高速公路軟弱圍巖隧道施工風險控制及關鍵技術

吳 帆

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 前 言

軟弱圍巖由于巖體結構松散，完整性較差，且強度低、水理性能差，易飽水失穩，在地表水的浸潤沖刷下易發生變形破壞，誘發邊坡失穩，進而造成塌方、冒頂，嚴重影響到隧道施工質量甚至威脅到人員的安全[1-2]。鑒于此，有必要明確具體的施工風險，并采取有效的處理措施，應用合理的施工技術提高隧道工程的建設品質。

1 工程概況

某在建高速公路線路全長24.95 km，全線橋隧比達40.17%，沿線地形復雜多變，隧道施工區域存在不良地質情況。根據鉆探、物探及地質調繪，隧道區地層巖性由新至老為第四系圖層的坡殘積及燕山期的花崗巖組成。其中，隧道進出口段圍巖屬Ⅴ級軟弱圍巖，其組成巖土體為坡殘積砂質黏性土層，碎塊石及全風化花崗巖。

2 軟弱圍巖條件下的隧道施工風險

2.1 開挖方式

軟弱圍巖隧道施工難度較大，現階段的可選方法較多，包含臺階法、中隔壁法、爆破法等。其中，光面爆破是隧道開挖中較為主流的方法，但其在實際應用與操作時具有局限性，主要體現在以下兩個方面。

1)圍巖受損嚴重。通過高能量的炸藥而實現爆破，在短時間內將產生極為強烈的沖擊力，導致巖石失穩并破碎，雖然可以形成特定的隧道斷面，但其周邊的巖石也將受到影響，圍巖的自穩能力隨之下降。既有研究表明：爆破對區域內巖石的損傷程度較高，其性能指標較爆破前將下降10%～30%，且隨著巖體與爆體距離的減小，其對應的損傷更為明顯。

2)普遍存在超挖現象。經過爆破處理后將形成臨空面，受到軟弱圍巖自穩能力不足的影響，導致巖體發生不同程度的坍落，易出現超挖現象。此外，爆破用量不合理、爆破工藝不科學等問題屢見不鮮，在此條件下展開爆破作業均容易引發超挖問題[3]。隧道超挖將帶來多重負面影響，既增加了施工成本，又影響到隧道施工質量，使初期支護背后形成空洞，若該處的圍巖未得到可靠的支護，伴隨使用時間的延長，該部分圍巖極容易失穩甚至坍塌，對現場施工人員的安全造成嚴重的威脅。

2.2 初期支護

初期支護有助于維持隧道的穩定性，但在實際應用中存在局限之處：首先，施工單位未能根據工程需求配置足夠先進的施工設備；其次，施工工藝依然停留在傳統層面，施工期間易產生安全隱患，使施工全程處于高風險的狀態。

1)系統錨桿。系統錨桿是構成初期支護體系的關鍵部分，可有效支撐圍巖并發揮出加固的作用，適用于層狀圍巖等多種地質條件。

錨桿施工的細節較多，各環節均容易出現質量問題，例如墊板安裝不到位、搭設角度明顯偏離設計要求、錨桿尺寸不合理等。出現此類問題的原因主要源自于兩方面：一是施工人員忽視錨桿的作用，認為錨墊板安裝以及錨桿尺寸的控制無關緊要；二是錨桿施工設備的技術性能難以滿足實際施工需求。

2)網噴混凝土。縱觀我國的高速公路隧道建設狀況，網噴混凝土施工中普遍使用到鋼筋網片，網格間距以15～20 cm居多，具體如圖1所示。實際施工結果表明，網噴混凝土施工過程中的主要問題包含兩個方面：一是初期支護與圍巖難以緊密貼合，結構間形成空隙；二是混凝土的施工質量欠佳，主要表現為混凝土性能不達標、噴射工藝不合理等。

圖1 網噴混凝土

對于初期支護背后形成空洞的情況，除混合料性能欠佳的基礎原因外，還與施工工藝具有緊密關聯，網片主要設置在鋼架外側，通過焊接手段實現與鋼架的穩定連接，其難以實現與初噴混凝土面的有效粘結。此時，混凝土在網片上凝結且總量逐步增加，鋼架與巖面空隙在尚未完成噴射作業時便已經處于堵塞的狀態，此時初期支護背后缺乏密實性，嚴重時將形成空洞[4]。對于混凝土施工質量方面的問題，其主要原因為：①施工選擇的是小型噴射機且普遍以干噴工藝為主，人工操作過程中難以精準把控工藝參數，噴射風壓、噴射角度等易偏離設計要求；②干噴過程中需摻入適量的速凝劑，但其摻入時間不合理，導致速凝劑在運輸途中便發生強烈作用，與水泥等相關材料產生反應，運抵現場的混合料均勻性明顯不足。

