公路隧道軟弱偏壓大變形控制施工工法研究

張潘

摘要 針對公路隧道工程軟弱圍巖的變形問題，文章結合工程實例著重探討了公路隧道軟弱偏壓大變形控制的施工工法。工法核心在于通過“組合支護”進行預支護，并在施工中快開挖、強支護、快封閉。峨漢高速建全村隧道通過此種施工工法取得了理想的施工效果，有效改善了圍巖殘余地應力高、圍巖松弛、變形大等問題，施工過程中未出現明顯變形，保障了公路隧道施工質量，值得同類工程參考借鑒。

關鍵詞 公路隧道；軟弱圍巖；大變形控制

中圖分類號 U455.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0114-03

0 引言

軟弱圍巖地質環境下的公路隧道工程具有較大施工難度，在施工時很可能出現偏壓變形問題，影響施工質量。為應對此類問題，在施工時不僅要考慮開挖、爆破、掘進等常規隧道施工，還要尤為重視支護施工，尤其要避免出現偏壓變形[1]。基于此，峨漢高速建全村隧道工程就結合軟弱圍巖的地質情況，提出一種基于組合支護的偏壓大變形控制措施，并配合超前地質預報及監控，最大程度地防控軟弱圍巖公路隧道工程的偏壓變形問題。

1 工程概況

在建峨漢高速建全村隧道設計為雙向分離式越嶺隧道，左洞全長1 451 m，最大埋深196 m；右洞全長1 442 m，最大埋深202 m。圍巖為三疊系須家河組炭質頁巖、粉砂質泥巖，強風化，巖體受構造擠壓嚴重，巖體破碎～極破碎，巖質軟～極軟，層間結合差，地下水較發育，以滴水狀～淋雨狀為主。建全村隧道在施工過程中，拱部及邊墻極易發生失穩和坍塌，存在塌方、大變形等地質災害的風險。拱頂沉降最大1.15 m，邊墻大變形收斂值達0.84 m以上，初期支護常發生錨噴破損、碎裂掉塊、鋼拱架扭曲剪斷或屈服失穩，經后期圍巖持續大變形，造成隧道凈空大范圍的侵限。建全村隧道累計換拱166 m（230榀），換拱過程中發生大型塌方2次，中小型塌方4次，變形控制過程十分困難。

2 工法特點、適用范圍及工藝原理

2.1 工法特點

（1）針對隧道施工過程中初期支護出現裂損，鋼拱架扭曲失效，鋼架剪斷，初支大變形侵限等，總結形成公路隧道軟弱偏壓大變形控制施工工法，優化了隧道開挖方法，并采用“組合支護”新技術有效控制了隧道軟弱偏壓大變形。

（2）采用偏心支護新技術后，能夠很好地適應圍巖變形特點，根據監控量測數據總結分析，調整左、右側預留變形量，不但能確保二次襯砌結構混凝土厚度，而且節約了二襯混凝土。

（3）由于建全村隧道圍巖軟弱，受斷層破碎帶影響后構造應力較大，常規的鎖腳及連接鋼筋對鋼架的約束作用不強，導致初期支護出現裂損、鋼架扭曲失效等嚴重質量問題[2]。而采用整體式剛性鎖腳及縱向工字鋼連接，能有效提高初支體系承載能力，整體受力均衡。

（4）采用“長+短”錨桿柔性支護后期補強措施，能進一步增強初期支護的整體性，起到了減緩初支變形的作用，為后續施工提供了有利的作業條件。

（5）施工過程中使用的機械設備及材料均為常規材料，施工工藝操作及控制簡單、易行、有效，避免了軟弱圍巖大變形對隧道施工過程帶來的不良后果，縮短了長大隧道的施工工期，減小施工安全風險，節約了施工成本。

2.2 工藝原理

建全村隧道軟巖偏壓大變形控制主要采用剛性支護+偏心支護先行，“長+短”錨桿柔性支護后期補強的支護技術，同時采用大剛度整體式鎖腳支護技術和型鋼縱向連接，加強初期支護結構的整體性，控制隧道軟弱偏壓大變形，從而實現隧道結構的安全穩定。

