軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)施工研究

李道紅、楊志剛

（新疆路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

由于地質(zhì)環(huán)境和地形地貌的復(fù)雜性以及設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平的限制，隧道工程建設(shè)過(guò)程中所面臨的問(wèn)題也日益突出。其中，軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高是當(dāng)前亟待解決的難題。因此，對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行深入探究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)的原則

在軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)施工中，需要秉持一定的基本原則，以取得更理想的施工效果。具體來(lái)說(shuō)，需要遵循以下原則。

1.1 充分發(fā)揮圍巖自承能力

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)盡可能減少對(duì)周?chē)鷰r石體的擾動(dòng)和破壞，同時(shí)保證其能夠承受來(lái)自外部環(huán)境的各種力量，確保整個(gè)工程項(xiàng)目可以順利地向前推進(jìn)。因此，在實(shí)際的隧道開(kāi)挖過(guò)程中，必須采取相應(yīng)的措施來(lái)加強(qiáng)對(duì)周?chē)鷰r石體的加固處理，并合理利用圍巖自身的承載力，以達(dá)到更好的效果。

1.2 堅(jiān)持“早進(jìn)晚出”的基本原則

由于軟弱圍巖具有穩(wěn)定性較差和強(qiáng)度較低等方面的特點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)的爆破方法或者其他方式進(jìn)行施工，很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。為了有效避免這些問(wèn)題的發(fā)生，應(yīng)該遵循“早進(jìn)晚出”這一基本原則。早進(jìn)晚出原則，在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）和《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）中都有提及，主要是對(duì)洞口位置施工提出的要求，指出隧道洞口段圍巖一般較為破碎、地質(zhì)條件差，要保持早進(jìn)晚出，減少對(duì)洞口段巖體的擾動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，要延長(zhǎng)洞口和隧道的長(zhǎng)度，在接近山體之前開(kāi)挖隧道洞口，實(shí)現(xiàn)“早進(jìn)”；在隧道離開(kāi)山體后再設(shè)置出洞口，實(shí)現(xiàn)“晚出”。歸納起來(lái)即為“未到山體之前先進(jìn)洞，盡量遠(yuǎn)離山體后再出洞”。

1.3 重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地質(zhì)情況十分重要。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象，如斷層、溶洞等，從而提前制訂相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，做好相關(guān)防護(hù)措施，避免安全事故。另外，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)也有助于優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)更加科學(xué)、合理，進(jìn)一步提升整個(gè)工程項(xiàng)目的安全性[1]。

2 軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)

進(jìn)行隧道工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)，需要綜合考慮地質(zhì)環(huán)境、地形地貌等因素。其中，軟弱圍巖是一種常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，其穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)致隧道出現(xiàn)坍塌、變形等問(wèn)題。為了保證隧道工程的安全可靠運(yùn)行，必須采取科學(xué)合理的措施加強(qiáng)隧道開(kāi)挖支護(hù)工作。

在軟弱圍巖隧道建設(shè)過(guò)程中，為了保證其安全性和穩(wěn)定性，需要采用合適的支護(hù)方式。目前常用的支護(hù)方式主要包括超前支護(hù)、初期支護(hù)以及二次襯砌。其中，超前支護(hù)是指對(duì)隧道前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)并采取相應(yīng)措施來(lái)確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。初期支護(hù)是針對(duì)已經(jīng)成型但還未承受荷載作用的隧道結(jié)構(gòu)，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼筋網(wǎng)片等材料提高其承載能力。二次襯砌是在一次襯砌之后再添加一定厚度的混凝土形成的永久結(jié)構(gòu)體，可以有效地防止隧道出現(xiàn)變形或者裂縫等問(wèn)題。

由于不同類(lèi)型的隧道所適用的支護(hù)方式不同，因此需要結(jié)合工程的具體情況，以及工程環(huán)境的特點(diǎn)，如地質(zhì)構(gòu)造、地下水位等因素進(jìn)行判斷，進(jìn)而選擇最適宜的支護(hù)方式[2]。

2.1 超前支護(hù)技術(shù)

在軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于其地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜、巖石松散等原因，可能會(huì)出現(xiàn)坍塌事故。而使用超前支護(hù)技術(shù)，可以有效提高隧道結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，避免坍塌事故。目前常用的超前支護(hù)技術(shù)主要包括管棚法、小導(dǎo)管法以及大管棚法等。其中，管棚法是最常見(jiàn)的一種方法，具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 初期支護(hù)技術(shù)

在軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖過(guò)程中，通常會(huì)采用初期支護(hù)技術(shù)來(lái)確保隧道結(jié)構(gòu)體的安全性。初期支護(hù)技術(shù)主要包括錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)以及鋼拱架支護(hù)等。其中，錨桿支護(hù)是應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，不僅具有支護(hù)效果好、適用范圍廣等特點(diǎn)，還可以大大降低工程造價(jià)。

