軟弱圍巖公路隧道開挖支護施工過程研究

谷廣來

摘 要：公路隧道在穿過軟弱圍巖地帶時更容易發生變形失穩破壞等現象。因此，選擇合理的開挖支護工法，對隧道施工時的安全性以及圍巖的支護控制效果都具有重要意義。以某公路工程項目隧道施工為例，介紹該隧道軟弱圍巖變形機理以及表現形式，分別為變質巖、松散泥巖、砂質巖泥。從施工準備、圍巖加固、初期支護、二襯支護等方面入手，分析軟弱圍巖變形控制施工技術的應用。實踐工程案例表明，加強軟弱圍巖變形控制，改進施工技術，可提高變形控制效果。

關鍵詞：軟弱圍巖；變形控制；公路隧道；初期支護；超前管棚

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）10-0014-03

0 引言

隨著高速公路網絡向地質條件復雜的地區轉移相關的隧道工程，在實際施工中可能會產生變形問題，影響工程質量，還會威脅工作人員的生命安全。在隧道工程的建設中，要根據工程的具體情況，對施工工藝和管理方法進行科學的選擇，還要對施工人員的整體素質進行全面的提升，以防止在公路上出現軟弱圍巖的變形問題，優化整體施工效果，為社會經濟發展奠定堅實的基礎[1]。

1 工程案例

某公路工程項目隧道為軟弱圍巖，主要包括變質巖、松散泥巖、砂質巖泥等。該公路項目所在地區雨季持續降雨，容易導致淺埋段受到地表水的嚴重影響。不僅如此，隧道內圍巖滲水流量處于不穩定狀態，無法開展相應的防水操作。觀察發現，該軟弱圍巖遇水后，容易發生液化變形，且隧道區域內地質構造比較復雜。該工程項目隧道情況見表1。

2 軟弱圍巖變形機理及表現形式

2.1 變質巖

該公路工程隧道千枚巖表現為灰黑色，巖體較為松軟，而且力學性能比較差。隧道開挖容易使巖體出現較大程度上的擾動，尤其是臨空面擾動幅度更大，此種狀況下可能導致圍巖發生變形，并且變形是在初支施工后。根據該工程情況，經過研判，認為巖體變形過程為：蠕變→突變→垮塌。

2.2 松散泥巖

總結隧道工程施工經驗發現，對于松散軟弱圍巖來說，其結構力學比較差，并且與變質巖相同，隧道開挖掘進，也會對其造成嚴重影響。基本表現為隧道圍巖結構可能會發生移動現象，造成隧道洞壁形成臨空面[2]。而隧道支護作業之前軟巖臨空面可能產生擾動、變形，造成隧道坍塌變形等。

2.3 砂質巖泥

地質勘察結果顯示，該公路工程項目隧道富水段分布中風化-強風化砂質泥巖。在隧道洞身開挖后，觀察滲水方向集中流向水壓力比較小的臨空面，并且形成水通道。在這種情況下，砂質泥巖逐漸發生軟化、液化反應，導致圍巖力學性能顯著降低，造成隧道臨空面發生收斂性變形。如果不對變形進行有效控制，很有可能導致隧道直接坍塌。

3 軟弱圍巖變形控制技術的應用

3.1 施工準備

隧道項目作業階段，需要對軟弱圍巖結構變形進行嚴格控制，應提前結合項目實際做好各項準備工作，采取一系列有效措施加固圍巖，并及時組織相關人員開展超前支護。對該隧道周圍圍巖特點進行詳細分析，根據實際情況正確開挖方式，最大程度降低隧道開挖掘進時對圍巖的擾動，減少軟弱圍巖損傷[3-5]。

