中铁二局第五工程有限公司
摘 要：近几年，随着全国高速公路建设的快速发展，隧道工程已经成为高速公路建设中的关键环节。隧道工程普遍存在着地下水丰富、围岩破碎、节理发育、变形比较大等现象，如何保证顺利的施工成为制约隧道工程的关键，本文以云南省昆明绕城高速东南段高速公路澄江隧道为实例，对存在富水、软弱、大变形岩层的隧道施工技术进行浅析，为类似工程提供可借鉴施工经验。
关键词：富水；软弱围岩；大变形；隧道施工
1.项目概况
1.1设计概况
澄江隧道设计为双洞三车道分离式，隧道设计断面方约160m3，隧道最大埋深约150m，设计速度为80km/h，隧道围岩以IV、V级为主，隧道建筑限界净空14m（宽）×5m(高)，隧道进、出口均与路基相连。隧道左幅起止里程K92+310～K94+030，全长1845m，其中Ⅳ3级围岩1033m，Ⅴ2级围岩552m(进口明洞长20m，出口明洞长30m)；隧道右幅K92+185～K94+030，全长1720m，其中Ⅳ3级围岩1020m，Ⅴ2级围岩440m(进口明洞长10m，出口明洞长40m)。明洞采用钢筋混凝土整体式衬砌结构、二次衬砌采用复合式衬砌。
该隧道富水软弱及大变形段均为Ⅴ级围岩，设计采用三台阶七步法开挖，衬砌类型为SF5a，具体支护参数为：超前支护采用单层Φ42mm注浆小导管，长度450cm，五榀一循环，环向间距40cm，纵向搭接长度150cm，系统锚杆为Φ25中空注浆锚杆L＝350cm，间距100×60cm梅花形布置，C25喷射混凝土厚29cm，Φ8双层钢筋网15×15cm，Ⅰ22b钢拱架，间距60cm，预留变形量15cm，锁脚采用Φ42mm注浆小导管长度450cm，防排水采用400g/m2土工布及PVC防水板，二次衬砌采用C35防水钢筋混凝土衬砌厚60cm。
1.2水文及地质
隧道围岩以IV、V级为主，主要由褐灰、褐黄色硬塑状粉质粘土，砂岩夹泥质粉砂岩，局部夹泥岩等组成，岩石破碎，节理裂隙发育，地下水较为丰富，隧道区上覆第四系残坡积层粘土，基岩为二叠系栖霞组中厚厚层状灰岩。隧道区域地形切割强烈，地面坡度较陡，地表水发育，地表水主要分布于进出口谷沟的流水，为季节性流水。该地区雨量充沛，年平均降水量为800mm～980mm。地下水类型为基岩岩溶裂隙水，富水性中等～强，埋深较浅。隧道地下水分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种类型，通过地质调查及钻孔资料表明，进出口端地层破碎，松散岩类孔隙水和基岩裂隙水发育。
图1 澄江隧道富水软弱围岩
2.工程特点及施工技术重难点
2.1工程特点
澄江隧道主要工程特点为：“地质差、易坍塌、变形大”。
（1）地质差
澄江隧道主要地层为第四系残坡积层（Qel+dl）及震旦系下统澄江组（Zac），地层年代久远，围岩主要由砂岩夹泥质粉砂岩，局部夹泥岩等组成，属软岩，薄层至碎裂状结构，多以全风化为主，地下水较为丰富，受强烈地质构造作用影响，岩石极破碎，节理裂隙极发育，多被全风化砂、泥质物填充胶结。
（2）易坍塌
由于岩石极破碎，节理裂隙极发育，多被全风化砂、泥质物填充胶结，且受地下水影响，层间结合力差，施工过程中极易发生拱顶掉块或坍塌。
（3）变形大
由于受丰富的地下水影响，泥岩遇水软化严重，砂岩遇水含水率增加，层间填充物易被水带走，易导致拱顶压力增加、拱脚软化，从而造成隧道沉降变形过大。
2.2工程施工技术重难点
施工过程中采取针对性的施工措施，安全、科学的通过洞内富水、软弱围岩段，防止隧道坍塌及沉降过大，确保施工生产安全、快速进行，是本隧道施工的重难点。
3.主要施工技术对策
3.1动态设计与信息化施工
隧道施工主要以动态设计与信息化施工为指导思想，施工时必须严格执行超前地质预报和围岩的监控量测程序，通过超前地质预报和监控量测信息指导设计与施工。动态设计与施工是建立在超前地质预测预报技术和监控量测技术之上的，通过“四方”会商确认设计方案和施工方案。
3.1.1超前地质预报
