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1、旦架哨隧道穿越千枚岩地层的施工技术 高学朝1周建平2何矩文3王润厚4 ( 1 首钢山西项目筹备组；2 承德市京承旅游公路管理处； 3 广州市水利局；4 北京天成垦特莱公司) 摘 要 广东省某高速公路上的旦架哨隧道是单向3 车道高速公路隧道。在隧道施工中遇到 强风化千枚岩地层，给安全开挖造成很大困难。本文重点介绍了该隧道成功穿越强风化千枚 岩地层的技术方案及施工技术。 关键词大跨度隧道强风化千枚岩地层施工技术自钻式锚杆 1 概述 1 1 隧道情况 地处广东省佛岗境内的旦架哨隧道，是京珠高速公路上的关键控制性工程，为上下行分立 的3 车道高速公路隧道。与1 0 6 国道几乎平行，上下行两车道相距4
2、 5 m ，平均长度9 5 0 m 。该 隧道是京珠高速公路粤境南段佛岗以南最长、坡度最大、地质条件最为复杂的隧道。 隧道断面最大施工开挖界：宽度为1 7 8 m ，高度为8 3 m ( 含仰拱施工界) ，内轮廓为直墙半 圆拱，进出口均设8 l O m 的明硐段。隧道最大埋深1 2 5 m ，最小埋深仅2 5 m 。 1 2 地质情况 该区域地形状况为：受断层和河流冲刷影响而形成的陡峭山地，沟壑纵横交错，裂隙发育， 断层众多。其右线进出口右侧5 0 0 m 处是常年流水的大型河流，与该段高速公路近与平行，山 沟两侧为受河流冲刷影响而形成的缓坡地形。隧道进出口侧上方地表为陡峭山地地形。 隧道出口
3、位置正好处于古河床岸边，河床中淤积了厚达3 5 m 的千枚岩和黏土、泥砂、孤石 等沉积物。初步分析判断，主要为强风化钙质胶结千枚岩，经冲刷、淤积变质而成，是一个长约 3 0 0 4 6 0 m 、宽约2 6 0 3 5 0 m 、厚约5 4 5 m 的活动滑坡体，地质构造运动又将该滑坡体标高 提高，与隧道出口标高相近。 另在上下行两个隧道出口上方的仰坡、右线出口右侧上方的边坡，由于自然地形陡峭、表 面覆盖物为松软破碎的第四纪沉积物，大量降水已使该沉积物含水量达到极限，也存在下滑趋 势，三个滑动体为长约5 5 6 5 m 、宽约3 5 1 2 0 m 、厚约3 1 8 m 。由于其他因素影响，三
4、个滑动 体很有可能已经被沟通，形成一个连续的长约5 5 7 5 m 、宽约1 3 5 2 6 0 m 、厚约3 1 8 m 的大 型复合或叠加滑坡体。 隧道大部分穿越强风化钙质胶结千枚岩地层，只有大约1 5 在比较稳定、裂隙发育、地下 水丰富的弱风化地层中。该强风化钙质胶结千枚岩非常特殊，千枚岩粒径只有5 l O m m 。在 没有干扰的情况下围岩还相对稳定，当围岩一旦受到扰动，如钻孔、放炮、遇水等干扰，即出现 塌落。特别是遇到水流的情况下，强风化千枚岩的钙质胶结物即松软坍塌、胶结物被水流冲 走、千枚岩粒失去胶结，即变为松散的砂砾。 1 3 水文情况 隧道出口位置处于古河床，底部隔水性较好，地
5、表水和地下水比较丰富，古河床表面沟壑 2 5 7 内流水常年不断，局部冲刷成宽度不大、但很深的小型峡谷。 在隧道工作面上，从开挖过程可以看出，工作面涌水现象经常不断，严重时形成水流。特 别是强风化钙质胶结千枚岩的钙质胶结物的毛细现象尤为明显，属高液限钙质胶结物，一旦受 到扰动，围岩即出现钙质胶结物中潜在含水析出，并形成流态状，将胶结物泡软随水流带走，给 安全施工带来很多困难。 1 4 区域气象 该地区受暖湿气流和山区气候影响，一年四季均有降雨，比较集中在春秋两季。春夏之交 和深秋季节，急风暴雨气候特征比较明显，集中降水量大。年平均降水量8 5 0 I l O O m m 左 右，个别时候降暴雨
