老鹰岩隧道为分离式隧道, 左洞起讫桩号为ZK35+072—ZK35+759, 长687m, 最大埋深约141m;右洞起讫桩号为YK35+075—YK35+795, 长720m, 最大埋深约149m;隧道为上坡, 左、右幅纵坡分别为1.94%, 2.7%, 隧道穿越Ⅳ, Ⅴ级围岩, Ⅴ级围岩最大开挖断面107m²。

项目区地处黔北高原北部, 场地隶属于桐梓县芭蕉乡所辖。附近有公路通过, 条件较好, 隧道横穿波状山脊, 覆盖层整体较薄, 植被较发育。场区海拔821.000～1 374.000m, 相对高差339m, 轴线通过段地面高程在882.000～1 039.000m, 相对高差157m。正安端洞口位于宽缓斜坡上, 习水端洞口左幅位于一狭长冲沟内, 右幅位于斜坡边缘, 地貌类型属溶蚀-构造型中低山地貌, 地表受溶蚀、侵蚀作用强烈, 地势起伏较大。

场区属长江流域-羊蹬河支流场区东南角发育一河沟, 目前已干涸, 雨季流量在100～200L/s, 此外跨越多个冲沟内, 发育有季节性溪流, 测时无水, 雨季流量在10～30L/s。

场区不良地质为:岩溶、围岩体及错落体、洞口地带浅埋, 显音寺县道侧ZK35+225—ZK35+345段浅埋且偏压, 为堆积泥夹孤石。

原设计老鹰岩隧道左洞ZK35+093—ZK35+143段洞身为强～中风化白云质灰岩, 岩体节理发育, 岩体破碎～较破碎, 施工开挖至ZK35+113掌子面揭露的围岩与原设计不符, 现围岩呈现的状况为粉质黏土松散结构, 主要表现为夹泥沟槽及填充性溶腔围岩无自稳能力。地下水较发育且受大气降水补给影响较大, 开挖过程中出现小股状涌水及点滴状渗水。与地质超前预报 (HXCD-正习线-隧 (超) -老鹰岩-进口-2017-003) 的报告基本相吻合。

HXCD-正习线-隧 (超) -老鹰岩-进口-2017-003超前地质预报结论如下:左幅ZK35+115处围岩主要为粉质黏土及强～中风化白云质灰岩, 岩质软～较软;岩体整体破碎, 以碎裂状松散结构为主;溶蚀作用较强烈;地下水较发育, 且受大气降水补给影响较大, 开挖过程中可能会出现点滴状渗水;围岩自稳能力差甚至无自稳能力, 揭露时拱顶等位置易掉块、坍塌, 如遇大气降雨, 应做好掌子面防坍塌措施。推测掌子面前方 2～20m (尤其是 2～10m) 范围围岩溶蚀作用较强烈, 主要表现为夹泥溶蚀沟槽及充填性溶腔, 围岩含泥量较大, 围岩自稳能力差, 揭露时易坍塌, 可能出现突泥现象, 施工过程中应加以注意, 如图1所示。

ZK35+113—ZK35+143段为隧道下穿县道施工段, 该段的洞顶覆盖层厚度为6.0～6.3m且为松散堆积体。因该县道为桐梓县至芭蕉镇的唯一运输通道, 路面行驶的基本为重载车辆, 在行驶过程中产生的活动荷载对洞身的初期支护影响较大。2017年3月7日隧道左洞进口开挖支护至ZK35+113处拱壁及拱顶出现明显裂缝, 拱顶下沉较大处于急剧变形阶段, ZK35+113上方地表以及县道路面出现明显裂缝和下沉。

经正习高速公路老鹰岩隧道各参建单位现场勘察商议后决定ZK35+113—ZK35+143段超前支护进行加强的施工方案 (超前小导管变为洞身大管棚) 。老鹰岩隧道左线ZK35+113增设长管棚施工方案如下。

①ZK35+113处先加设横向支撑, ZK35+113处喷射混凝土封闭掌子面;②开挖台车至ZK35+110处加设横向支撑;③开挖台车至ZK35+108处加设横向支撑。