澄江隧道主要采用地质素描法及地质雷达法进行超前地质预报，根据超前地质预报结果，进行动态设计、动态施工，及时优化调整设计方案，加强施工措施，保证隧道施工安全。检测人员要及时将检测结果及建议上报项目总工程师。如发现有异常，及时分析原因，制定相关施工方案并报上级单位审批后方可实施。
图2 地质雷达法测线布置示意图
3.1.2监控量测技术
施工监控量测贯穿隧道施工的全过程，通过各种有效的技术手段，取得可靠的监测变形数据，判断隧道工程施工的初期支护安全状态，进行设计参数修正，并为二次衬砌支护合理时间的确定提供依据，预测险情及时调整支护参数，保证施工安全，并充分有效控制建设成本。
澄江隧道的施工监控量测采用信息化管理，管理系统由隧道施工监测信息管理平台（TGMIS）和《隧道施工监测信息化管理办法》组成。隧道施工监测信息管理平台（TGMIS）由中铁西南科学研究院有限公司联合建设单位研发。澄江隧道富水软弱围岩大变形采取的必测项目有：地质及支护状态观察、周边位移、拱顶下沉、洞口浅埋段地表下沉四个必测项目。此外，在施工过程中针对特殊地质段落增加了钢架内力及外力、锚杆轴力、支护和衬砌内应力、渗水压力和水流量等六项检测内容。
针对隧道洞口段、破碎带段、Ⅴ级围岩段等可能发生的大变形，应采取相应的工程措施如下：
（1）加强与超前地质预报信息互通，密切关注岩层的产状及地下水的分布情况，分析对隧道稳定性的影响，注意掌子面的及时封闭和水对岩层的软化作用，有效遏制大变形的发生。
（2）监控量测工作要施工必测与选测相结合，加密监测断面，加大监测频率，采集数据后及时分析处理，以及时了解围岩的变化情况，建立分级预警体系，发现异常及时预警、反馈，以便采取有效的加固措施或修正支护参数，实现新奥法设计与施工的动态管理。
（3）适当增加预留变形量，超前支护应及时施作，合理选择施工方案。
（4）穿越可能会引起大变形的围岩区段或偏压区段时，适当加密布置必测项目，以及时了解围岩的变形情况，并合理预留变形量。
因隧道地质的不确定性，隧道施工过程中应据超前地质预测预报结果，采用动态设计、动态施工的原则，及时优化调整设计方案，加强施工措施，保证隧道施工安全。澄江隧道整个施工过程中Ⅳ级围岩变更为Ⅴ级围岩915、Ⅲ级围岩变更为Ⅳ级围岩285m，通过动态设计和信息化施工，加强了隧道支护，保证了隧道施工安全。
图3 信息化监控量测数据处理示意图
3.2制定可靠的施工技术方案
3.2.1开挖工法
（1）澄江隧道富水软弱围岩大变形段采用三台阶七步开挖法施工，人工风镐配合长臂挖掘机开挖，侧翻式装载机装碴，自卸汽车运输。必要时采用微振动爆破，YT28风钻钻眼，非电毫秒雷管起爆，每循环进尺不超过1榀，弧形导坑沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环。
（2）洞身开挖及支护施工步骤：
开挖前施作超前支护，土质围岩条件下的施工顺序：上部弧形导坑开挖（1），左、右侧中台阶开挖（2、3），左右侧下台阶开挖（4、5），上、中、下台阶核心土开挖（6-1、6-2、6-3），隧底开挖（7），数字代表部位，见附图。开挖中各台阶长度、循环进尺、左右台阶错开长度、上下台阶高度严格控制。初期支护喷射混凝土强度达到设计强度70%以上时施作下一部分开挖。
图4 三台阶七步法施工示意图
3.2.2超前小导管施工
该隧道洞身超前支护采用直径F42mm小导管，管长4.5m，环向间距40cm，外插角5°～15°。Ⅴ级围岩超前小导管每隔五榀钢架打设一环。小导管钢管前端呈尖锥状，尾部焊上φ6mm的加劲箍，管壁四周钻6～8mm压浆孔，但尾部有1m不设压浆孔。成孔后将小导管按设计要求插入孔中，或用凿岩机直接将小导管从型钢钢架上部打入，外露20cm支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。每打完一排钢管后开始注浆，注浆采用1：1水泥浆，注浆后开挖拱部及第一次喷射砼、架设钢架。
