軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工技術及應用

林航

（核工業華東建設工程集團有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

隨著城市化建設進程不斷加快，交通基礎設施得到進一步完善，公路規模也逐漸復雜化。其中，隧道工程施工是公路施工中的重點和難點。隧道工程施工受地質因素影響較大，其中軟弱圍巖大斷面開挖施工的難度和危險系數更高。因此，施工前需要掌握軟弱圍巖地質的特征，了解大斷面隧道開挖支護施工技術的相關要求，并制訂高可行性施工方案，以推動后續施工的有序開展。

1 工程概況

以海滄疏港通道工程C 標段施工為例，系統化分析和研究開挖支護施工技術和具體施工方法。工程基本情況如下：施工路線長度為1.625km，包含互通隧道、道路土建工程項目。C 匝道設計為兩車道分離式隧道，設計速度為40km/h，隧道單洞限界10.5m，行車高度界限5m，結構設計安全等級為一級。C 匝道工程開挖方法包含短臺階法、長臺階法、全斷面法等，并采用超前錨桿支護方法。通過實地勘察和查閱相關資料可知，施工地點位于低山丘陵地帶，最高點海拔322.83m，隧道段地表水較為豐富，地下水依據水理性質、特征可分為孔隙裂隙水、基巖裂隙水。

2 工程施工風險

施工單位經過詳細研究招標文件與實地考察后，發現該工程施工存在一些重大挑戰，如構建大斷面、開挖支護施工質量控制等都具有一定的難度，同時隧道工程存在大量交叉作業內容，且作業空間有限，對施工組織的順利推進構成了挑戰。此外，由于該工程作業地點附近分布著大小不一的采石坑，隧道出口段極有可能發生地質災害。如果隧道圍巖拱頂穩定性較差，可能會增加施工事故的發生率。此外，隧道中段施工會穿越花崗巖地層，該地層巖體嚴重破碎，加之受地下水影響，使得施工風險性顯著提升。

為有效應對上述工程問題，提高軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工技術的運用效果，必須加強對前期測量工作的重視。具體包括標定測量儀器、導線點閉合控制等工作，并編制完整的超前支護地質勘探報告，為開挖支護作業提供可靠的資料。另外，在大斷面隧道施工過程中應采用雙側壁導坑開挖法，設計完整的初期支護方案，并根據工程任務量嚴格控制隧道爆破炸藥使用量[1]。

3 隧道開挖支護施工方案

由于隧道被花崗巖全面覆蓋，圍巖等級為Ⅱ～Ⅳ級，巖質堅硬，可優先采用光面爆破方法。根據工程項目設計文件，選用全斷面法、雙側壁導坑法、CD 法等開挖方式。在隧道爆破作業方面，應委派專人對圍巖基本情況進行動態化監測，并結合圍巖狀態變化特征，針對性地制訂和選擇施工方法[2]。

在隧道支護階段，應增設錨、網、噴初支系統，并利用超前小導管、錨桿支護系統進行超前支護作業。對于框架支撐，可以選擇型鋼鋼架、格柵鋼架。C 匝道施工噴射C25 普通混凝土。

隧道開挖支護施工流程如下：先進行交叉口段支護，利用高精度儀器測量，再按照施工圖紙開挖洞身，之后進行初期支護。其中初期支護作業流程為：開挖洞身并排險—噴射混凝土—鋼筋網施工—超前支護—錨桿作業—檢查并驗收工程質量—混凝土噴射—完成隧道開挖支護。若遇到特殊情況，可根據施工現場情況調整初支施工順序，設計局部注漿段。此外，進行隧道二襯混凝土施工時，應在拌和站集中拌制混凝土，利用6～8m3混凝土攪拌車進行運輸。