在隧道施工前，充分利用TSP、超前地質預報，結合開挖面情況，對軟弱圍巖相鄰段落地質特點進行分析，并結合分析結果，指定軟弱圍巖加固方式，明確支護具體施工方法。為進一步保證施工安全性和穩定性，在開展軟弱圍巖處理時，開展全過程動態管理，加強施工管理，并且密切監控軟弱圍巖變形情況，以此來確定支護形式。根據施工現場情況，對軟弱圍巖特性進行總結，將總結結果與圍巖變形監測記錄一并反饋給設計單位，及時對施工設計參數以及施工方案進行科學調整。

3.2 圍巖加固

針對軟弱圍巖變形控制，其要點在于切實提升軟弱圍巖自支護能力，并采取必要保護和加固措施，對軟弱圍巖的軟化、液化、變形等進行控制。該工程項目在開展施工過程中，結合隧道圍巖特性，對開挖工藝進行選擇。

根據現實情況，重點選用三臺階預留核心土工法。隧道開挖進尺為一榀鋼架間隔距離，臺階長度控制在洞跨的1.0～1.5倍，若是臺階長度設計比較短，則可能無法保證其力學性能符合規定基本要求，從而造成上臺階圍巖與掌子面出現變形等問題[6-8]。預留的核心土面積不能低于開挖面積1/2。通過“人工+機械設備”的方式完成隧道開挖作業，以降低爆破開挖施工對圍堰結構造成的擾動。

待開挖至地質條件相對較差的位置，需要結合實際情況采取科學、可行的加固處理措施，通常選擇大管棚或是小導管技術完成公布超前支護處理。在進行軟弱圍巖加固時，采用多種加固方式，進一步控制軟弱圍巖塑性變形，包括全斷面深孔注漿、超前管棚注漿、超前小導管注漿等。超前管棚注漿加固施工如圖1所示。

3.3 初期支護

施工發現，該工程圍巖、初支局部收斂變形比超過規定范圍，結合局部軟弱圍巖狀況，如果加強初期支護的整體強度，可能對施工進度造成影響，并且增加施工成本投入。為此，根據該工程實際情況，選擇局部補強措施，嚴格控制局部變形問題的出現。在力學性能表現比較差的圍巖位置預留適宜的變形量，盡可能避免圍巖結構初期支護出現變形侵線問題。軟弱圍巖結構經過加固處理之后，也可能會發生沉降等現象，導致整體結構依然有變形的可能。發生以上問題的根本原因為初期支護剛度比較低，整體受力不均勻。針對上述情況，該工程采用以下3項措施進行輔助處理。

3.3.1 強化支護剛度

為避免隧道軟弱圍巖發生變形，保證初期支護剛度是關鍵措施，不僅能夠控制變形，還能加強結構穩定性[9]。此項目采用降低鋼架間距、提升初期支護厚度以及選用大支護鋼架型號等措施，以顯著提升初期支護整體剛度。

3.3.2 優化鎖腳錨固

合理提升鎖腳小導管長度，使初支錨固系統可以穿越軟弱圍巖，與穩定圍巖進行錨固。此項目中增加了鎖腳小導管長度，也增加了小導管使用數量，把原有的小導管更換成鋼花管，其直徑φ為80 mm，并針對薄弱環節和注漿作業采取一系列的質量控制措施。

3.3.3 擴大拱腳

增加拱架支撐點和面積，分散拱壓力，保證初期支護整體受力均勻，盡量避免支護沉降。擴大拱腳時應保證拱腳本身的強度，如果擴大拱腳造成支護結構受力破壞，則無法發揮其作用。

3.4 二襯支護

一般情況下，軟弱圍巖經加固、初期支護后，在二襯時無需再進行補強。該工程施工時，考慮到軟弱圍巖二襯施工需要緊跟上一個施工環節，時間上存在不足，在無法判斷軟弱圍巖和初期支護總體效果的情況下，決定采取加強二襯支護對強度的措施，從而進一步強化整體結構的安全性。