2.3 二次襯砌技術(shù)

除了初期支護(hù)，軟弱圍巖隧道的開(kāi)挖還會(huì)涉及二次襯砌技術(shù)。二次襯砌技術(shù)主要用于解決隧道后期可能產(chǎn)生的沉降、裂縫等問(wèn)題。與一次襯砌相比，二次襯砌更注重防水性能和耐久性，對(duì)施工質(zhì)量的要求也更高。

2.4 超前預(yù)加固法

超前預(yù)加固法是指通過(guò)對(duì)掌子面前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行分析和研究，采取相應(yīng)措施提前加固地層，為后續(xù)工作提供必要的支撐力和保障。這種方法可以大大提高隧道開(kāi)挖后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，從而保證整個(gè)隧道工程的安全性和可靠性。

2.5 短臺(tái)階留核心土法

短臺(tái)階留核心土法適用于斷面較大、埋深較淺且地下水位不高的隧道。其基本原理如下：首先，將上臺(tái)階部分開(kāi)挖至設(shè)計(jì)要求的位置；其次，按照設(shè)計(jì)要求修筑拱部襯砌結(jié)構(gòu)；最后，逐段向下開(kāi)挖并及時(shí)封閉成環(huán)。該方法具有施工簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些缺點(diǎn)，如初期支護(hù)變形大、沉降量難以控制等。

2.6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種較為先進(jìn)的隧道開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)，它不僅可以大幅度減小隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境造成的影響，還可以更好地控制隧道的變形量。施工時(shí)先將左右兩側(cè)的隧道分別開(kāi)挖成形，待達(dá)到設(shè)計(jì)要求的位置，再將中間部分的隧道分成若干個(gè)小洞室進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有施工速度快、效率高、質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)[3]。

2.7 環(huán)形開(kāi)挖留核心土法

環(huán)形開(kāi)挖留核心土法與上述幾種方法相比，雖然比較傳統(tǒng)，但其效果卻非常顯著。其基本原理是先將隧道整體沿縱向分為多個(gè)環(huán)形區(qū)域，然后在每個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)。環(huán)形開(kāi)挖留核心土法不僅可以很好地控制隧道的變形量，還可以降低工程成本，因此被廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型的隧道工程。

總的來(lái)說(shuō)，在軟弱圍巖隧道施工中，應(yīng)針對(duì)不同類(lèi)型的軟弱圍巖地質(zhì)條件，選擇合適的支護(hù)方式進(jìn)行開(kāi)挖。例如，當(dāng)遇到破碎帶較多、節(jié)理裂隙發(fā)育較為嚴(yán)重的情況時(shí)，應(yīng)采用更加牢固的支護(hù)方式，如鋼拱架+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)形式。當(dāng)面臨軟土層較厚、地下水位較高等不利因素時(shí)，則應(yīng)加強(qiáng)排水固結(jié)措施，并適當(dāng)增加仰拱長(zhǎng)度，以確保結(jié)構(gòu)整體安全可靠。

各種支護(hù)方式不是孤立存在的，它們往往會(huì)相互結(jié)合使用，形成一個(gè)完整的支護(hù)體系，共同承擔(dān)荷載作用。因此，在確定支護(hù)方案時(shí)應(yīng)綜合考慮各個(gè)方面的因素，力求做到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)施工的控制

進(jìn)行軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖和支護(hù)時(shí)，需要采用一系列合理有效的措施來(lái)保證工程的安全性[4]。其中最為重要的是要對(duì)圍巖的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

軟弱圍巖隧道的施工過(guò)程中，由于其地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，因此必須通過(guò)先進(jìn)的手段對(duì)前方的地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。這就要求在實(shí)際操作中，充分利用各種探測(cè)設(shè)備對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行全方位、多角度的觀測(cè)，以便更好地指導(dǎo)后續(xù)的施工作業(yè)。同時(shí)，針對(duì)不同的地質(zhì)情況，需要制訂出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

例如，在遇到斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，可以采用預(yù)留核心土法或短臺(tái)階法等方法進(jìn)行處理；遇到軟土地質(zhì)時(shí)則需采用加固注漿等措施進(jìn)行處治。

3.2 復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)體系

隨著科技水平的不斷提高，越來(lái)越多的新型材料被應(yīng)用到隧道建設(shè)領(lǐng)域，包括鋼筋混凝土管片、鋼拱架以及錨桿等。這些材料不僅具有較高的強(qiáng)度和剛度，而且能夠很好地適應(yīng)不同地質(zhì)環(huán)境的需求，使隧道整體的穩(wěn)定性能得到大幅提升。使用這些材料時(shí)，一定要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝和固定，否則可能會(huì)影響隧道的受力狀態(tài)和使用壽命。

3.3 軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)施工監(jiān)測(cè)

