九景高速公路隧道工程的质量监控

九景高速公路隧道工程的质量监控周鑫元，李世京（江西省交通厅，南昌市，330008；江西省地勘局，南昌市，330002）摘要本文系统介绍了九景高速公路隧道工程质量监控的经验，重点提出了复杂地质条件下确保隧道工程初期支护和二次衬砌质量的措施。关键词公路隧道；工程监理；质量控制1、工程概况九江——景德镇高速公路，是亚洲开发银行贷款的“九五”期间国家和江西省重点工程，公路全长133.64km。其中有平行双洞单向隧道三座（雁列山1#、2#隧道和鸡冲岭隧道），单洞净宽10.25m，净高7.425m，最大开挖断面104.85m2，三座隧道单洞总长3771.2延米。2、针对复杂地质条件突出抓好初期支护九景公路隧道属低山——冲沟型地貌，山体组合受大地构造影响，呈雁列状排列，地形起伏，山坡陡峭，隧道多在浅埋、偏压条件下，旁依冲沟进出。各隧道洞口段，都有10多米不等的第四系残坡积亚粘土和碎石土，结构松散，迂水分散，无自承能力，这是地质条件带来的一大施工困难。洞身岩层极度破碎，是影响更大的难题。除鸡冲岭隧道微风化板岩比较完整外，雁列山隧道可说是个“烂洞子”。围岩主要为泥盆系五通组和志留系纱帽组，前者为中薄层状石英砂岩与薄层状页岩、泥质粉砂岩互层；后者为泥质粉砂岩夹页岩或砂岩。由于地处赣江断裂带中，经历了长期的构造变动，多期次构造相互影响叠加，密布的节理裂隙与层理面交错，致使围岩多呈碎裂状结构。钻探勘察提供的RQD测定值一般为20-24，相对完整一点的石类砂岩RQD值也只有30左右。交通部规范围岩分类Ⅱ、Ⅲ类围岩的RQD值分别为25-50、50-70。也就是说以围岩RQD值判别，雁列山隧道的围岩多属Ⅱ类。这在实际工作中得到充分印证，隧道钻爆出来的石碴块度极少超过0.3m。地下工程施工岩体完整度是比其它任何指标都更为重要的一项，RQD值越低，围岩稳定性越差，受外力挠动极易失稳坍塌。在复杂地质条件下，隧道监理工作无论是质量监控，还是成本、工期控制，关键都聚焦于支护稳定和塌方预防这个重点上。1）因地制宜确定掘进与支护型式针对隧道埋深浅、偏压明显与复杂的围岩状况，施工准备阶段即排除了全断面掘进方法。根据“新奥法”原理，确定以正台阶法施工，上下台阶按长台阶间距分期推进。通过短期摸索，完善了不同围岩的掘进与支护方法，在全线推广。Ⅱ类围岩：上台阶采用上弧导坑环形开挖，预留核心土，下台阶左右侧错开推进（图1台阶分部法）。上台阶掘进之前，先在拱部施打φ40mm，长3.5m的小导管，加注水泥水玻璃浆液作预支护，形成龟壳形保护层。在超前支护达到预期强度后，拱部采取环形开挖，预留核心土支挡，每个循环进尺，严格按一榀钢拱架0.8m的间距控制，对洞口浅埋、偏压地段，局部加密钢拱架支护，循环进尺缩小为0.5m。这样“预注浆、短循环、早封闭、强支护”的综合措施，适应九景公路隧道各类复杂的地质条件。雁列山1号隧道左线西洞口，在偏压、淋水的残坡积土层中进洞，原本设计用侧壁导坑法掘进，因担心工序过多，围岩多次扰动，更不利于围岩稳定，迟迟未能进洞。后确定改用正台阶环形开挖，并强化掌子面双液注浆固化堵水措施，取得了很好的效果。Ⅲ类围岩：采用上、下台阶分期掘进与支护（图1台阶法），掘进前上台阶拱部施打超前锚杆，开挖循环按设计控制在1.0-1.2m之间，初期支护设计只有三分之一的部位加了钢拱架，考虑围岩十分破碎，几乎全部Ⅲ类围岩都用上了钢拱架。