软弱围岩【试论软弱围岩段施工技术】
摘 要：大伙房输水工程洞室设计断面为φ8.2m的全圆形隧洞，由于开挖断面较大，且该钻爆作业段断层较长，地质条件较为复杂，设计工期较紧，经过施工技术人员认真讨论，采用短台阶施工法和分步开挖法在施工中进行工序的交替更换，确保工程进度和工程质量。
关键词：围岩类别 短台阶施工法 分步开挖法 施工方法 施工支护
1.工程概况
大伙房水库输水工程（一期）14#工区主洞钻爆段起讫桩号为59+215～60+675，围岩类别分别为Ⅲa、Ⅳ、Ⅴ，全长1460m，其中59+880～59+895及59+975～60+065段为Ⅴ围岩，该段分布有F41，F41-1,F44三个断层，其中F41：分布于新宾～哈山台一带，断于M1中。破碎带有层泥、构造角砾岩、构造片岩、碎裂岩、压碎岩等组成。平面上呈舒缓波状，走向NE，倾角为76°～81°。
F41-1：该断层为F41分枝断层，切割M1。产状80°NW∠75°，呈压扭性，主要为碎裂岩组成，夹少量断层泥，胶结程度较差。
F44：该断层与F41断层交汇，由一组平行的压扭性构造面组成，断面擦痕、阶步发育，断层物质主要为断层角砾岩、构造片岩、碎裂岩夹少量断层泥，胶结程度较差，岩体破碎，构造片理局部有炭化现象。
2.施工方案
大伙房输水工程洞室设计断面为φ8.2m的全圆形隧洞，由于开挖断面较大，且该钻爆作业段断层较长，地质条件较为复杂（59+800～60+675全为Ⅳ、Ⅴ类围岩，占全长的60%），设计工期较紧，经过施工技术人员认真讨论，采用以下两种方案在施工中进行工序的交替更换，确保工程进度和工程质量。
方案一：短台阶施工法
在断层段为防止因临空面过大易引起坍塌，采用临时短台阶法（上台阶长度≤4.5m）配套短进尺（循环进尺控制在1.2m以内）并采取“一挖一支一超前”的原则循序渐进。
方案二：分步开挖法
软弱围岩段若采用超短台阶法施工不能保证周边岩壁的稳定时，可采取多台阶分步开挖。施工时上台阶采取预留核心土环形开挖，台阶长度控制在4.5～6.0m，在环形开挖立拱架后再开始预留核心土开挖，预留核心土开挖主要采用风镐配合挖掘机施作，底部开挖时为确保洞室结构的稳定及减小围岩的收敛变形而增设临时仰拱，在断层过后再开始开挖临时仰拱，并及时采取钢支撑进行圆形结构封闭，这种施工方法能最大限度的减少对围岩的扰动，减少变型，有效地控制围岩变形和保护围岩的天然承载力。
3.施工工艺与方法
3.1施工工艺流程
施工工艺流程图。（图1） 3.2施工方法
由于本断层施工段系两个挤压性大断层，施工时主要采用上下半断面开挖，围岩特别破碎、自稳能力极差时采用分台阶法开挖。开挖时，首先在掌子面沿洞室轮廓线采用L=3.5mφ22@40～60cm外插角5～100的超前锚杆，进行超前支护；然后采取上台阶为环形并预留核心土的方式缓慢开挖。施工时为减小因坍塌引起大的超挖，开挖方式主要以风镐为主进行掘进，稍好围岩采用弱爆破；开挖后及时进行初期支护进行封闭。为确保结构安全，施工时严格按照“一挖一支一超前”的原则进行作业，并且注浆与开挖进尺严格控制在效范围内。
预留核心土开挖时主要采用挖掘机进行作业，核心土两侧的翼墙开挖时，为避免挖掘机开挖易引起大的超挖，采取人工以风镐进行开挖。核心土的开挖一次性挖至距离洞室底部约120cm处即适可，剩余部分暂时做为临时仰拱。核心土挖出后及时安装钢支撑并进行锚网喷封闭，临时仰拱留有约5～10m长时开始下部开挖，开挖时遵循“快速开挖、及时支护”的原则，尽快使整个结构形成一封闭的圆形结构，保证其结构安全、稳定。
施工开挖时针对不同的围岩地段，为确保洞室的结构及净空，充分考虑其围岩的收敛变形，一般地段预留变形量不超过7cm，断层泥施工段及破碎段预留变形量约15cm。
3.3施工支护
3.3.1超前支护
由于围岩比较破碎带有层泥，局部地下水丰富，为减小拱部掉块、坍塌，施工时根据不同围岩条件，采用超前锚杆或超前小导管预注浆两种方式进行超前支护。
（1）超前锚杆