進(jìn)行軟弱圍巖隧道的開(kāi)挖和支護(hù)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施加以解決，從而保證工程的安全性。

3.3.1 監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容及方法

在軟弱圍巖隧道工程中，監(jiān)控量測(cè)是一項(xiàng)非常重要的工作，能夠?yàn)楹罄m(xù)的施工提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，保證隧道工程的安全和穩(wěn)定性。監(jiān)控量測(cè)主要包括地表沉降、洞內(nèi)位移、鋼拱架應(yīng)力等多個(gè)項(xiàng)目。其中，地表沉降是最基本也是最容易獲取的監(jiān)控量測(cè)指標(biāo)之一。而洞內(nèi)位移則需要采用專(zhuān)業(yè)的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)。

3.3.2 監(jiān)控量測(cè)頻率與控制標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行軟弱圍巖隧道的監(jiān)控量測(cè)時(shí)，應(yīng)該按照一定的頻次和要求進(jìn)行操作，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)斷面或部位的變形速率都不應(yīng)超過(guò)0.2mm/d，否則需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度或者改變支護(hù)方式。同時(shí)，應(yīng)該根據(jù)不同的圍巖類(lèi)型制訂相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，以確保施工安全。針對(duì)不同類(lèi)型的圍巖，應(yīng)該采取不同的支護(hù)方式。例如，當(dāng)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)時(shí)，應(yīng)該采用加強(qiáng)襯砌等手段進(jìn)行支護(hù)；當(dāng)圍巖等級(jí)為V 級(jí)時(shí)，則必須立即停止施工，并進(jìn)行加固處理。

3.3.3 監(jiān)控量測(cè)成果分析

完成一次完整的監(jiān)控量測(cè)后，應(yīng)該對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，以便更好地了解隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其變化規(guī)律，并為后續(xù)的決策和管理提供可靠的依據(jù)。應(yīng)該先計(jì)算出各個(gè)參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)量，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析和比較。然后，可以繪制出圖表，如水平位移曲線(xiàn)圖、豎向位移曲線(xiàn)圖、鋼拱架應(yīng)力分布圖等，以直觀地展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和分布情況。

3.4 其他輔助措施

除了上述提到的主要內(nèi)容，在軟弱圍巖隧道工程中還需要采取一些輔助措施，以保證工程的順利進(jìn)行和施工安全。例如，進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮周邊建筑物的保護(hù)問(wèn)題，盡可能減少對(duì)周?chē)用裆詈蜕a(chǎn)所造成的不利影響。另外，在通風(fēng)排水系統(tǒng)的設(shè)置上，應(yīng)該結(jié)合具體情況進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，確保風(fēng)流暢通，防止積水過(guò)多導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題。

4 軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖支護(hù)施工的質(zhì)量把控

在軟弱圍巖條件下隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中，需要對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面入手。

4.1 做好地質(zhì)勘探工作

進(jìn)行隧道開(kāi)挖前，對(duì)掌子面及周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的勘探和分析是非常重要的。通過(guò)勘探和分析，可以了解地下水、巖石性質(zhì)等相關(guān)信息，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 優(yōu)化開(kāi)挖方案

針對(duì)不同類(lèi)型的軟土地質(zhì)，需要采用不同的開(kāi)挖方法和支護(hù)方式。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)遇到較硬的砂土?xí)r，可以采用爆破或機(jī)械化掘進(jìn)的方式，以提高開(kāi)挖效率和質(zhì)量；面對(duì)較為松散且含水量較大的土壤時(shí)，則需要采取降水措施或排干水分后再挖掘[5]。

4.3 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

在隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄是非常重要的。通過(guò)監(jiān)測(cè)和記錄，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能影響施工安全及質(zhì)量的問(wèn)題。同時(shí)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)評(píng)估施工效果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，以便及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)施工工藝和技術(shù)手段。

4.4 注重施工人員培訓(xùn)

施工人員的技術(shù)水平對(duì)隧道開(kāi)挖和支護(hù)施工質(zhì)量有重要影響。因此，必須重視對(duì)施工人員的技能培訓(xùn)和素質(zhì)提升。通過(guò)技能培訓(xùn)和素質(zhì)提升，可以提高施工人員的專(zhuān)業(yè)水平和責(zé)任意識(shí)，使之能夠熟練掌握操作技巧和應(yīng)急處置能力，保證施工過(guò)程的高效性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及交通需求的增加，隧道工程數(shù)量不斷增加。然而，由于我國(guó)地質(zhì)情況復(fù)雜多樣，軟土地區(qū)隧道建設(shè)面臨很多困難與挑戰(zhàn)。在軟弱圍巖隧道的施工過(guò)程中，技術(shù)選擇和施工質(zhì)量管控尤為重要。因此。施工單位需要充分認(rèn)識(shí)到其中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，制訂科學(xué)合理的施工方案，從而提高整個(gè)工程的質(zhì)量和效益。