8 Ⅳ类围岩：只在鸡冲岭隧道见到，虽围岩稳定性较好，仍未实施全断面掘进，以备一旦发生地质突变，便于采取应变对策。不同围岩的掘进与支护设计参数详见表1。2）及时掌握地质变化信息，准确修正支护要求8 隧道的勘察设计很难把全面的地质情况都弄清楚，所以监理部门特别关注施工过程中地质情况的变化。雁列山1、2号隧道施工图设计所提供的资料，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩占总工程量的比例，分别为表1实际在施工过程中经四方现场确认的围岩类别，Ⅱ、Ⅲ类分别为37.85%和62.15%，Ⅳ类围岩基本不存在，变化幅度非常大。正因为对围岩类别和支护要求进行了及时和准确地修正，使整个隧道的初期支护基本符合了复杂多变的地质情况。为避免围岩突变来不及随即办理变更可能带来的问题，特授权驻地监理工程师，有权酌情应急调整超前锚杆数量与初期支护参数，提高了应变能力。同时，监理部门还强调承包人按规范设立监控量测点，系统观测围岩位移变化动态，并将监控量测资料列为计量支付的必备文件。3）抓好进洞、出洞的前期准备工作隧道施工进洞、出洞是工况最复杂的地段，也是质量、安全隐患最多的地方。监理部门本着“争时间不盲目进洞，抡工期准备工作不草率”的原则，不轻易批准开工申报。首要的是抓好洞口仰坡与边坡的截排水工作和坡面防护工作，避免水流冲刷、渗漏，导致坡面失稳，危及洞口安全。洞口位置的选定对施工顺利与否关系重大。鉴于雁列山隧道的线路走向受湖口大桥桥址的控制，洞口位置调整主要是在洞口桩号上作选择。为维护原山体的稳定，多处洞口采取了早进洞或加接套拱引进的措施，避免山体坡面清方大开挖。正反两方面的实践都证明，在复杂地质条件下“早进晚出”的措施是必要的。对大的断层破碎带作地表预注浆加固处理。雁列山1号隧道西洞口正处于F1断层破碎带上，对隧道纵向长度影响达17米，为固化破碎带，进洞前施行了地表钻孔注浆处理。在左右线隧道横向80米，纵向40米范围内，按2×2m的间距钻注浆孔800个，深度直达破碎带以下5米，共压注水泥浆液4600m3，加固面积3200m2。经注浆加固后，破碎带稳定性有所改善，掘进顺利穿过，监控量测二个断面，拱顶最大下沉量分别为24mm和21mm，最大水平收敛分别为16mm和14mm，在28天内基本达到稳定。4）从严控制喷锚支护质量隧道初期支护由锚杆、钢筋网、钢拱架、喷射混凝土等四个部分组成。它是隧道的永久性主要受力结构，而不是二衬前的临时支护，所以质量上绝不容许有任何侥幸心理和短期行动。鉴于喷锚支护的力学原理是以支护体系与围岩共同受力为基础的，其质量监控不仅要保证支护体施工能满足设计数量、强度及几何尺寸的要求，还要严密关注喷锚支护的及时性、密贴性、粘结性等特性要求。为此采取了几项关键措施：围岩开挖后及时施作锚喷支护，以最大限度保护和利用围岩强度和自承能力。对于容易吸湿潮解，松动变形的风化岩石及土层则采取分次喷砼工艺。即在锚固之前先喷4cm薄层混凝土，以尽快封闭形成保护壳，待锚固、挂网、架立钢拱架后，再次喷砼封闭。尽管分次喷砼增加了工序，实施阻力不小，但经过努力在特殊软弱围岩中还是发挥了明显效益。实践说明，它的意义不仅在于围岩封闭的及时性，还对支护体与围岩的密贴性、粘结性都有很大好处，值得认真坚持。以喷射混凝土取代干码片石作超挖回填，确保初期支护与围岩密贴固结形成一体。