（1）“剛性支護”鋼拱架作為控制圍巖變形的主要線支護結構，其剛度大（約為混凝土的10倍），抗拉強度高，一般情況下鋼拱架失效后才會出現噴射混凝土的開裂和剝離，因此，為控制隧道變形，采用重型鋼架和大厚度噴射混凝土支護，加大二襯混凝土結構剛度，并實現盡早閉合。

（2）“偏心支護”為適應軟弱圍巖大變形特點，當存在一側變形大、另一側變形較小時，可采取鋼拱架安裝中線偏移隧道中線，初期支護最終變形穩定后滿足二次襯砌厚度要求。該支護方式不但適應了圍巖的大變形特點，而且節約了施工成本。偏移距離的確定主要根據監控量測信息進行調整。

（3）“柔性支護”在剛性支護無法抑制圍巖變形時，采用柔性支護進一步約束圍巖的初期變形。根據監控量測數據或在距離掌子面約30 m后，再設置“長+短”錨桿組合補強加固圍巖，有效控制軟弱圍巖大變形。由于軟弱圍巖隧道開挖后，松動圈范圍較大，長錨桿打設范圍盡量超過塑性區為宜。

（4）“剛性鎖腳+縱向型鋼連接”剛性鎖腳支護技術，采用鋼板作為相鄰兩榀鋼拱架的整體連接，同時采用無縫鋼管穿過連接鋼板預留孔將鎖腳打入巖體，并將無縫鋼管與連接鋼板焊接成整體，提高初支體系整體性剛度，增強初支承載能力[3]。在圍巖變形很大時，除增大鋼拱架型號提高鋼拱架的橫向剛度外，還應增加縱向連接工字鋼，將多榀鋼拱架連接成整體，提高初期支護的整體受力，防止圍巖從兩榀拱架之間擠出變形，破壞初支結構。

3 公路隧道軟弱偏壓大變形施工工藝流程、施工要點及注意事項

3.1 施工工藝流程

“組合支護”技術采用大剛度工字鋼、偏心支護、剛性鎖腳、縱向連接工字鋼聯合支護，根據監控量測初支變形情況采用“長+短”錨桿補強支護體系。具體參數：型鋼拱架采用I20b工字鋼，間距60 cm；噴射混凝土采用C25混凝土，厚度30 cm，保護層厚度5 cm，在有條件的情況下優先選擇C25鋼纖維混凝土，鋼纖維摻入量55～65 kg/m?混凝土；采用Φ8雙層鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm；系統錨桿采用長3.5 mΦ25徑向錨桿，縱×環向間距600 cm×120 cm；后期補強“長+短”錨桿，短錨桿可采用4.5 m長Φ42×4 mm注漿小導管，長錨桿可采用9 m長Φ32自進式錨桿，呈梅花形布設，間距80 cm；二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。軟弱大變形控制施工工藝見圖1。

（1）施工準備。根據監控量測數據分析總結，確定預留變形量，再按照預留變形量及隧道設計斷面圖計算開挖輪廓線和鋼拱架尺寸。

（2）開挖。結合超前地質預報及監控量測及時調整隧道開挖方法。公路隧道軟弱偏壓主要采用上下臺階預留核心土法或三臺階預留核心土法開挖。每循環開挖進尺不宜大于兩榀鋼拱架間距，開挖過程中盡量采用機械開挖，必須采用爆破施工時，應按照弱爆破設計基本原則：“淺眼、多孔、多段、少藥、大時差”，總結歸納弱爆破施工參數，減少爆破對軟弱圍巖的擾動，降低爆破引起的振動速度，以減小松動圈范圍，使圍巖收斂盡早趨于穩定。