3.2.3钢拱架施工
钢拱架采用I22型工字钢分节预先加工，现场拼装时应垂直隧道中线，拱架之间用φ20纵向连接钢筋焊接牢固，钢架安装在掌子面开挖初喷完成后立即进行。安装钢架前要对拱脚支垫填实，钢架连接板应密贴。同时每榀钢架拱脚处必须打设锁脚锚杆将其锁定。
为保证钢架置于稳固地基上，施工中在钢架基脚部位预留0.15m～0.2m的原地基，架立钢架时挖槽就位，需要时可在钢架基脚处设置刚性垫板，以增加其承载力；钢架安设好后立即施喷混凝土，并将其全部覆盖，使钢架与喷混凝土共同受力。
3.2.4喷射混凝土施工
喷射混凝土采用湿喷工艺，施工配合比根据试验数据进行调整。爆破后立即进行初喷，尽快封闭岩面，有效控制围岩松动变形。施喷时，喷头与受喷面基本垂直，距离保持在1m左右。喷射完成后应检查喷射混凝土与岩面粘接情况，可用锤敲击检查。当有空鼓、脱壳时，应及时凿除，冲洗干净进行重喷，或采用压浆法充填。喷射混凝土分层进行，每层厚度5～10cm左右，先从拱（墙）脚处向上喷射，以防止上部喷射混凝土虚掩拱（墙）脚，造成拱（墙）脚喷射不密实，强度不够而失稳。
3.2.5防排水施工
纵向贯通排水管安装应按设计划线，以使排水管位置准确合理，划线时注意排水管尽可能走基面的低凹处和有出水点的地方。集中出水点沿水源方向钻孔，然后将单根集中引水管插入其中，并用速凝砂浆将周围封堵，以使地下水从管中集中引出。排水管接头按照设计要求采用土工布包裹，防止混凝土或杂物进入堵塞管道。防水板之间的搭接缝应采用双焊缝、调温、调速热楔式功能的自动爬行式热合机热熔焊接，细部处理或修补采用手持焊枪，焊接严密，不得焊焦焊穿。
3.2.6仰拱及二衬施工
仰拱开挖时严格控制开挖进尺及开挖标高，避免超欠挖，保证无虚渣表面平整，最后进行初喷混凝土。衬砌仰拱钢筋绑扎在初支完毕后进行。环向主筋采用单面焊接方式连接，相邻两根长短交错布置。仰拱钢架与上部拱墙钢架及时封闭成环，与围岩共同形成“承载拱效应”，以减缓围岩变形速率，控制围岩挤压变形。
衬砌钢筋骨架分段焊接，采用高强度砂浆垫块作为钢筋的保护层。泵送混凝土分层、左右交替对称浇注，人工配合附着式振捣器进行捣固。拆模时先拆两侧模板，最后拆顶模，保证混凝土表面和棱角不被损坏并能承受自重。支撑按先后顺序放松，防止由于支撑丝杆放松不当使台车模板扭曲，造成混凝土表面粘连擦伤。
4.富水软弱大变形围岩施工问题及处理措施
4.1沉降处理措施
（1）做好隧道施工关键工序质量卡控，施工过程中严格做到以下要点：拱脚垫实不泡水；锚杆锁脚、钢架螺栓连接施作到位；加快工序循环时间，及时支护并封闭成环；仰拱紧跟掌子面。
图5 钢拱架钢板连接紧密
（2）施工过程中若上台阶脚部围岩承载力不足时，上半断面的支护会发生下沉，此时可在支护的脚部靠近净空侧施工脚部混凝土扩大其支撑面积，在纵向形成一个连续的梁，能够抑制围岩的破坏和变形。
（3）施工过程中若中台阶围岩较软，围岩承载力不足时，可在中台阶拱脚施做大拱脚或纵向轨枕扩大钢架受力面积能得到有效控制沉降变形。大拱脚施工效率高，但是在脚部围岩不稳定的场合，设计时要注意不要让脚部围岩松弛。
图7 加设临时护拱
4.2掌子面溜坍处理措施
（1）首先应严格根据超前地质预报及现场围岩情况，每班确定掌子面开挖进尺；超前支护施作到位；喷射混凝背后严禁存在空洞；加快工序循环时间，及时支护并封闭成环；仰拱紧跟掌子面。
（2）施工过程中若掌子面围岩节理裂隙发育、稳定性较差时，可采取初喷2～4cm喷射混凝土进行封闭围岩，能有效防止围岩掉块，甚至溜坍。
（3）施工过程中掌子面若出现拱顶掉块严重且喷射混凝土无效时，为避免掉块继续发展甚至产生坍塌，应及时采用碴土回填封闭掌子面，同时预留管道，并采用泵送C25混凝土或水泥砂浆进行回填空腔后再重新开挖掘进。
（4）施工过程中若掌子面出现突发涌水导致初期支护失稳造成坍塌时，应及时采用碴土进行回填，并通知四方代表查看现场确定处理方案。掌子面坍塌一般处理措施及施工步骤：