曾一度在超挖地段大量发生依托钢拱架和钢筋网，干码石块，再在外表面喷射混凝土的错误作业方法，以致初期支护背里空虚。为了彻底杜绝这一现象，经四方工地会议商定，监理单位行文明确规定，超挖部分一律采用喷射混凝土回填密实。在允许范围内的超挖部分由此而增加的费用由业主补偿，超出部分则由承包人承担。这一规定的出台和相应严明的处罚条款，扭转了超挖干码片石有禁不止的现象，还促进了承包人优化钻爆参数，在减少超欠挖方面多做过细工作。8 提高锚杆安装质量。隧道初支系统锚杆设计采用全长砂浆粘结型非预应力锚杆。由于拱部上仰锚杆孔注浆困难，改用早强快硬水泥卷锚固，这一安装方法经抗拔试验，抗拔力能达到50KN以上，符合设计要求。考虑到充分发挥围岩锚固的悬吊、嵌固、连锁功能，还加强了锚孔施打角度，环向间距，锚头固结的检查。合理控制钢拱架安装的纵向间距。钢拱架架设的纵向间距对掘进循环进尺和材料费用有直接影响，曾成为现场争议较多的问题。设计图规定Ⅱ类围岩钢拱架间距是0.8m，Ⅲ类围岩间距是1m，同时设计图明确Ⅲ类围岩钢拱架使用数量按三分之一计列，也就是明确三分之二的地段不设钢拱架，只用“喷锚网”来支护。施工中承包人曾采取拉大钢拱架纵向间距的办法来控制用量，有时每榀钢拱架间距拉大到2m，并蔓延到Ⅱ类围岩也有拉大间距的问题发生。监理部门认真加以制止，通过专题讨论并经实地量测数据对比后确认，雁列山隧道地质复杂多变，很难具体划分那些段落可以不设钢拱架，且钢拱架安装后可立即承受围岩的松动荷载，是稳定期短暂的软弱围岩不可替代的支护手段，遂决定Ⅲ类围岩全部架设钢拱架，在破碎或有软弱结构面的围岩，架设间距严格按1m掌握，对完整度较好的Ⅲ类围岩，类比国内外有关工程资料，适当加大架设密度，但最大间距不允许超过1.5m。对前期架设钢拱架不规范的地段，检查后及时进行补强处理。5）重点监控下台阶开挖与支护雁列山隧道三次塌方事故，就有两次是发生在下台阶的开挖与支护过程中，教训十分深刻。各个断面的监控量测资料显示，下台阶开挖时，原上台阶开挖后围岩位移已趋于稳定的状况下，因钻爆扰动和拱脚虚脱而产生围岩应力重新分布，其变形量和位移速率瞬间陡增。这种趋势的发展如不能及时为支护结构所控制，则会因位移变形而形成围岩松动区。丧失自承能力的松动区岩体的重力、岩体膨胀压力、地下承压水等多种压力，一旦大于初期支护的支承能力，必然产生严重后果。因此监理部门将下台阶开挖与支护，作为监控的特别重点加大工作力度。除强调全面执行规范外，还对一些关键性措施，作出明确的量化规定：首先是下台阶开挖前对支护体系采取稳定措施。措施包括：普遍施打钢拱架锁脚锚杆，对于地质情况复杂，上台阶开挖时出现过坍塌现象的地段，钢拱架加设纵向连接托梁，使多榀拱架均衡受力。下台阶采取左右侧边墙错开开挖，间距应大于5m，禁止两侧边墙对开施工。如采用中槽开挖，需保证边邦岩体预留宽度不少于1m，岩质破碎时不少于1.5m。下台阶开挖同样抓好控制爆破，防止超挖和对围岩和拱脚过大扰动。边墙开挖循环长度严格限制为一榀钢拱架的距离，绝对禁止超长开挖和几榀钢拱架同时接腿。钢拱架接腿要求对正连紧，不留空隙，拱脚基础务必稳固牢靠，如果落底在松软地层中均采用混凝土拱脚基础。接腿完成后及时挂网喷砼，尽快完成下台阶初期支护。这些措施的落实也紧跟着相应的管理办法，包括加强旁站、巡视和定期安全质量检查。