高原隧道軟巖大變形及支護施工技術探究

周建偉

摘要 軟巖隧道的施工難度大、安全隱患多，因其具有復雜構造的巖層，且軟巖易變形，若處置不當易引起安全生產事故。文章就軟巖大變形條件下高原隧道施工進行了分析和研究，闡述了關于超前地質預報、爆破、開挖、監控、量測等軟弱圍巖隧道方面的關鍵環節，提高隧道初期支護穩定性，減小初期支護變形收斂，達到減少初期支護變形侵限風險的效果，為優化監管、提高效率、保障安全等重點環節提供了依據。

關鍵詞 隧道;軟巖大變形;措施優化;高原施工

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0139-03

0 引言

隨著西部大開發戰略持續深化，西部高原地區修建隧道數量增多、難度增大，特別是遇到軟巖隧道，開挖易造成軟巖大變形，事關經濟效益和人身安全。如何確保此類高原軟巖隧道施工安全已成為工程重點研究對象，因此軟巖隧道施工大變形控制技術的研究具有重要的工程意義。對于軟巖大變形關鍵施工控制技術，許多專家展開了相關研究，得到很多富有意義且指導性強的成果[1-3]。劉成華[4]在解決中條山隧道在施工至高地應力F7主干斷層段初期支護發生嚴重變形開裂的問題時，選取“剛性支護一次到位”和“柔性支護釋放應力后進行二次支護”2種方案進行試驗，驗證了方案的可行性。雖然目前對于隧道軟巖大變形控制的研究已卓有成效，但針對高海拔軟巖隧道施工控制技術研究仍然缺乏，不同地質條件和施工環境對于施工控制技術具有差異。該文以某高原深埋隧道為例，就大變形控制體系及關鍵施工工藝進行詳細闡述，以期為類似工程施工提供技術參考。

1 工程概況

該高原隧道中，其軟巖、斷層帶在高應力和富水等條件下，產生具有明顯時間效應的塑性變形，其中軟巖層的段落變形主要表現在變形快且具有流變性，圍巖破壞的范圍大，以及隨著隧道埋深的加大，變形破壞趨勢逐漸強烈，常規支護難以維護隧道洞身穩定。

2 隧道軟巖大變形施工技術

由于高原地區施工的特殊性，遵循大型電動機械優先、以人為本、減少工人勞動強度的原則，充分發揮科技創新的引領作用，形成大機作業工裝、工藝、工法成套建造技術，運用信息化大數據技術，統籌建設管理全過程。

2.1 超前地質預報

目前，地質雷達法、TSP法、地質調查法、紅外探水法、加深炮眼和超前鉆孔等，是隧道施工較為常用的常規超前地質預報方法。如圖1所示的是超前地質預報的流程，必須嚴格按照“先探測、后施工，不探測，不施工”的要求，將超前地質預報納入正常施工工序。采用TSP每次探測100～200 m，即利用地質超前預報系統全程宏觀控制，連續實施短距離全程的紅外線探水儀探測30 m;同時，進一步短距離探測強化、補充和驗證，由地質雷達每次探測30 m;每次超前水平鉆探30 m，加密鉆探地質較差的地段，前后兩循環孔應搭接5～8 m，并對常規地質素描及加深炮孔進行綜合分析。

2.2 圍巖監控量測

圍巖監控量測貫徹隧道的整個施工流程，對量測數據分析處理后，預測圍巖變形趨勢，驗證和修改設計支護參數，采取相應的施工措施，科學地組織和指導施工，保證隧道施工安全。通常每5 m設置一個大變形地段的觀測斷面，確保5個點/斷面，變形數據異常時可適當加密觀測斷面。施工過程中注意監控量測數據的時效性及準確性，及時反映圍巖及初支收斂情況，通過對數據的整理及分析，對可能的最值、變化速度進行回歸分析預測，從而確定相應的支護參數及預留變形量。

2.3 開挖爆破

圍巖自身存在一定的自支護能力，開挖本質是對圍巖自支護能力的破壞，最重要的是保護圍巖的自支護能力，預防掌子面崩塌，減少超挖，保證洞壁的平順，從而達到減小后期初支變形的效果。

若對軟弱圍巖的地段進行全斷面開挖，由于掌子面凌空面較大，容易引起溜塌事件，有塌方風險;若采用長臺階方法開挖，由于初支收斂速率較大，圍巖擠壓上臺階鋼架造成收斂變形，會導致下臺階施工時上、下臺階連接處鋼架不能合攏、密貼，破壞鋼架整體受力結構。若采用臺階長度3～5 m的微臺階方法進行施工，及時開挖下臺階及仰拱初支，保證初支鋼架及時成環，整體受力。

炸藥采用乳化炸藥，采用斜眼掏槽、周邊眼光面爆破，連續裝藥結構、非電毫秒雷管起爆。機械鉆孔使用鑿巖臺車進行作業，現場根據隧道實際環境和條件選配三臂風動鑿巖機進行輔助鉆眼。隧道爆破設計各項參數如下：

炮眼直徑：對炮眼數目、鑿巖生產率、單位耗藥量和洞壁的平整程度等都會產生影響，該次選擇38 mm。

炮眼間距：主控周邊眼間距，控制在40 cm;掏槽眼控制在40 cm;輔助眼控制在60 cm;底板眼控制在50 cm。。

單位炸藥消耗量：Ⅴ級≤1.00 kg/m3。由于軟巖地質情況復雜，在施工過程中，每次爆破后應檢查爆破效果，同時不斷調整裝藥量，從而達到最優爆破效果。鑿巖臺車施工工藝流程如圖2所示，鑿巖臺車鉆孔步驟如圖3所示。