①机械回填高度至横撑以下;②拱部采用人工麻袋回填;③对ZK35+113处喷射混凝土封闭掌子面。

①对ZK35+103—ZK35+108原有的初支面进行逐榀破除扩宽;②破拆过程中遵循短进尺、勤监测、逐榀破拆、逐榀支护原则。

钢支撑中心轴开37根ϕ110孔作为长管棚导向孔。

5) 长管棚需入至山体硬岩3m。

1) 泥质岩是各种泥岩、页岩、黏土岩及泥质粉砂岩, 还包括火成岩变质热液蚀变的黏土岩和中酸性凝灰岩等, 是工程性质极为复杂的岩体, 在活化作用下易失稳, 没有硬岩稳定性好。

所谓泥质岩的活化作用是指在自然地质条件下, 其性质处于相对稳定的泥质岩石状态, 由于人类的工程活动及其引起的环境变化, 而造成泥质岩工程特性的恶化而显示的黏土矿物活性的作用, 泥质岩活化作用对所进行的工程有直接影响, 所以在工程建设中应特别注意:①所有保持天然含水量的未扰动泥质岩, 在水中可保持其稳定的天然性状;保持其较高的天然强度, 几乎不显其膨胀性。②环境湿度的变化是造成泥质岩性质变化的重要因素, 工程施工新暴露的泥质岩在失水后产生不规则的纵横交错收缩裂隙, 引起风化剥落, 从而破坏岩体稳定。③泥质岩干湿交替活化作用造成岩石失稳破坏。研究表明, 泥质岩在空气相对湿度<80%, 特别是60%时, 连续的风干作用造成泥质岩明显的收缩裂隙, 从而造成岩石迅速破坏。在空气湿度>80%, 尤其>90%的条件下, 泥质岩吸水造成岩石水分增加, 体积膨胀、强度降低。④湿度波动引起的泥质岩水分迁移的影响深度, 随着地下工程裂隙松动带的存在而明显增大。⑤通风对隧道围岩的干湿交替作用影响十分严重, 从而对岩石结构引起的破坏作用应予以足够重视。⑥泥质岩在干燥后浸水迅速产生膨胀、崩解、泥化破坏, 原岩含水越高、胶结作用越弱, 泥质抗风化能力越差, 破坏也越强烈。⑦底板泥岩在隧道施工设备、运输设备反复碾压振动及水的作用下会产生泥化破坏。

2) 泥质岩的强度不仅与胶结物的成分性质和胶结作用有关, 还与成岩环境时代及变质作用有直接关系, 从现场或照片看, 岩土成岩胶结程度有明显的久远时代特点。

3) 泥质岩在水的作用下性质极不稳定, 常有膨胀、崩解、软化、泥化等趋势。完整干燥的泥质岩浸水破坏形式有以下几种:①泥糊状破坏;②碎屑状破坏;③角砾状破坏;④碎块状破坏。在2017年春节前项目部为了解决油村沟拌合站的用水问题, 在隧道顶焊了2个钢板水箱, 并每天从河里抽水至水箱经常溢出, 造成很多水从岩石缝中渗至隧道穿越土层, 使下面的泥质岩在水的作用下崩解, 整体性瓦解。

4) 地基承载力不够:进口地段隧道底部岩性以中风化碳质灰岩、泥灰岩和石灰岩为主, 节理裂隙发育, 由于隧道开挖打钻用水及施工用水侵蚀地基土岩使地基承载力减弱。

隧道采用台阶法上台阶预留核心土法施工, 施工中无针对此段围岩施工切实可行的方案措施、施工中无临时成环、根本无临时支撑, 使围岩变形过大, 松动范围增大, 无形之中增大了围岩荷载。

由于实际围岩比原设计的差, 对地质的条件变化认识不足, 设计参数不够, 所有隧道Ⅴ级围岩全部设计为预留核心土环形开挖支护方法, 设计不够灵活;钢架之间的水平连接筋在软弱围岩地段应该设计成45°角加强钢架之间的整体性;锁脚锚管未设计定位筋。