一经发现违规，果断及时处理，直至停工整顿。严明的要求、严格的管理取得了预期效果。3、兼顾内在质量与外观美过细抓好二次衬砌隧道混凝土二次衬砌，是隧道防水工程最重要的防线，是交付运营的长久安全保障，也是隧道外观美的直接体现。因此监理单位会同建设各方，坚持内在质量与外表美观并重的要求，做了大量过细的工作。1）在二衬前全面检查并及时处理初期支护的质量缺陷规定初期支护未经系统钻孔检查，不准进入二衬作业，坚持把前期可能存在的缺陷，及时处理在二衬之前，保护二衬结构完整、完好。雁列山隧道通过钻孔412个，检出有不密实现象73处，最大空穴0.69m，小到1cm的空隙也能判断清楚。空隙证实后共压注水泥浆液788.30m3，把支护缺陷消除在“二衬”之前。如果这项工作留待后期验收检查处理，不仅会破损二衬，压注水泥浆液还会沿防水层扩散，以致塞阻排水通道，引发新的渗漏。复查还发现了喷射混凝土表面不平整的问题，经对凹凸处的矢高与弦长之比超过1：6的地段系统补喷找平，使排水层铺装基面比较平顺，预防防水层在浇筑混凝土时，被挤压、张拉而破损。2）根据信息反馈修正二衬结构参数8 主要是对穿过断层破碎带的洞身、偏压显著的地段、曾发生过塌方的部位及其两端延伸的一定范围内，增大二衬强度。因模衬混凝土的厚度原已按不同围岩类别作了确定，增大二衬强度主要是通过配筋来实现，一般采用钢格栅形式安置，以利钢筋稳定定位，同时还有利于在狭窄空间对浇筑混凝土进行充分振捣。3）做好边墙地基承载力的观测与软基加固工作重点是洞口、明洞及断层破碎带部位，对于地基承载力不足的认真进行加固。雁列山I号隧道中部明洞长达30多米，恰好横穿V型沟谷，地基土质松散。虽然基岩埋深达5-6m，经采取稳妥的护壁措施，坚持把明洞基础座落到新鲜基岩上，保证了洞身结构坚实稳定。4）重视拱顶封顶工作在二衬浇筑混凝土时，由于混凝土泌水干缩，在初期支护与二次衬砌之间的拱部会出现大小不一的空隙，这种空隙是难以避免的。外国隧道专家建议，在二衬模板内垂直拱顶预埋注浆管，作注浆充填通道。经研究认为模板内垂直预埋注浆管很难定位，后改为穿过挡头板，在拱顶防水层内纵向贴置PVC管（图2），在二衬砼终凝后，实施补充注浆。实践证明，PVC管重量轻，拱顶贴置定位可靠，出浆孔很多，不易被堵塞，可以在纵向全长范围内均匀回填饱满。据雁列山2隧左线统计，每环混凝土模注后，分两次压浆充填，注浆量近1m3。5）完善防排水系统设计，以取得更好的防渗漏效果九景公路隧道设计了“防、截、堵、排”相结合，以排为主的较为完整的防排水系统。在二衬之前，结合实际情况，反复研究，又进行了局部修改完善。原设计环向及纵向透水管设置在初衬与围岩之间。现场分析认为，由于透水管与围岩直接接触，泥砂极易堵塞透水孔，初支喷射混凝土也会将透水管包裹，起不到透水作用，而反滤层的施工将破坏已施工好的初期支护喷射砼层。遂将环向与纵向透水管移至初期支护与二次衬砌之间，土工布之下，取代碎石反滤层。环向、纵向滤水管和横向铸铁泄水管均采用PVC三通管连接（图3），形成完整、通畅的排水系统。工作缝增设膨胀橡胶止水带。二衬每环模注混凝土6-12延米，每环模注混凝土之间的工作缝原设计没有作防渗特殊处理，是整个防排水体系的薄弱环节。工作缝不论采取打毛或企口接缝措施，因接缝处产生的应力及位移，都可能出现密封破坏的问题，一旦出现二次衬砌渗漏，处理会相当困难。