3 軟弱圍巖條件下的隧道施工風險控制措施

3.1 洞口施工控制

1)隧道進洞施工應嚴格遵循“短進尺，小循環，早錨噴，強支護，快封閉”的原則，及時施作洞門及其排水系統。通常采用短臺階或超短臺階法施工，先施工上臺階，凡能用十字鎬、風鎬進行人工施工的情況不允許爆破。需爆破時，可采用由隧道中心掏槽分段起爆，嚴格控制藥量并人工風鎬修邊，控制超欠挖，減少對圍巖的擾動。

2)隧道洞口預加固措施一般有兩種：一是地表預加固，主要措施有錨網噴支護、地表注漿、地表錨桿、抗滑樁、錨索等；二是洞口正面圍巖預加固，主要措施有超前長管棚注漿、超前小導管注漿、掌子面封閉等[5]。在此強調幾種常用的預加固措施的施工質量控制重點：一是錨網噴支護施工質量控制，鋼筋網必須與錨桿焊接，且鋼筋網須用點焊焊成整體，噴混凝土時必須保證鋼筋網保護層厚度滿足設計要求；二是地表注漿預加固施工質量控制，按照設計孔位開孔，嚴格控制孔口位置偏差，注漿工程中監控注漿壓力變化，注漿結束前采用最大注漿壓力閉漿一段時間，一般可取10 min左右，并及時封堵注漿口。

3.2 洞身施工控制

軟弱圍巖隧道洞身開挖的不利因素多、難度大，必須加強質量控制，隧道洞身開挖質量控制有兩個方面：一是軟弱圍巖隧道在開挖前必須用地質雷達、超前小導坑等方法做好超前地質預報工作，同時做好預加固、預支護等輔助施工措施；二是隧道開挖斷面的尺寸要符合設計的要求，軟弱圍巖變形較大，需根據計算及實測施工數據預留變形量及支撐沉落量，防止出現凈空不夠的情況。

3.3 突水處理

洞內環境錯綜復雜，突水極容易造成安全事故。對此，需通過防水和排水相結合的方式加以處理。以涌水量為分析依據，采取相適應的封堵和疏排措施，配套完善的應急裝備，以便在發生突水問題時及時處理。

3.4 防排水措施

初期支護作業時采取防排水措施，在支護的外側設Φ50 mm的環向排水盲管，統一采取環向間距5 m的方式，數量為2根。下臺階拱腳初支外側選擇的是Φ100 mm雙壁打孔波紋管。仰拱底部為Φ100 mm的PVC橫向排水管，該部分在三通的作用下實現與縱向排水管的緊密連接，以便將水及時引導至中央排水管。

3.5 防坍塌技術措施

以隧道施工條件為立足點，嚴格按照“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉”的原則有序組織施工；以施工需求為導向，編制切實可行的專項方案；施工前做好技術交底，各環節施工期間加強質量管理。

3.6 監控量測措施

隧道內的各結構都要維持穩定的狀態，為驗證支護結構的應用效果，需做好對隧道的監控量測工作，通過此途徑掌握真實可靠的信息。監控量測工作內容包含兩部分：一是必測項目，指的是日常施工中需要落實到位的各項監控量測項目；二是選測項目，在此方面并未做出強制性規定，主要根據施工需求合理選擇。監控斷面宜布設在距洞口5、10、20 m處，各自的斷面數量均為3個；設置好監控斷面后，以4 m為間隔依次布設沉降點，但要注重邊坡開挖界限的監測，其左右兩側均要布設1個沉降點；提高監測頻率，以便及時掌握實際施工情況，且尤為關鍵的是隧道開挖期間的監測工作，必須依據規范落實到位。全面整理量測內業資料，以所得結果為依據展開回歸分析，將其作為日常生產的指導。

3.7 供風、供水、供電和照明措施

隧道內部應具有良好的通風條件，在進口處布設空壓機房，向內部提供高壓風。配置Φ219 mm的鋼管并將其作為高壓風管使用。洞頂處可修建高壓水池，以滿足日常施工的用水需求，但必須做好水質檢測工作。洞內給水管道選擇的是Φ80 mm鋼管。隧道施工機械較多，日常施工用電量較大，為確保用電安全，選擇的是三相五線制供電機制。洞內照明器具選擇的是高壓鈉燈，間距設為30 m。

4 結束語

高速公路軟弱圍巖隧道的施工條件和地質情況特殊，在該處組織隧道作業時容易出現安全隱患，若施工處置不當會造成隧道變形、坍塌等問題。因此，在應對軟弱圍巖隧道施工風險時所采取的控制措施和關鍵技術尤為重要。施工單位需要以現場實際情況為立足點，編制科學、合理的施工方案，采取有效的控制措施，精心組織每個環節的施工，全面控制隧道施工風險，進而建設出高品質的隧道工程項目。

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