2.4 加強初期支護結構

初期支護主要包括鋼架、鋼筋網、連接筋、錨桿、超前小導管、噴射混凝土等內容。初期支護施工時，必須保證各連接用鋼處焊接牢固，使各構件連接成一個整體，共同支護圍巖。

鋼架主要分為格柵鋼架、型鋼鋼架2種，其中格柵鋼架柔性性能好，能密貼于圍巖，能夠較好地控制圍巖松弛變形，適用于Ⅳ級及Ⅳ級以下圍巖地段。但在軟弱圍巖地段，即Ⅴ級及Ⅴ級以上圍巖地段，圍巖本身松弛、易變形，格柵鋼架的剛度不足以支撐圍巖的應力釋放，故采用型鋼鋼架，提高初支鋼架抗扭曲能力。通過對前期現場采用I18、I20、I22型鋼鋼架施工情況來看，鋼架抗扭曲能力相對較弱，初支鋼架出現不同程度的扭曲、斷裂，經過多次比選，最終采用HW175型鋼制作初支鋼架。

為有效控制變形，提高初期支護強度，通過施工中對不同初支結構形式試驗，優化襯砌輪廓，本著“快開挖、快支護、快封閉的理念”，通過監控量測變形值及初期支護的損壞情況作出判斷，形成最終施工方案。

鋼架在鋼構件加工廠制作，運至現場采用拱架臺車拼裝。加強支護初期的全環HW175型鋼，使之在0.6～

1.0 m/榀設置鋼架間距，預留20～35 cm變形量，基本能保證在預留變形量范圍內初支變形達到穩定，不影響后期二次襯砌的施做?；炷粱貜椓康臏p少能提高混凝土的質量、耐久度等，噴射混凝土采用早高強纖維混凝土，在保證混凝土的物理力學性能同時，改善工作環境。

2.5 初支補強

2.5.1 長、短錨桿的應用

長錨桿深入內部巖層控制深部圍巖的變形，同時在另一方面形成整體作用，將短錨桿加固組合結構懸掛于深部的穩定圍巖，進一步加強初支的穩定性。長、短錨桿組合支護系統中，采用ψ22低預應力樹脂藥卷的短錨桿，每根長4 m，每榀鋼架8根，分別設置于上、下臺階左拱腳及右拱腳各一組。長錨桿采用ψ22讓壓式錨桿，每根長6 m，共計4根，施做于上、下臺階連接處左右各一組，加強鋼架接頭處的受力，保證鋼架受力結構的整體性。

2.5.2 后補注漿

根據施工現場情況表明，初支開裂、變形最嚴重地段位于鋼架上下臺階連接處。主要原因是該處位于上、下臺階分界處，連接采用螺栓連接及焊接，強度較鋼架偏弱;其次，下臺階開挖時，該部位容易形成空洞，造成該處噴射混凝土不密實。通過后補注漿，對連接處不密實部位進行填充，同時對初支背后軟弱破碎圍巖進行加固，形成一個受力整體。后補注漿要求在不影響掌子面施工的情況下，一般滯后掌子面15 m左右施工，及時對上、下臺階連接板處設置3排φ42徑向注漿鋼花管，間距1.0×1.0 m（環向×縱向），梅花形布置，每根長2.5 m。采用1∶1的水泥漿液作為注漿材料，同時注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。

2.6 質量控制

隧道位于高原地區，為減少人員勞動強度，多采用大機作業，提高了隧道施工質量，減少容錯率，同時保證了高原缺氧的工人身體健康。軟巖大變形地段施工在質量控制方面不容忽視，初支噴混凝土背后脫空、初支厚度不足、鋼架接頭連接不牢、鋼架線型安裝不順直、錨桿長度不足等問題是引起初支變形的主要原因。采取優化爆破參數來控制開挖效果;利用測量復核制度，控制鋼架安裝定位，確保鋼架線型;加強過程檢查，確保錨桿長度和注漿效果;技術人員帶班旁站監督施工，落實三檢制度，確保工程質量合格。

3 結束語

在施工隧道軟巖大變形地段中，科學規范地采取5步措施，即：超前地質預報、監控量測、開挖爆破、優化初期支護結構、初支補強，能有效控制隧道初支變形侵限，證明在高原施工隧道的措施是有效的，方法是正確的。在嚴重擠壓變形、圍巖軟弱破碎的情況下，確保了工程進度，保證了施工安全，為后期隧道的施工提供了一個成功案例。

參考文獻

[1]李沿宗， 尤顯明， 趙爽. 極高地應力軟巖隧道貫通段變形控制方案研究——以蘭渝鐵路木寨嶺隧道為例[J]. 隧道建設， 2017（9）： 1146-1152.

[2]蔡濤. 白馬隧道支護結構變形機理與支護技術及實踐[J]. 鐵道建筑技術， 2021（2）： 141-145.

[3]杜三虎. 運營隧道襯砌裂縫及厚度不足處理技術研究[J]. 工程機械與維修， 2021（2）： 54-56.

[4]劉成華. 蒙華鐵路中條山隧道高地應力F7斷層軟巖破碎段施工技術[J]. 隧道建設（中英）， 2018（S1）： 161-166.