经研究决定选用HPZ-A1型膨胀橡胶止水带，为二衬模注混凝土防渗漏增设了最重要的防线，雁列山隧道共用去橡胶止水带1.03万m。这些措施使洞身防渗漏效果十分理想，二次衬砌部位做到了滴水不漏。6）加强混凝土浇筑的质量把关8 隧道为保证混凝土浇筑质量，采用了液压模注台车和整体移动式模架，液压砼泵管道输送混凝土。由于二衬之前均完成了仰拱或混凝土铺底，基底平整，台车轨道基础稳固。这些为隧道二衬的几何尺寸控制、错台现象的预防和提高墙面平整度创造了有利条件。同时监理部门通过严格的混凝土浇筑前的隐蔽工程检验，浇筑过程中的旁站，保证了混凝土浇筑质量。4、坚持不留隐患抓好质量事故与工程缺陷的处理九景公路隧道施工总体上进展比较顺利，质量监控比较严密，然而由于内因与外因意外的叠加，在施工中也出现了事故和缺陷。对此监理部门本着实事求是的精神，积极主动地会同建设各方，调查现场，分析原因，研究对策，坚持工程质量不留隐患的原则，认真治好治了。1）隧道塌方事故的处理雁列山隧道发生大小塌方32起，其中塌方量在1000m3以上，造成洞身堵塞，塌穴通天的大塌方有3次。这3次都发生在雁列山隧道的断层破碎带或软弱结构面处，由于围岩自承能力差，稳定期极短，加之支护不及时或强度不够等因素，导致围岩失稳。上述三起塌方事故的位置、性状有所不同，采取了基本相同的“三先三后”处理方法。即：先洞外处理，防地表水顺塌穴渗入，后作洞内施工处理；先对塌体两端进行加固，锁定塌方范围，在安全有保障的前提下，后进行坍塌体开挖；塌体开挖之前先进行超前预支护和散体压浆固结，后作坍塌体挖掘，并严格控制缩短循环进尺，强化初期支护，确保施工安全。塌方后期处理，是在初期支护与二次衬砌完成并达到设计强度之后，对塌穴进行注浆回填，稳定四周围岩、地表陷坑，同时进行回填并开沟排水，确保长治久安。2）初期支护变形侵入二衬空间的处理雁列山1号隧道左线K20+446.6-468.8，临近明洞。由于地质松散，地下水淋滤，出现初期支护拱顶变位超量下沉，长达22m侵入二衬空间。经研究决定全面返工，恢复设计断面尺寸。处理之前，先将二次衬砌做到未变形侵入二衬的两侧邻近部位，作为掉顶处理的安全保障。然后逐段进行导管超前支护，加注水泥、水玻璃浆液，待松散围岩固结形成“龟壳”保护层后，逐榀拆除钢拱架，挖除过量围岩，重新进行初期支护。待处理长度累计达到一环模注混凝土模架长度后，及时完成二衬工作，以策安全稳步推进。8 鸡冲岭右线隧道在下断面开挖和初期支护完成后，东洞口段因洞顶回填土方在雨水作用下，沿洞身外侧与板岩层面间形成三角形沉降偏挤压力，致使洞口内第7榀至13榀钢拱架变形，喷射混凝土出现8cm宽的裂缝。初期支护总体向路线前进方向倾斜8cm，第1榀至22榀钢拱架左侧，从柱脚至拱顶向内收敛，严重侵入二衬和净空。为保证工程符合设计要求，必须全部拆除并重新进行初期支护。承包人提出了四种处理方案，其共同点是首先挖除隧道上方围岩与填土，对未变形的右侧支护体进行锚固保护，沿隧道拱顶中线拆换并重新进行左侧初期支护，其不安全因素是显而易见的。特别是右侧坡高山陡，清方之后将形成危险的临空面。经多次研究，最后确定采取长管棚方案。具体方法是：在隧道洞口外架立钻机，在拱顶中心向右45°开始，以环向间距0.3m，沿洞隧道半径6.7m轮廓线布设40个水平钻孔（图4）。