当围岩节理较为发育，岩石被切割的块状多为30cm以上，围岩有一定的自稳时间时，采用φ22超前锚杆进行支护，锚杆施工时沿支撑外缘以40～60cm的间隔、5～10°的外插角施作，锚杆长度采用3.5m长，搭接1.0m，每掘进2.5m左右施作一次，安装锚杆时采用人工或机械顶入。
（2）超前小导管注浆
当围岩极为破碎，且地下水较为丰富，围岩稳定性极差（无自稳性），开挖易引起大的坍塌或坍方时，为保证施工安全，采用超前小导管预注浆的方式进行围岩加固并止水，当水泥浆与岩石胶结为一体形成受力拱圈后，采用弱爆破进行掘进。在采用超前小导管注浆时，首先针对围岩的破碎程度及出水部位，选择针对性水灰比及孔位布置，注浆时压力选择遵循由小到大的原则。循环作业按照每注浆一次（加固范围3.5m/循环）开挖2.5m，小导管水平投影搭接长度1.0m；同时保证每次掌子面有至少一米的加固围岩。
3.3.2初期支护
Ⅳ类围岩地段根据围岩的完整程度分别采取锚喷或锚网喷支护，并视其破碎程度及自稳能力必要时采取格栅钢架进行加强支护；Ⅴ类围岩施工采取锚网喷加钢支撑进行支护，并且施工中对已支护段加强量测观察，若在施工开挖中围岩的自稳性极差，必要时采取型钢拱架进行支护。
支护参数：
Ⅳ类：φ22锚杆：L=2.0m/根；L=2.5m/根；间距1.2m；
钢筋网：@ 1 5 0×1 5 0 m m；@200×200mm；
钢格栅：G150
Ⅴ类：φ22锚杆：L=2.5m/根；L=3.5m/根；间距1.2m；
钢筋网：@ 1 5 0×1 5 0 m m；@200×200mm；钢格栅：G150 间距不大于1.0m;型钢支撑：H160 间距不大于1.0m;
3.3.3临时仰拱
临时仰拱作为辅助措施，一般在Ⅳ类、Ⅴ类及断层、破碎带中多有应用。尽管在开挖中多了一道施工工序，但是为了确保边墙的稳定性，增设临时仰拱可以有效的减缓支护下沉。另外临时仰拱除了减缓拱顶下沉外，同时还起到兼作弃碴运输通道的功能。考虑到增设临时仰拱不能对整个洞室进行及时全圆封闭，两侧边墙的支护可能会因侧压力而发生位移，为此，在断层或破碎地段的临时仰拱上部采用方木对两边墙进行临时支护，同时在临时仰拱上部采用C25砼进行湿喷作业，嘲喷厚度为20cm，整个临时仰拱部位的支护在断层施工通过之后，再逐步进行拆除，并且每拆除一榀钢支撑的部位，及时进行剩余部分钢支撑的联接并进行喷砼封闭。
3.3.4喷砼
围岩破碎段施工开挖后必须需要及时进行喷砼封闭，初喷时采用湿喷工艺进行6cm左右封闭支护，当核心土开挖后再复喷至设计厚度。
3.3.5施工排水
围岩破碎段施工时，为防止掌子面积水浸泡对周边围岩稳定性影响，在掌子面设临时积水坑，将掌子面积水先汇集于积水坑，采用7.5kw的水泵及时排至后面泵站，另外洞室两侧各设一道排水沟，可有效汇集两边墙渗漏水，并使其自流至后面集水坑，保证掌子面的正常作业。
3.3.6地质预报
为了安全顺利通过破碎带，根据提供的设计地质资料，断层施工前约50m处采取TSP超前预报系统进行超前地质预报，根据TSP对前方地质的分析结果，施工时针对不同地段的不同围岩，提前做好各种施工准备。在断层段施工中，加强对掌子面的观察，并通过对掌子面地质的编录、述描、归类、分析总桔，及时给出施工提出掌子面前方可能会出现的现象，确保掌子面的安全施工。
另外在断层段施工时，为确保TSP提供资料的准确性及现场施工的安全性，根据现场围岩的变化情况，选择适时的时机采用潜孔钻机在掌子面分别于5处进行超前探孔，钻孔时仔细对每个孔位进行系统统计钻孔时每米掘进时的速率及孔内回水色泽，针对几个不同部位的钻孔时掘进参数进行认真分析，然后制定更为详尽的施工方案，确保现场安全生产。
4.结论
通过本工程破碎围岩洞段开挖支护的成功实践，探索出了一套适合破碎围岩洞段开挖支护的施工方法，该施工方法具有经济适用、安全可靠的优点，对同类工程施工具有建设性的指导意义。
参考文献：
[1]王毅才.隧道工程.北京：人民交通出版社，2000
[2]吴焕通，崔永军.隧道施工及组织管理指南.北京：人民交通出版社，2004