3.5 解決軟弱圍巖變形的常見措施

3.5.1 發揮信息化施工的作用

超前地質預報+監控量測是目前公路工程隧道項目建設中比較常見的信息化施工措施。通過對超前地質預報的合理利用，有利于提前對圍巖的具體變化情況進行反饋和處理，以此來保證圍巖變更處理效果的強化。如果隧道正經歷斷層的破碎帶，在斷層的破碎帶之前，及時采取針對性的措施進行圍巖預加固處理，以避免圍巖出現變形問題。以監控量測的方式，可以對施工過程中的實際情況進行客觀合理的評價和分析，主要是針對洞內外進行觀察，以實時的監測數據為基礎，對圍巖的具體變形情況進行反饋。

3.5.2 適當增加預留變形量

在設計階段，必須要對地質情況進行客觀合理的分析和判斷，尤其是在施工環節，要對圍巖的設計以及具體開挖情況進行對比分析，加強對監控量測的重視程度，對拱頂的下沉以及圍巖內部位移等情況進行處理。結合實際情況，對其進行適當的調整和優化，保證初期的支護預留變形量得到提升，避免由于侵限的影響而導致初期支護拆除。

3.5.3 支護參數的合理設置

針對具有軟弱性特征的變形圍巖地段來說，在針對隧道支護處理時，要以抗為主，禁止使用先放后抗的方式。處理變形問題時，必須要保證型鋼支護結構的剛度強度達到標準要求，尤其是在短時間范圍內可以逐漸形成相對比較高的承載力，對于比較大的圍巖應力也可以起到有效的預防效果。對圍巖進行小導管或者是中空注漿處理時，對各種不同類型的措施進行合理選擇和利用，可以起到良好的加固處理效果。

對于淺埋的隧道來說，需要對地表注漿加固措施進行合理利用，促使破碎的圍巖固結成塊，還可以改善圍巖自身的物理力學性質，提升圍巖自身的強度，強化其承載力以及穩定性，更為重要的是可以將新奧法在其中的應用作用充分發揮出來。

新奧法主要是指對圍巖自身承載力的不斷強化，即針對隧道的掌子面開挖處理之后，圍巖可以實現應力釋放的根本目的，在其出現一系列變形狀態之后，可以維持在平衡狀態，尤其是柔性支護可以為結構的穩定性提供保證。如果隧道處于淺埋或者是軟弱圍巖狀態下，其自身的圍巖承載力過低，很難形成良好的自承載力。所以在初期支護過程中，應當盡量選擇高強度、剛度也比較大的型鋼支護結構，這樣才能夠保證支護效果。

3.5.4 及時變更施工工法

對于多數特長的隧道施工來說，洞口位置處的圍巖相對比較差，對其進行處理時，經常會選擇利用開挖的CD法或者是CRD法進行進洞處理。進洞之后如果經歷了相對比較長的一段地段，就表明該地段的圍巖相對比較良好。所以在具體施工過程中，應使用全斷面或是臺階作業方法，結合項目實際情況，科學設計施工環節。隧道斷層破碎帶位置施工時，需要立足于實際，合理更換施工技術方法。尤其要注意隧道圍巖變形問題，采用建立臨時仰拱方法或預留核心土方法，實現開挖作業段隧道圍巖結構的增強處理。

針對隧道兩側比較大以及水平應力過高等情況，可以根據實際要求，對直型的臨時仰拱進行合理設置。針對下沉或者是軟土地基隧道來說，可以對弧型的臨時仰拱進行合理設置。結合目前提出的要求，對型鋼制作而成的仰拱進行合理設置和利用，避免其在使用時出現彎曲變形等問題，為其使用的穩定性、可靠性提供保證。

4 結束語

公路隧道施工軟弱圍巖區域施工難度大，在施工前要對施工現場地質條件進行詳細調查，結合調查結果對圍巖特征、變形發展進行分析，并對圍巖進行超前加固。在此基礎上，制定更加穩妥的施工方案，完善施工現場管理，加強施工工藝流程的監督，避免擅自更改施工設計方案。

參考文獻

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