隧道顶部县道每天有大量重载车辆行驶, 冲击荷载破坏了围岩与初支的整体性, 使初支开裂变形、拱顶下沉、路面开裂。

解决软岩隧道的支护与衬砌结构的设计和施工问题, 需认识软岩隧道围岩的变形规律, 建立科学的支护理论, 针对软岩隧道复杂的变形机制和大地压难支护等特点, 国内外许多专家、学者都对软岩隧道的支护理论进行了系统研究, 取得的研究成果在工程实践中发挥了重要作用。国内影响较大的有“软岩隧道支护优化理论”和“松动圈软岩支护理论”。

软弱围岩地段可以调整隧道开挖断面边墙曲率, 以优化隧道边墙受力, 在ZK35+113处加大工字钢刚度, 缩短钢架间距, 加大拱部连接筋数量, 可采用双层连接, 使隧道受力更加合理, 初期支护变形基本可控。

加强支护, 将支护钢架由原设计的I18调整为I20, 锁脚锚管从工字钢中部钻孔打入, 考虑泥岩无法注浆, 采用膨胀锚固剂塞锁脚锚管孔, 钢架之间连接筋边墙部位设计为水平方向, 为了抵抗掌子面和围岩变形、增大钢架间的整体性采用45°交叉焊接, 人为加强与工字钢焊接质量;将系统锚杆加长, 增大锚垫板面积;加大预留变形量, 使开挖后围岩有一定的变形空间, 预留变形量加大至30cm。

由于此段为破碎软弱围岩又是浅埋区, 为了避免掌子面坍塌, 在施工中采取如下措施。

1) 施工中采取三台阶开挖支护施工, 下台阶紧跟及时成环, 上台阶高, 控制在3.5m以内, 减少掌子面暴露面积, 上台阶在下台阶没成环之前加设临时支撑, 中、下台阶高度以2.5m为宜;为减少开挖扰动, 中、下台阶必须左、右错位开挖锚喷支护, 有水地带宜在引排的条件下采用纤维混凝土喷锚。

2) 大管棚后开挖支护过程中采用直径42mm无缝钢管作为超前支护, 间距可适当加密, 掌子面开挖后必须初喷, 初喷厚度≥5cm。地表浅埋地带用彩条布覆盖, 防止雨水侵入内部土体, 地表在偏坡较高处设置截水沟。

高速公路隧道开挖断面大, 穿越软弱围岩自稳能力差, 隧道开挖后拱顶、侧墙及掌子面极易发生掉块、坍塌, 给施工人员及机具带来很大安全隐患。为保证隧道施工安全, 避免围岩坍塌, 施工过程中坚持“矮短台阶, 弱爆破, 短进尺, 强支护, 早封闭, 勤量测”的施工原则。开挖后立即初喷, 且尽早施作初期支护使围岩的变形进入受控状态, 尽快使支护结构成环闭合, 以改善结构的受力状态。在实际施工中大断面隧道也可采用CD法、CRD法, 减少每次开挖支护断面面积, 减少坍塌隐患。本隧道施工中采用低台阶法, 尽量减少开挖高度和进尺长度, 采用控制爆破, 尽量不爆破, 如爆破以多打眼少装药的原则进行。中、下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度的80%以上时再开挖, 下部开挖时要注意上部稳定, 要根据稳定情况决定下部循环进尺, 中、下台阶开挖分左、右两部分错开开挖并支护, 错开距离必须>3m, 防止掉拱, 要及时施作锚喷支护和仰拱;上、下台阶施工时专人检查初期支护钢架整体顺接是否平直, 螺栓连接是否牢靠;仰拱及填充超前、全幅浇筑, 二衬整体浇筑及时施作, 对初期支护变形侵限地段, 坚持“先加固后拆换”的原则, 控制拆换长度, 确保施工安全;加强超前地质预报、监控量测, 制订施工应急预案降低施工风险, 确保施工安全。