（3）初噴。因掌子面圍巖自穩能力差，易發生掌子面擠出失穩，引起周邊圍巖坍塌，因此在開挖完成后應采用C25噴射混凝土對掌子面進行初噴封閉，防止掌子面滑塌，特別對于偏壓嚴重側圍巖，噴射混凝土厚度必須達到10 cm以上，保證初期支護過程中施工作業人員的安全。

（4）測量放樣。根據初期支護變形特點，結合監控量測數據確定偏心距，原則上偏壓側預留變形量應大于監控量測數據中拱頂沉降及周邊收斂最大值加上10 cm，另一側不小于監控量測數據中對應位置的預留變形量。偏心距確定后采用全站儀放樣拱架中線、隧道設計中線及周邊輪廓線。

（5）拱架基礎布置。在開挖過程中鋼拱架拱腳位置50 cm高度范圍內向圍巖內側擴挖30 cm，并預留10 cm拱腳采用人工破除。清理虛渣后，在鋼拱架拱腳處放置預制好的40 cm×30 cm×5 cm C20混凝土墊塊，擴大拱腳接觸面積。

（6）拱架安裝。按照放樣點及設計圖紙間距安裝鋼拱架，安裝過程中確保鋼拱架的豎直度滿足設計及規范要求，鋼架拱腳落底牢固。拱架安裝完成后沿初噴面鋪設鋼筋網片、偏壓側焊接縱向連接工字鋼、另一側焊接連接鋼筋，并打設系統錨桿。鋼筋網片應與系統錨桿及鋼拱架焊接牢固，網片搭接長度不得小于30 d，且不小于一個網格長邊尺寸。縱向連接工字鋼呈梅花形布設，間距1 m，焊接在相鄰兩榀工字鋼腹板之間，連接工字鋼型號應小于鋼拱架腹板寬度。

（7）剛性鎖腳。鋼拱架安裝完成后，在鎖腳位置縱向連接工字鋼腹板上割孔，采用風動鑿巖機穿過縱向連接工字鋼鉆孔。鉆孔結束后為防止塌孔，需立即安裝小導管。小導管安裝采用風動鑿巖機送入，確保小導管長度滿足要求。小導管安裝完成后，采用人工將加工好的縱向連接鋼板套住鎖腳錨管并與兩側鋼拱架焊接，使鎖腳錨管、鋼拱架和縱向連接工字鋼形成整體。

（8）復噴。鋼拱架安裝完成后，經檢驗合格，進行C25噴射混凝土施工。噴射混凝土施工采用濕噴工藝，噴射時操作手應確保噴射角度與巖面垂直，自下而上呈“S”型兩側對稱進行。鋼拱架拱腳擴挖部位及鋼架與圍巖之間間隙必須噴射密實，并保證鋼拱架臨空側5 cm保護層厚度。

（9）“長+短”錨桿支護補強。軟弱圍巖隧道開挖后，松動圈范圍較大，長錨桿打設范圍盡量超過塑性區為宜。為便于施工，短錨桿可采用4.5 m長Φ42注漿小導管，長錨桿可采用9 m長Φ32自進式錨桿，呈梅花形布設，間距0.8 m，對初期支護補強。利用“長+短”錨桿組合補強的方式應根據監控量測數據進行確定，當初支變形量超過預留變形量的2/3時，分階段地提高支護剛度來控制位移，使隧道趨于穩定。“長+短”錨桿施作時采用風動鑿巖機或錨桿機緊貼鋼拱架垂直于巖面布設[4]。

3.2 施工要點

軟弱圍巖隧道開挖后，變形發展很快，掌子面前方先行位移、掌子面擠出位移以及掌子面后方位移都在發展，施工過程中主要通過“預支護、快開挖、強支護、快封閉”的措施進行施工，要求在距離掌子面2～3倍開挖寬度范圍內閉合初期支護，大幅度地縮短斷面閉合時間，雖然對后續作業有一定影響，但能有效控制圍巖的大變形。