①采用碴土反压回填掌子面，形成施工作业面并采用喷射混凝土进行封闭。
②掌子面增设护拱，必要时应同时增设竖向中支撑。
③对初支影响段，一般为掌子面往后5～10m拱顶初期支护120°范围采用径向小导管注浆加固。
④溜坍体掌子面开挖，超前支护采用双层小导管注浆（初支面渗水情况下，为防止水对围岩的扰动和破坏，可调整为双液浆），注浆效果的好坏将直接影响开挖。
⑤掌子面开挖4～5m后，由检测单位进行超前地质预报探测拱顶塌腔，若存在空腔且在拱顶5m范围内，须采用C25混凝土泵送回填。
⑥仰拱、二衬尽可能紧跟掌子面。
⑦加强现场监控量测，指导施工。
图8 掌子面坍塌后反压回填和注浆加固
4.3常规问题处理措施
对于富水软弱围岩隧道施工中出现的常规问题及处理措施列于下表，其中措施A指比较简单的处理措施，措施B指需要进行较大的支护参数变更才能解决问题的措施。
5.其它施工控制重点
（1）监控量测数据必须从施工初期就开始布置，而且必须贯穿于整个施工过程，坚持用数据指导施工。监控数据一旦出现异常，必须立刻停止掘进，如果是沉降数据超标就立刻施工临时仰拱，如果是收敛数据超标就立刻施工临时护拱，绝对不能冒险掘进。隧道一定要尽快成环和施工仰拱，以保证安全。
（2）超前导管及系统锚杆注浆的质量，是关系到围岩是否得到改良的关键，施工时应确保注浆密实，必要时应掺加水泥重量的2%～3%的速凝剂，使孔内注浆液尽快凝固，以防止浆液流失。安排专人进行全程旁站，并且做好注浆记录。
（3）及时构筑二次衬砌，软弱围岩大变形段隧道衬砌施工中如果等支护稳定后再施工二次衬砌，则变形不易控制，容易造成坍方，应该适当提前施作二衬。
结束语
澄江隧道于2014年10月份动工，2016年中旬顺利贯通，通过对该隧道富水软弱围岩大变形段的施工实践，严格遵循“短进尺、强支护、快封闭、勤量测、二次衬砌紧跟”的施工原则，能够有效的控制隧道的变形，保持围岩的稳定性。监控量测数据显示，该隧道富水软弱围岩大变形段施工中最大沉降114mm，最大收敛74mm，项目通过超前地质预报及监控量测技术的应用，采用动态设计、动态施工的原则，以超前支护施作、开挖工法、拱架施工、喷射混凝土施工、仰拱施工、二衬施工及防排水施工等各道施工工序的技术方案和质量控制为抓手，不仅加快了施工进度，也有效的保证了施工质量，为以后类似工程提供了一定的借鉴。
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及施工模拟可以避免设计或施工中的可能出现的一些错误，起到对整个工程的预演作用，降低整个工程的成本。
3，有助于使用方的后期管理
IDC机房的建设方在运营后需花费更多的精力对整个建筑及内部进行运营维护管理，后期管理是工程的重要组成部分。由于BIM的信息能随时更新，运营方可通过相关信息模型对整个建筑进行整体而细致的了解，而且不同专业的维护人员也能够从中获取所需要的相关信息，对维护或扩容改造给予了很大的保障。以此同时避免建筑、电气、无线、传输等各专业间信息的分散，根据需要提供不同信息，有助于使用方的后期管理。
4，有助于信息资产管理：
通过BIM技术，能够对信息资产的管理提高帮助，快速对IDC机房的维修、重建或改造等对整体工程的影响进行相应的评估，提高相关决策的效率。
六、结束语
综上所述，BIM技术应用在IDC机房施工中不仅能够发挥以往的优势，解决其施工遇到的困难，更能促进IDC的发展。随着BIM技术的不断发展，将推动现有施工管理的创新，提供一种全新的施工管理方法。
参考文献
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论文作者:陆俊伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年1月
论文发表时间:2017/4/14
标签：围岩论文; 隧道论文; 钢架论文; 澄江论文; 超前论文; 地质论文; 混凝土论文; 《建筑学研究前沿》2017年1月论文;