左侧到拱墙部位为止，每个钻孔深为15m，成孔后下入φ89mm钢管，压注水泥浆液，固结松散围岩，提高管棚刚度，在长管棚保护下拆换变位的初期支护。钻孔施工采用了先进的气动潜孔锤技术，而没有使用常规的冲洗液，预防了泥浆对隧道背里及防水层的污染，注浆固结松散及裂隙发育的围岩效果也比较好。在长管棚的有效保护下，先后拆换钢拱架17榀，洞外围岩与回填土均未受到扰动，洞内也未出现拱部坍塌现象，处理纠偏工作安全顺利完成，效果良好。3）隧道渗漏水的治理隧道拱顶和边墙全面铺设了防排水层，工作缝加设了止水带，取得了满意的效果。但个别地点曾发现有湿渍现象，尤以未设仰拱的路面比较突出。产生湿渍的原因主要有三点：一是地下承压水引排不畅，势必从设防薄弱处渗出；二是防排水层局部破裂，成为承压水渗出通道；三是专为引排水设置的环向、纵向透水管被水泥浆液污染、堵塞，或者相互连接的三通脱落，水路联通不畅。洞内渗水的治理，不同部位分别采取了不同的方法：路面渗水的治理，本着引排为主的思路，保护路面不被破损，路基不受地下水侵蚀，选择在隧道边沟钻孔填砾，建立反渗通道。利用水沟底高程低于路面高程0.33m，把承压水由岩层裂隙直接引入排水沟排走。钻孔间距根据岩层产状选定为2m，左右边沟孔位错开施工，钻孔深3-4m，使围岩每一薄层都与钻孔反滤通道沟通。由于承压水压力得到充分释放，不仅彻底解决了路面渗水问题，同时对其它部位防渗也有积极效应。8 拱部渗漏以封闭破损防排水层的方法处理。在渗漏中心部位钻孔注浆，压注水泥——水玻璃速凝浆液，目的在局部封闭破损的防水层的同时，避免浆液大面积扩散而阻塞排水通道。洞身边墙渗漏一般出现在施工缝部位。采取从渗漏点以上0.5m左右顺施工缝开直槽通向排水边沟，在槽中嵌入排水道，将渗漏水引入边沟，嵌入排水道后涂抹五矾防水胶泥与防水砂浆，恢复原来外貌。明洞及洞门端墙渗漏治理：明洞在回填之前，必须认真铺设“二毡三油”。隧洞与端墙的结合及砌缝必须用防渗砂浆填充饱满，端墙背里从下到上不间断填筑厚0.5-0.6m的反滤层，将山体渗水与大气降水，通过反滤层引向端墙底脚的排水管排走。实践证明在土层中或回填土中预埋软式透水管往往徒劳无益，粘土颗粒包裹阻塞透水管，使其完全失去引流作用。5、几点认识1）采取措施减少围岩变化数量围岩变化在隧道施工中是牵一发而动全身的事。围岩实际性状掌握的越多，越准确，工程的质量、进度、成本控制就越可靠，因此勘察阶段有必要多投入一些工程量。现代勘察技术已能在洞口外打水平钻孔，平行隧道纵轴线探察洞口段300m，仍至更纵深一些范围内围岩性状。在掘进过程中也可以采用超前钻探或借助地质雷达等物探方法进行地质预报。地质预报将是今后隧道施工需加强的重要环节。2）加强隧道新技术、新方法的推广在推广新奥法掘进支护技术的基础上，还有不少完善、配套技术要推广。如在浅埋段暗挖施工推广长管棚支护；在岩石掘进中推广和优化光面爆破，更好地控制开挖；在喷射混凝土方面改干喷为湿法喷砼；凿岩打眼推广新式的液压凿岩台车等等，这些都有重大现实意义和经济效益。3）千方百计预防软弱围岩塌方塌方的主导原因无疑是地质条件复杂，但经过努力仍然是可以抗御的。预防塌方要靠多种综合措施，要靠众人共同努力，关键是“认真”二字。现代隧道施工技术和技术规范所明确的要点，为预防隧道塌方提供了可靠的办法，关键就在：严格按规范施工，严肃纠正违规作业，严明处理不按合同办事的行为，做到这“三严”，一般塌方事故是可以得到有效预防的。8