3.2.1 加強超前地質預報及監控量測

（1）超前地質預報。對于軟弱圍巖隧道地質情況復雜段，在掌子面開挖前應采用多種超前地質預報手段（地震波法、瞬變電磁儀、超前地質鉆孔）探明掌子面前方巖體狀況，根據預報結果及時調整施工方法及支護參數，做好相應的準備工作。

（2）監控量測。控量測是軟弱圍巖隧道施工的關鍵，特別是拱頂下沉和周邊收斂監測，通過收集圍巖變形信息，判斷支護體系的穩定狀態、支護結構參數和施工方法的合理性，并根據監控量測數據確定預留變形量大小、調整初期支護參數及二次襯砌施作時機。

3.2.2 預留足夠變形量

軟弱圍巖隧道開挖應結合監控量測數據和施工經驗，預留足夠的變形量，避免初期支護侵限造成二次擴挖換拱，不但增加施工安全風險，而且嚴重影響工期，增加施工成本。在圍巖變形非對稱的情況下，可根據實際變形情況及規律調整左右側預留變形量，對應變形較小一側預留變形量適當減小，變形大一側預留變形量增加。

3.2.3 加強剛性鎖腳錨管的施作

鎖腳錨管打設高度不得超過鋼拱架拱腳50 cm，并外露20 cm，便于與連接鋼板焊接。縱向連接工字鋼和鋼拱架之間、連接鋼板和鎖腳錨管之間的連接必須滿焊，保證焊接質量滿足設計及規范要求。鉆孔要從連接工字鋼預留孔鉆入，保證打設角度15～30°，鉆孔深度必須滿足要求，鉆孔結束后及時采用風動鑿巖機將管體送入孔內，并填塞錨固劑。

3.3 注意事項

（1）掌子面開挖后，應及時向掌子面裸露的圍巖噴射混凝土，以減少圍巖的裸露時間，避免圍巖的風化和松動。

（2）做好洞內防排水措施，在隧道開挖后，圍巖表面滲水量較大的部位，先找準出水點，鉆10～50 cm深集水孔，孔內插入導水管，然后在該滲水區域，圍繞導水管，噴射混凝土。完成初期支護后出現滲水，及時在初期支護表面滲水區域打設Φ42小導管（50～100 cm），并采用防水板制作成“Ω”型引排。

（3）圍巖松散破碎的情況下，保證掌子面穩定至關重要。應控制開挖進尺（每循環以不超過兩榀為宜），加強超前支護措施，保證超前支護施作質量，并盡可能地預留核心土，對掌子面起到支撐作用，防止掌子面擠壓變形發生坍塌。

（4）開挖后盡快施加鋼拱架、錨桿、鋼筋網和噴射混凝土聯合支護，應盡量提高初支的剛度和強度，特別是初期支護之間的緊密連接，使其形成整體性的初期支護。同時，二襯能提供強大的支護阻力，為圍巖提供很大的圍壓，且2倍洞徑內施加二襯更有效，因此在條件允許的情況下應盡早施作二襯。

（5）軟弱偏壓大變形隧道施工質量控制主要利用監控量測手段監控和指導施工，確保支護參數的合理性。支護完成后，緊跟初期支護布設監控量測斷面，及時了解圍巖變化情況，為后續施工提供數據。

（6）軟弱大變形隧道施工過程中的安全隱患重點在掌子面出現滲水后圍巖發生變形，嚴重影響開挖和支護施工。已支護段初期支護出現裂損、鋼拱架扭曲失效、鋼架剪斷等病害，需采取初支加固過程的施工以及初支侵限需二次擴挖換拱施工。

4 結語

該工法是對四川公路橋梁建設集團有限公司峨眉至漢源高速公路2標段14分部隧道施工技術實踐應用的總結。該工法采用“組合支護”技術，能有效控制隧道軟弱偏壓大變形。實踐證明，該工法安全可靠，操作簡單，確保了施工質量，加快了施工進度，有效保障了施工安全，具有廣闊的應用前景，社會效益和經濟效益突出。

參考文獻

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