杂围岩条件，对其进行围岩稳定性的分级则显然没有实际意义。事实上，复杂隧道围岩在掌子面前方就已发生失稳和破坏，这也是他们的共同特点。但由于其破坏过程、变形机制和发展程度及范围的不同，对隧道施工安全的影响具有显著差异，这就需要采取不同的加固方式和施工对策。基于此，本文主要对复杂地质隧道围岩开挖技术进行分析探讨。
关键词：复杂地质隧道；围岩开挖技术
1、前言
浅埋复杂地质隧道开挖是隧道施工中重点工序，同时也是较难控制的施工工序。由于隧道处于浅埋地段，洞身埋深浅，围岩的自稳性较深埋段差，又由于地下水、风化等自然因素的作用，导致洞身及以上部位的围岩风化、破碎较严重。而且地表冲沟发育，堆积土、夹层土等现象不可预见。综上所述种种原因，导致浅埋段隧道的开挖成为普遍性的难题。
2、严格按设计要求做好洞口部分的施工
洞口部分包括明洞的开挖与支护，洞口边仰坡的开挖与支护及进洞前的超前支护的施工。明洞及洞口边仰坡的开挖要严格进行放样，按放样的边界线及设计的坡度进行开挖，尽量减少超挖，禁止出现欠挖现象。开挖完成后，尽快对坡面进行挂网、喷锚支护，减少开挖面的暴露时间，保证边坡的稳定，便于后续工作的展开。
根据围岩的破碎情况及设计要求，进洞前要先行做好大管棚超前支护，在管棚支护的保护下进行暗洞的各项施工作业。在明洞开挖至设计轮廓线验收合格后，进行大管棚的放样定位工作，在围岩体上用鲜明的颜色标注每个管棚的位置。为保证每个管棚的位置准确，外插角度符合设计的要求，先要施工便于定位管棚的套拱。套拱施工时，按设计要求的角度预埋套拱施工的定位钢管，每个定位钢管的位置要与围岩体上的标注位置一致，角度符合设计要求。然后根据设计要求浇筑砼。套拱的作用是稳定山体破面，和准确确定管棚的位置及角度。待套拱砼达到设计强度的70%后，进行管棚施工。根据要求的管棚孔直径选用钻机的钻头，使成孔后的孔径满足设计的要求。若围岩容易造成卡钻或踏孔等现象，要进行跟钻支护，或进行注浆后重新钻进。钻进过程中要对围岩情况做详细的原始记录，对石屑进行地质判断和描述，为隧道的进洞开挖作超前预报，指导下一步的洞身开挖。
3、及时进行超前地质预报
针对该隧道地质情况较复杂的实际情况，委托有专业资质的单位对该隧道进行了专门的超前地质预报。采用了 SIR-4000 型地质雷达进行数据采集，每次只取用前进方向20米的数据为可靠数据，进行分析预测。两次地质预报的搭接长度控制在5米左右，保证测得的数据有较高的可靠性，为隧道施工的方法、措施的变更和拟定提供依据，能够有效的指导施工，减少施工的盲目性。将地质预报测得的数据进行分析，判断围岩的状况，与设计文件进行对比分析。若与设计围岩一致，则按设计围岩级别进行施工，若出现偏差，则应根据实际围岩情况重新进行分析确定，有必要时，及时与业主、监理、设计单位联系进行设计变更，保证施工的安全和质量。
地质雷达系统主要由以下几部分组成（如下图所示）：
地质雷达系统组成示意图
地质雷达法即 GPR（Ground Penetraing Radar）方法是一种用于确定地下介质分布的电磁波法。其方法原理类似反射地震勘探技术，是一种高分辨率探测方法。GPR方法是用高频电磁波（1MHz-1GMHz），以脉冲型式通过发射天线被定向的向地下发射。电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线接收（如下图），并由采集系统（主机）以数字型式记录下来。
地质雷达（GPR）工作原理示意图
采用 RADAN 7 专用地质雷达数据处理软件，对预报的地质雷达测线，进行背景清除、带通滤波、距离归一化、静校正及增益恢复等室内处理后，得到地质雷达测线处理结果如下图所示：
雷达探测波谱图
4、做好监控量测工作
监控量测作为隧道“新奥法”施工的核心，在监控洞室内的变形，判断围岩的裂隙、构造节理、裂隙走向及岩石破碎情况，初期支护变形情况，保证施工的安全和隧道结构的稳定等各方面都起着不可替代的作用。其中，每一开挖循环所做的地质素描图，对预判洞身围岩的变化有着很强的指导作用。通过地质素描图，能够得到围岩的结构构造、节理发育情况，裂隙破碎情况，知道围岩的薄弱点，辅助判断围岩的级别。同时为调整钻爆参数提供依据。周边位移、拱顶下沉和地表下沉等项目的及时监测，为隧道施工提供洞身的变形大小、稳定时间等重要指标，据此可准确判断洞身开挖的预留变形量等指标是否合理，以便控制炮孔的装药量等指标，准确确定掌子面围岩的开挖轮廓线，周边眼的位置等。