6、，一次降雨高达2 0 0 r a m 以上。降暴雨时，多数降水沿地表沟溪流走。 该地区常年平均气温2 6 左右，冬季最低气温为零上5 左右。 2 初期施工情况 2 1 设计、施工情况 2 1 1隧道进口技术措施 在软弱地层中开挖隧道，隧道开口处一般采取超前长管棚，进行超前预注浆技术。该隧道 进出口段由于地质情况的不稳定性，最初设计也为超前长管棚法施工，管棚间距为l m ，长度为 2 5 m ，每个进口布置2 8 根管棚。 基本施工顺序为：刷坡一明硐段开挖一隧道口边坡、仰坡加固一开口处锁口施工一超前长 管棚施工一超前预注浆施工一开挖隧道上半部一支设钢拱架一挂网喷浆一系统锚杆施工一开 挖墙部一墙部
7、支撑一挂网喷浆一仰拱施工一台车模板二次衬砌混凝土。 2 1 2 控制滑坡体技术措施 隧道出口的古河道滑坡体下端正好处在沟口处，在滑坡体厚度1 0 1 5 m 位置，沿隧道右 线出口右侧公路路基下方做一排间距为8 m 、直径为1 5 m 、共1 2 个钢筋混凝土抗滑桩，抗滑桩 直径为1 5 m 的圆形断面，长度为1 5 2 0 m 。 2 1 3 稳定隧道出口上方边坡措施 两个隧道出口上方的仰坡及右线出口右侧上方边坡的加固，采用长度为5 m 的普通边坡 砂浆锚杆，未做深层处理，表面喷射2 0 c m 厚的混凝土，位于边、仰上方做排水天沟。 2 2 受不良地质影响 2 2 1 隧道开挖施工 在隧道
8、开挖过程中，右线进口施工3 5 m 、左线进口施工1 5 m 时均遇到强风化钙质胶结千 枚岩地层，在该地层中开挖隧道，遇到的困难很多。首先，采取常规放炮法施工，钻不成炮孔， 最多钻进几十厘米，还经常塌孔，装不进炸药；其次，采取人工挖掘，一镐下去只能刨下一点来， 风镐操作，动作不了几下，即将风镐卡住，打不进去，拿不出来，工人体力消耗很大；动用大型挖 掘设备，由于采取分部开挖，空间有限，大型设备施展不开；在系统锚杆孑L 施工时，用风钻钻孔 深度不超过2 m 即出现塌孔、卡钻现象；用人力强行打进钢钉前支撑，施工难度更大，施工进度 徘徊不前。先后试用了几种材料和手段，效果都不很明显，很难达到预期效果。
9、 2 2 2隧道出口上方仰坡、边坡施工 两个隧道出口上方的仰坡及右线出口右侧上方边坡的普通边坡砂浆锚杆施工过程中，由 于表面覆盖物为松软破碎的第四纪沉积物，大量降水已使该沉积物含水量达到极限，出现锚杆 孔打不进去，打进去又发生塌孔情况，导致注浆时出现孔内跑浆和注不满浆的情况。 2 3 隧道内塌方 2 5 8 2 3 1隧道塌方 左线进口施工至4 5 6 5 m 范围内时，隧道连续出现数次塌方。第一次塌方体积和范围不 大，体积约2 0 0 m 3 ，高度约4 m ，沿轴线长度约5 m 。第二次塌方体积和范围稍大些，体积约 3 5 0 m 3 ，高度约5 m ，沿轴线长度约7 m 。第三次塌方体积
10、和范围更大些，体积约6 0 0 m 3 ，高度约 7 m ，沿轴线长度约l O m ，中间还穿插出现几次规模较小的塌方。当时针对上述三次较大规模 的塌方，采取措施为先用混凝土碹拱浇筑护顶，强行通过，而后采取壁后充填与固结灌浆方法 相结合加固围岩。通过抢险施工的实践过程看，其效果很不理想，最后也没有彻底根治塌方事 故隐患，塌方情况还经常出现。最后决定停止开挖，将工作面喷2 0 c m 混凝土，等待寻求新的 技术和措施。右线进口也出现了数次较小规模的塌方。 2 3 2 右线隧道出I ：右侧边坡塌方 在隧道出现数次塌方等待寻求新的技术和措施过程中，连续下了几天雨，使正在施工的右 线隧道出口右侧上方边
11、坡出现了大规模塌方，塌方体体积约2 1 0 0 m 3 ，厚度约4 1 3 m ，沿下滑 轴线长度约9 5 m ，宽度约8 4 5 m 。致使已处理2 3 的右线隧道出口右侧上方边坡的排水天 沟、普通边坡砂浆锚杆、表面喷射2 0 c m 厚的混凝土全部滑落破坏，并导致原排水天沟上方1 5 4 5 m 范围内的原始地表随着下滑，超过了原设计治理的范围。 通过现场分析，主要原因如下：由于连续降雨，地表水下渗，使本来就为高液限的地层含水 量进一步增加，边坡体内含水量很大，其边坡体表面或浅表部的介质几乎达到流动状态；开挖 施工时，人为破坏了本来就很弱的原始应力拱；边坡表面处理时，排水天沟隔水性不好，雨