1) 关于老鹰岩隧道掘进口选择问题 老鹰岩隧道出口为一不很陡的偏压山坡, 但岩体较硬, 出口为填方路基, 无乡村民房, 所以从弃渣成本考虑应该从出口掘进, 因为设计院初次提供的线路走向与高程同现设计不一致, 项目工期紧, 业主多次催促, 项目方案论证不严谨, 以致增大运输、管理成本, 后延时间节点。

2) 关于左、右洞的施工顺序问题 老鹰岩隧道为左、右分离式近距离隧道, 隧道穿越的山形是从右至左的偏坡隧道, 特别是跨显音寺县道侧的那段偏压特别明显, 并且为多年堆积体, 所以应该是先行洞 (左洞) 上断面开挖超前后行洞 (右洞) >30m且待左洞仰拱施工后再进行右洞上断面开挖。实际施工情况是由于左洞高压线的影响造成右洞先开挖支护, 右洞的爆破掘进扰动了左洞的软弱围岩, 违背了“弱爆破少扰动”原则, 给左洞后续开挖支护造成了一定难度。

3) 关于老鹰岩隧道穿越314县道问题 老鹰岩隧道进洞30m左右后要穿越314县道, 由于314县道每天重载运输车辆的行驶造成穿越过程中隧道内开挖初支开裂变形, 314县道混凝土路面开裂, 严重影响隧道内的开挖支护安全, 使县道无法通行。正确的施工方法为:先把314县道改至隧道区域以外先通行, 等开挖支护、二衬施工完老县道位置一定距离后再将县道改回隧道顶部通行。

4) 加强超前及初期支护, 控制台阶长度和高度是防止隧道坍塌重要技术措施 ①老鹰岩隧道虽然只是座700多m的短隧道, 但它穿越的地质条件复杂, 所以施工单位应根据实际发生的地质问题采取相对应的工程措施, 针对软弱地质围岩条件, 掌子面泥结石稳定性差的岩体, 施工中应及时封闭掌子面。开挖前, 要加强超前支护措施, 采用直径42mm注浆小导管在隧道拱部形成超前支护体, 可有效防止开挖时拱顶掉块、坍塌。②软弱围岩隧道开挖初期, 支护结构所受压力、应力大。为控制围岩及支护结构的变形防止坍塌, 支护结构刚度宜大不宜小。通过现场试验段确定, 采用I20钢架间距每榀60cm, 下台阶先开挖锚喷支护偏压薄弱的左侧并错开进行, 能够有效抵御来自围岩的变形压力, 基本上可控制围岩的水平收敛, 能满足施工安全需要。③施工中要严格控制开挖台阶的长度和高度, 按短进尺强支护掘进施工, 并及时施作初期支护和仰拱, 过程中采用上导坑超短台阶开挖、下导坑出渣、上下导坑及时锚喷支护解决了上、下台阶的施工干扰问题, 下部施工应减少对上部围岩支护的扰动, 防止坍塌事故发生。④本隧道穿越软弱破碎围岩, 所以要预留足够的下沉变形量, 适时注浆是解决后期变形扩大的有效方法。在开挖锚喷支护后10～20d是注浆的最佳时期, 此时围岩的变形量达到 100～200mm, 由于岩体变形后形成空隙, 应力得到释放, 此时注浆能发挥最好作用, 将隧道松动圈重新固结, 也使初支后面没严实的空隙与山体岩石形成统一的整体, 并形成新的稳定的应力圈, 防止岩石的进一步变形。⑤在软弱围岩地段及时调整开挖断面边墙曲率是优化隧道受力的主要措施, 在构造地应力作用下, 开挖断面越接近圆形, 隧道结构受力的效果越好。因此, 通过周边眼按曲墙坐标放样钻眼施爆施作开始及监控量测数据分析, 采取调整边墙曲率的措施效果明显, 改善了隧道结构的受力状况, 水平收敛、支护结构所受压力和应力均相对较小, 隧道初期支护变形基本可控, 绝大部分变形量满足设计要求, 特别是在断面变化处、施工过程中优化了隧道的衬砌受力, 有效控制了隧道衬砌结构的变形开裂。