监控量测沉降曲线示意图
5、做好钻爆作业工作
钻爆作业包括钻爆设计和钻爆施工。钻爆设计是洞身开挖的关键性工作，钻爆设计好坏，直接关系到洞身的开挖到位的准确程度，即围岩的超挖大小。在进行钻爆设计时要根据围岩的级别，薄弱部位的具体分布情况，进行详细周密的计算，确定炮孔的布置密度及炮孔装药量等指标。然后在钻爆施工时严格按设计好的方案进行操作。控制好周边眼的间距误差在50mm以内，眼底不超出开挖断面的轮廓线100mm。钻眼完成后，要按设计方案的炮眼布置图进行检查。不合格的孔眼，要重新钻孔施工，直到合格为止。然后才能按设计的装药方式和装药量进行装药，爆破。根据实际的爆破效果及时对下一循环的炮眼布置图进行调整，通过反复几个循环的调整，使爆破后的洞身轮廓线更接近于设计的要求。特别注意在施工过程中，要及时根据围岩的变化情况，调整炮眼布置图，以满足设计轮廓线的要求。
6、采用合理经济的开挖方法
确定合理的开挖方法即首先要保证施工的安全，同时要保证施工的进度与经济性。
根据围岩的级别、类型等可以采用的开挖方法有台阶法，环形开挖留核心土法，中隔壁法，及侧壁导坑法等等。无论是环形开挖留核心土法、中隔壁法、还是侧壁导坑法施工，均限制了大型施工机械的使用，拆除临时支撑时初期支护会因突然卸载二出现大的变形，存在安全隐患，各分部开挖工作面的施工初期支护时，循环衔接性差，相互干扰大，初期支护不圆顺，容易引起应力集中、质量不能得到充分保证、并且临时支护工序多，投入大，不经济等。根据现场的实际情况，该隧道在地质构造上属于鲁中南断块上升区的沂沭断裂带活动区，其显著特点是断裂构造发育，断裂的规模与方向不同，互相交切，把该区分割为许多大小不等，形状各异的地质块体。出口处风化破坏严重，节理裂隙极发育。通过现场物探分析，该隧道处有约40米破碎带通过，区域稳定性较差。
在开挖进洞前经过仔细的研究，决定采用短台阶法进行施工。具体为“三台阶七步开挖法”。即三个台阶依次相距大约5-10米的距离，上台阶整体开挖，中台阶与下台阶两侧错开梯度前进开挖，仰拱部位开挖采用左右错开分别开挖的方法。其中仰拱开挖与前面三个台阶的距离控制在50米左右。这样就在距掌子面约60米的范围内，隧道整个断面开挖分7个开挖面，以前后7个不同的位置相互错开同时开挖。然后分部同时支护，形成支护整体，尽量缩短每工序作业循环时间，逐步向纵深推进。
在具体施工中三台阶同时一次爆破后同时进行初期支护及出渣作业。由于采用台阶开挖，工作人员与开挖工作面相对高差较小，在进行初期支护时不需要专门的施工台车，施工较方便。且三台阶施工部位与仰拱之间有合适的工作空间，仰拱施工不影响三台阶的开挖及初期支护的施工，且可以同时进行。采用该法施工过程较简单，无需实施复杂的临时支护措施，大型机械设备可在工作面上进行出渣作业，提高了出渣作业效率，节省了临时支护的施做时间，加快了施工的进度，减少了该项费用的投入，其施工的经济性得到保证。三台阶施工梯度同时前进，相对开挖面积较小，能够保证施工的安全。此法可以在一般围岩地质条件下，大力推广应用。
7、结语
该隧道采用的方法合理，施工工程安全可靠，取得了一定的经济效益，在类似工程施工中可以推广使用。
参考文献：
[1]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011：7–12.
[2]台启民，张顶立，房倩，等.软弱破碎围岩隧道超前支护确定方法[J].岩石力学与工程学报，2016，35（1）：173–183.
论文作者:陈飞荣
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/14
标签：围岩论文; 隧道论文; 地质论文; 台阶论文; 作业论文; 方法论文; 情况论文; 《基层建设》2018年第28期论文;