12、水下 渗，表面覆盖层含水增加，与喷射混凝土层分离；大部分边坡砂浆锚杆没打到位，注浆时孔内水 泥浆液欠饱满。 3 采用自钻式锚杆新技术 3 1 采用自钻式预应力锚杆新技术的基本原则 a 在强风化钙质胶结千枚岩地层中开挖隧道，首先要考虑围岩的稳定性，严禁放大炮开 挖，以防对软弱地层的深层产生松动破坏和避免给已达极限平衡的围岩带来大的扰动，唤醒已 达流动状态的强风化钙质胶结千枚岩地层引起新的塌方。 b 所有措施都应考虑以主动防护为主，尽量减少被动防护措施。即封、堵、拉为原则，尽 量少采取松、放、顶的被动方案，避免由于开挖扰动带来较大的应力失衡，给软弱围岩增加不必 要的集中应力。 C 要以很强的技术保
13、障和足够的安全储备来应付隧道进口侧向里1 5 0 m 范围内，由于已 失衡的破碎围岩给隧道带来的各个方向的弯、剪、纽的组合力量。 d 施工期间应尽量避开雨季、融冬期和减少施工用水及防止意外水患，对工作面积水要保 持通畅排放。 e 采用高压风排渣，只要风路是通的，就能将水泥浆液注进锚杆孔中去。 f 边坡处理时，也采取以上方法，但应视为滑动体对待。 3 2 自钻式锚杆系统试钻情况 样品到达工地后，首先对自钻式锚杆技术和系统进行现场技术鉴定和现场试钻，以获取基 本参数和观察综合效果。 试钻时，选定一个容易开挖的工作面，用该系统特有的前后混合排渣方式的一字型、人字 型、十字合金钢钻头及珠齿型全钢钻头和
14、多功能钎具，并采取高压风排渣技术，利用3 0 型边坡 锚杆钻机进行钻设安装自钻式锚杆系统，1 6 m 长的自钻式锚杆在强风化钙质胶结千枚岩地层 2 5 9 中只用了不到1 5 0 m i n ，钻进效果很好。 注浆时采用普通水泥浆，加3 的水玻璃，水灰比为0 4 5 左右，利用设定压力为3 M P a 的 二缸注浆泵进行注浆施工，注浆压力最大达到1 5 M P a 左右，一个自钻式锚杆孔内共注进水泥 浆液约2 8 0 L 左右。 开挖后发现，水泥浆液由于高压作用已将非常松散的强风化钙质胶结千枚岩地层的缝隙 中全部充满水泥浆液，在杆体周围形成一直径约1 5 0 m m 的水泥不规则桩体，水泥浆液
15、在水泥 桩体周围形成树根状放射体，纵横交错，注浆效果非常明显，可以达到固结围岩的目的。 3 3 隧道体开挖的技术措施 在已开挖塌方的隧道内，首先用直径2 8 3 0 m m 、长度6 8 m 的自钻式超前锚杆沿设计 开线外侧l O c m 处，对工作面进行超前固结注浆。第一循环布两圈超前固结注浆自钻式锚杆， 圈间距3 0 - - 一4 0 c m ，孔间距4 0 5 0 c m ，角度向外侧倾5 。1 5 。，注浆压力2 O M P a ，每支锚杆注浆 量不得低于9 0 L ，每5 m 一个循环，从第二循环开始，根据需要进行单圈或双圈超前固结注浆 施工。基本形成厚约1 o 1 5 m 的已由水
16、泥浆液胶结的千枚岩保护外壳。 钻孔时采用该系统特有的前后混合排渣方式的一字型、人字型、十字合金钢钻头及珠齿型 全钢钻头和多功能钎具，并采取高压风排渣技术，利用普通风钻进行钻设安装自钻式锚杆系 统，只要风路是通的，证明钻头和锚杆周围没有堵死，就可以把水泥浆液注进去。 开挖时，循环段距不得大于l m ，要先开挖出高1 5 1 8 m ，深约l m 的弧形槽。开挖后， 立即架设钢拱支架并固定，加挂双层拳1 2 m m 2 0 0 2 0 0 m m 的钢筋网，然后喷射厚度为1 0 1 5 c m 的C 2 0 混凝土。 周边打入直径2 8 3 0 m m 长度5 6 m 的系统锚杆，间排距为1 0 1 O m ，并在拱脚及墙 脚处各向下斜向夹角4 5 。方向增加2 支锁脚锚杆，钻进参数和排渣方法同上。 系统锚杆注浆时，注浆压力控制到1 5 M P a ，每支锚杆注浆量不得低于7 0 L ，然后用托板、 螺帽锁紧，每支锚杆施加1
