泥質粉砂巖隧道軟巖變形段處置關鍵技術研究

蔡明桐

（廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530000）

本文以某高速公路的隧道施工為依托工程，重點研究了泥質粉砂巖隧道在軟巖變形段處置的關鍵技術，通過動態調整隧道施工方法、優化支護方案，增強隧道圍巖的整體穩定，使隧道的監測沉降值得到有效控制，確保隧道軟巖變形段施工的安全性。

1 工程概況

某隧道是高速公路建設過程中穿越山區的在建隧道，隧道設計最大埋深約為200m，頂部存在沖溝，為分離式隧道。該隧道圍巖主要為泥質粉砂巖和砂巖，中風化泥質粉砂巖屬于軟巖，中風化砂巖及微風化泥質粉砂巖屬較軟巖，呈中～厚層狀構造，節理裂隙發育，巖體較破碎。

2 隧道施工過程分析

1.地質條件分析。風化砂巖在地表長時間暴露時，經過風化及水、光照等環境因素長期影響下，黏土成分的增加將導致巖體的整體強度下降。項目主要選取了隧道3 倍洞徑范圍內采取的巖石試樣進行室內飽和單軸抗壓強度試驗（表1），試驗結果表明所處地區圍巖的軟化系數較小、耐水性差，浸水容易軟化崩解，容易發生變形問題[1-2]。砂巖的顆粒組成不同，強度也隨之不同，砂巖的壓縮模量在天然狀態下和飽和狀態下都比較高，隨著含水量升高而逐漸降低[3-4]。

表1 室內巖石單軸飽和抗壓強度試驗成果表

隧道出現圍巖大變形的原因主要為：一是巖體中存在滲流或圍巖開挖后遇水，圍巖發生體積膨脹將使已開挖洞室發生較大的變形；二是隧道在復雜地應力作用下發生較大的擠壓變形，隧道開挖后由于應力重新分布，迫使巖體向著已開挖空間移動，從而使隧道出現圍巖大變形。

2.監控量測分析。隧道軟巖變形段施工將拱頂下沉和周邊位移量測作為必測項目，根據地質條件和工程特點，每5m～50m 布設一個量測斷面，周邊位移及拱頂下沉監測點應布設在同一斷面上[5-7]。隧道上臺階開挖后，隨著臨空面大大增加，應力的釋放導致圍巖拱頂下沉變形速率最大達到了32mm/d、周邊位移變形速率達到了41mm/d，隨著噴射混凝土和初期支護施工的閉合，圍巖變形速率逐漸減小。

3 軟巖變形段處置關鍵技術

3.1 三臺階預留核心土開挖法施工

項目以弧形導坑開挖三臺階預留核心土為基本模式，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進[8-9]。選擇三臺階預留核心土開挖法對于隧道軟巖變形段施工，具有以下優勢：（1）施工空間大，便于機械化施工，實現多作業面平行作業，工序操作便捷，工效高。（2）隧道地質條件發生變化時，動態、靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法。（3）軟巖段發生變形較大或突變情況時，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調整閉合時間。

3.2 超前支護施工

隧道圍巖穩定性較差時，應優先進行超前支護施工，應對巖體塌方、沉降發生變形等特殊情況時，可采取下述措施。（1）洞內發生小型塌方或者沉降變形較嚴重時，在拱頂增設φ108 超前長管棚支護。（2）洞內沉降變形較大時，在拱部約131°范圍內增設φ42超前小導管，由單層超前小導管變更為雙層超前小導管注漿施工，間距為240cm。

3.3 加強鋼拱架連接

鋼拱架是初期支護中關鍵的受力結構，其連接部位是受力的薄弱點，影響拱架的整體受力，在隧道軟巖變形段容易出現問題，加強鋼拱架連接可以從以下幾個方面出發：（1）提高鋼拱架加工技術，按1：1 大樣驗收后按圖進行試拼裝。（2）加強拱架連接板焊接技術要求，對鋼拱架連接處使用M20高強螺栓進行連接，確保所有螺栓螺帽牢固，避免在拱頂、拱底受力較大位置設置接頭。（3）鋼支撐縱向采用工字鋼連接，拱架節段接頭位置采用I14 鋼拱架縱向焊接連接環向鋼拱架補強。（4）型鋼拱架邊墻落腳基礎部位使用縱向槽鋼或預制砼墊塊進行墊底，確保拱腳支墊到位。

3.4 仰拱跟進施工

鋼拱架閉合成環后能更好地改善其整體受力，未閉合成環的拱架初支段如同結構懸臂，圍巖壓力集中在懸臂端上，增加隧道施工的風險。因此仰拱應緊跟開挖面施作，盡快形成封閉環，增加整體穩定性。

3.5 增設上、中臺階鎖腳錨管

為保證拱腳處圍巖穩定性，在拱腳和邊墻腳處增設鎖腳錨管，在原設計φ42×4mm（鋼管長度為3.5m）鎖腳錨管的基礎上，增設φ108×6mm 鎖腳錨管，鋼管長度為6m，每榀拱架增加8 根，并及時進行注漿。

3.6 工程應用效果

采用上述施工處置措施，選取軟巖變形段K25+405處處置后的量測數據進行對比分析，拱頂最大累計變形量由304mm 降低至148mm（如圖1），周邊位移最大累計變形量由453mm 降低至149mm（如圖2），沉降速率顯著降低，能預留出足夠的變形量，處置措施達到成效[10]。

圖1 累計變形量對比

圖2 變形速率對比

4 結語

本文針對工程實際地質條件進行分析，揭示了隧道自身圍巖耐水性差、浸水易崩裂，圍巖自穩能力差且容易出現大變形，潛在風險隱患大。針對工程實際條件和監控量測情況，項目提出了針對泥質粉砂巖軟巖變形段的關鍵處置技術：動態調整隧道進尺施工方法和施工工藝，如采用三臺階預留核心土法開挖進尺，增設管棚支護或超前小導管作為超前支護措施，加強鋼拱架縱向連接以及加快拱架成環閉合等多種措施。

通過現代監控手段判定處置效果，通過對監控量測數據進行可視化分析，對圖表處理得到累積變形量和變形速率的對比結果，結果顯示處理后圍巖的變形速率和位移值相較于處置前顯著減小，有效解決了圍巖拱頂沉降和周邊變形大的問題，保證了隧道施工的安全，撐起隧道進尺施工的“保護傘”。