4 軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工方法

4.1 超前支護施工技術要點

現階段，在軟弱圍巖大斷面隧道開挖支護施工過程中，超前大管棚、超前小導管支護方式的運用較為廣泛。

超前大管棚支護方式適用于斷層破碎、洞口堆積等工程，施工時選擇長度在10～100m 之間、直徑在7～75.9cm 之間的鋼管，具體規格可根據工程實際情況選定。基于軟弱圍巖的特性，施工過程中必須掌握超前大管棚支護技術的要點，并設置循環管道及管棚作業區域。然而，隨著隧道大斷面的增加，開挖難度會大幅提升，若采用擴挖斷面方法，會增加工程資金投入和任務量[3]。為解決以上施工難點，應根據工程基本情況，采用無工作間管棚技術，正確操作頂進器。

運用超前小導管技術時，支撐設備的設置是關鍵。此外，施工人員需參考相關標準和規定，科學配比漿液，并重點觀察漿液初凝時間。在注漿期間，施工人員需持續攪拌漿液，以避免漿液沉淀，再由專業技術人員檢查泵機狀態。施工中要求砂漿標號超過M20，并進行配合比試驗，參考試驗結果調整配合比和注漿壓力，其中泥漿壓力應在0.5～1MPa 之間。超前小導管施工工藝如圖1 所示。

圖1 超前小導管施工工藝

進行超前小導管施工時，技術人員要嚴格遵守工程控制標準，合理控制工藝參數。在材料方面，應優先選用無縫鋼管，并將雙側布置成梅花形；超前管棚應選擇10m 鋼管，最佳搭接長度為200cm；漿液應選擇純凈水泥砂漿。鋼管直徑、壁厚匹配如表1 所示。

表1 鋼管直徑、壁厚匹配表

在前期準備階段，需按照設計標準精準標注循環小導管孔位，再利用風鉆進行鉆孔作業。之后將小導管送入孔內并穿過鋼架，在鋼管尾部漏出適宜長度，以滿足鋼架焊接作業要求。另外，超前小導管插入和孔口密封處理也是重點。應利用特殊頂頭將小導管頂進，頂進長度不超過管長的90%。之后將膠泥麻筋經纏箍后堵塞在末端管口。

進行頂進作業時，應保證管口不變形，以免影響焊接質量。進行注漿作業前，要仔細檢查導管密封性，防止后期漏漿。進行注漿作業時，需將管棚注漿水灰比控制在0.6～1 左右，并加入適量氯化鈣。達到終壓15min 后且進漿量未達到終量，即可停止注漿。此時應立刻封堵管口，避免漿液倒流。相關參數計算公式如下：

漿液擴散半徑計算：

單根導管注漿量計算：

總注漿量計算：

式（1）～式（3）中：L0為導管中心間距；n 為圍巖空隙率；l 為導管長度；A 為注漿范圍巖層體積；a 為漿液填充系數；β 為注漿材料損耗系數。

4.2 交叉口加強段施工

根據相關資料可知，工程C 匝道圍巖等級為Ⅱ級，故支護結構采用ZD4 型襯砌類型，并采用全斷面控制爆破方式，其中具體預留變形量根據實際情況確定，以保證不影響結構厚度和內部空間為準。隧道洞內交叉結構受力復雜，需要采取合理措施加固圍巖，將托梁作為載體進行鋼架支頂作業，以打造安全的施工環境。另外，進行交叉口加強段襯砌類型支護施工時，C 匝道開挖作業需在橫洞支護穩定后開展，并增設豎向支撐和橫梁。支護成型且處于封閉狀態后，按照全斷面開挖方案內容完成后續作業[4]。

4.3 ZD4 型襯砌斷面施工

進行大斷面隧道開挖支護施工時，需深入分析隧道作業地點和圍巖特征，確定混凝土噴射厚度等參數，制訂完整的支護施工方案。采用超前支護技術時，混凝土噴射厚度應為20cm，并采用長度為3.5m的中空注漿超前錨桿，鋼筋網規格為φ6.5，環縱向間距1m×1m，縱向間距100cm。進行ZD4 型襯砌斷面設計時，采用臺階法作業方式，臺階長度控制在1～5B之間，其中B 為洞寬。具體施工流程如下：測量放線—超前錨桿注漿、提前支護—上下臺階開挖支護施工—鋪設底部澆筑—展開二次襯砌。

施工期間，上臺階每循環進尺大于2m，下臺階每循環大于1.5m，左右側開挖支護間隔距離應為2～3m。上臺階拱架拱腳采用墊木，下設鋼墊板的臨時支撐，下臺階開挖后，及時將拱架連接，以便及時封閉受力。另外，依據軟弱圍巖監控測量結果，調整和優化開挖預留變形量，修正支護參數，確保洞室的安全性和穩定性。鋪設鋼筋網時，需依據巖層特征，適當調整鋪設方向和具體位置，并通過焊接方式連接格柵鋼架鋼筋，以提高連接的牢固性。

4.4 臺階法開挖技術

參考C 標段圍巖特征與具體設計標準，采用隧道臺階法開挖施工技術時，下臺階兩側開挖深度應大于10m，還應嚴格管控臺階長度，并將其分成三種類型，具體為：微臺階，長度3～5m；長臺階，長度≥50m；短臺階，長度5～50m。

通過勘察隧道內地質環境、斷面大小、施工設備儲備情況等，可將微臺階長度控制在2.5m。搭設上臺階鋼拱架時，為防止初期支護變形，應采取擴大鎖腳錨管、拱腳等方式[5]。上臺階混凝土噴射強度超過設計強度70%，才可展開下臺階開挖作業，且施工過程中需觀察其他結構的穩定情況。若巖體處于不穩定狀態，應適當減小進尺長度，或者分開進行臺階兩側挖設作業。下臺階作業階段，初支鋼架應處于順接平直狀態，并確保螺栓連接牢固緊密。另外，隧道開挖施工時，應根據現有工程資料，利用相關公式計算隧道開挖方量，針對性地制訂施工方案，以避免出現重大安全事故。相關計算公式如下：

梁段計算：

彎道計算：

T 形交叉計算：

式（4）～式（6）中：V 為開挖方量；L 為梁段長度；b 為基線寬 度；σ 為開挖 斷面積；θ 為角度；R1 和R2 為半徑。

4.5 雙側壁導坑法施工技術

該工程C 匝道大斷面隧道施工采取雙側壁導坑法施工技術，先分別開挖隧道兩側導坑，再展開初期支護，隨后分別開挖其他位置。施工期間，施工人員可根據圍巖變化情況調整雙側壁導坑施工內容。對Ⅳ～Ⅴ級圍巖設置臨時支撐體系時，隨著施工的不斷深入，導坑逐漸變成完全封閉狀態；Ⅱ～Ⅲ級圍巖，參照仰拱回填面，通過臨時支撐設施使導坑與回填面高度一致。施工作業流程如下：施工前期準備—量測隧道地質—拱部超前支護，按順序完成注漿作業—側壁、中槽超前小導管支護，分別從兩側入手挖出導坑，初次噴射混凝土—拆除臨時支撐設施—支護表面處理—拱墻復合襯砌[6]。

此環節施工重點如下：第一，開挖作業前應檢查隧道排水情況，挖設符合要求的排水溝，確保積水能夠快速排出。第二，進行排水溝鋪砌抹面施工，避免鋼支撐體系嚴重軟化。第三，重視測量、監控工作，技術人員應實時掌握圍巖狀態，根據監測數據和測量數據，不斷優化支護參數，適當調整工程施工方案，具體監測內容如表2 所示。第四，進行圍巖開挖作業時，應優先采用無爆破作業方法，靈活運用人力資源和機械設備，充分保證地層的穩定性。

5 結語

隨著時代的快速發展，隧道工程規模不斷擴大，其中軟弱圍巖大斷面隧道工程開挖支護難度高，因此需要施工團隊深度解讀工程資料，利用現代化儀器設備勘察工程地點，了解工程施工主要影響因素。同時，應立足工程基本情況，選擇合適的支護方式和開挖方法，如臺階法、雙側壁導坑法等，以進一步強化軟弱圍巖的承載能力，為后續施工提供堅實的保障。