軟弱圍巖淺埋偏壓四車道公路隧道安全施工技術

摘 要：在軟弱圍巖區域施工，會面臨圍巖軟弱、埋深較淺、地質存在偏壓力等問題，對施工技術要求較高。文章結合四車道公路隧道施工案例，確定隧道施工方案，闡述隧道施工方法，旨在保障隧道施工安全、提高隧道施工質效。研究建立隧道監控量測體系，監測施工期間地質結構變化，做好隧道施工支護技術，確保隧道施工安全性，減少潛在安全隱患。

關鍵詞：軟弱圍巖 淺埋偏壓 公路隧道 安全施工

四車道公路跨度較大，隧道施工難度增加。開挖期間遇到軟弱圍巖，容易出現坍塌、沉降等問題，若不做好支護和監測工作，容易引發工程質量問題，甚至會造成嚴重的安全事故。因此，結合公路隧道施工地質情況，需要在設計方案中明確施工難點、重點，采用適宜的支護結構，為隧道施工創造良好開挖條件，保障施工過程安全性，使隧道工程質量符合要求。

1 工程概況

某四車道公路全長5.18km，設計車輛行駛速度為80km/h，單車道寬度為3.2m，隧道開挖應以滿足駕駛人員視距110m以上基本要求，隧道彎曲處最小半徑為1000m，長度滿足40m以上基本要求，縱坡滿足3.5%以上要求，坡長要求控制在400m左右。隧道開挖量在147m以上，工程量為5012m，屬于特長隧道項目，數量為2座，標號分別為A隧道和B隧道。其中B隧道中存在漏斗區，項目施工難度較大。設計方案中明確具體施工工期，要求在35個月內完成項目的建設，且嚴格控制生產安全，避免安全事故發生。隧道所處區域為兩山夾結構，施工區域地形起伏變化比較大，存在巖溶發育結構，山脈陡峭。山體內存在大量的孔隙水，圍巖埋深為4.2m，地質內存在偏壓力，導致整個隧道施工區域存在沉降、塌陷安全隱患。具體隧道工程實際情況如表1所示。

2 隧道施工方案設計

A標段隧道總體長度達到2854m，左洞和右洞開挖量均比較大。標段內穿越山體存在富水圍巖，地質結構軟弱，存在瓦斯等氣體。隧道位于山體中間區域，與頂部、底部的距離分別為62m和48m，開挖進洞難度比較大。隧道內存在水流沖刷情況，穩定性比較差，開挖口區域存在偏壓情況，洞口區域容易產生滑坡、落石等情況，安全風險比較高。為確保A標段隧道開挖施工安全性，設計應用超前水平鉆、紅外線探水施工方案，利用地質雷達獲取地段內的地質結構情況，采用鉆孔引排的方案改變水流動，使用注漿方案加固圍巖，隧道頂部區域加強支護。

B標段的隧道施工長度在2018m左右，圍巖等級為 Ⅳ級、Ⅴ級，巖體結構為頁巖，巖體的穩定性比較差，部分區域存在滲漏情況，局部存在碎巖掉塊現象。B標段隧道穿越富水區域，進口地表位置為斗狀，存在盆地，具有匯水功能。頂部區域存在暗河與偏壓力。設計B標段隧道開挖使用超前支護、預注漿方案加固地質結構，進口段減少開挖進尺量和爆破炸藥的用量，避免對地質結構穩定性產生影響。

分析兩個標段隧道內的實際情況，存在軟弱圍巖和偏壓現象，存在穩定性較差、抗壓強度低、易塌方的現象，在受到應力時出現形變現象，使得圍巖出現位移的情況。因此，在隧道施工方案的設計期間，應做好施工方案的設計和圍巖隧道開挖過程中的風險評估。在隧道施工方案中，根據圍巖情況選擇合適的加固支護方式，使用錨桿、噴錨、鋼架等，增強圍巖的穩定性，同時設計分段開挖方案，控制施工面積的同時，減少圍巖失穩的可能性。施工期間，設置合理的圍巖監測點，實時監測圍巖變化情況，識別潛在的安全風險，控制施工工藝參數。

3 隧道安全施工技術應用

3.1 有限元模型構建

公路隧道開挖地質結構復雜，使用有限元模型模擬地質結構情況，將勘察所得地質結構屬性輸入到FLA3D有限差分軟件中。首先根據實際隧道的幾何形狀和尺寸，在有限元軟件中建立隧道的三維幾何模型，隧道的輪廓、截面形狀、支護結構等。隨后，為隧道及周圍巖體、支護結構等材料賦予合適的材料參數，如彈性模量、泊松比、抗壓強度等，以描述它們的力學特性。完成后，設置模型的邊界約束條件和荷載條件，以模擬實際施工過程中的外部作用力和約束情況。對模型進行網格劃分，將其分解成小單元，確保在每個單元內可以準確地描述應力和變形的分布。

模型單元使用混合離散方案，將原本的結構轉化為六面體單元，對應常應變的四面體，進行地質結構的應力變化計算。模型中閉合曲面的流量與該曲面所包圍的空間區域之間的關系使用高斯公式表示，具體計算公式如下：

（1）

公式（1）中的表示結構體積，表示面積，表示法向分量，表示線性分布規律的速率分量，表示常量，表示高斯模型，表示第i個單元j節點的空間區域，d表示直徑。利用有限元模型，模擬隧道的實際情況，識別巖體結構中的地質變化情況，將Mohr-Coulomb塑性理論運用到地質結構參數的計算和選擇之中，輸入初始地應力數值，模擬開挖和支護情況。隧道開挖前地應力處于平衡狀態，開挖后地應力平衡偏移，偏向力對地質結構產生影響，并沿著自由度方向達到新的平衡。模擬開挖和支護過程，采用超前注漿、超前錨桿支護方案，建立支護體系結構，并在初期支護完成后進行二次襯砌施工。在模型中預設不同材料屬性的特征，建立開挖及支護的力學模型，調整具體的工藝參數，以確保地質結構穩定性為前提，做好隧道開挖施工風險的預控工作。

3.2 便道修建

按照公路隧道建設相關標準要求，結合隧道項目所處區域內的地質實際分布情況，以保障施工安全、施工效率為依據，科學做好便道的修建作業。便道內路面使用水泥穩定碎石+混凝土瀝青，厚度為25cm，其中瀝青鋪設厚度為5cm，設計便道的行駛速度為30km/h，縱坡參數控制在12%以內，連續縱坡的長度控制在300m左右，便于開挖建設過程中的清運、設備輸送等工作。支路便道的設計長度達到400m以上，原本存在便道和錯車道150m，新建棧道的長度達到250m以上，B標段內的便道長度達到1200m，內容包括地方道路和新建道路。其中，錯車道寬度為6m，長度達到25m以上。

3.3 隧道開挖支護

隧道開挖和支護是隧道工程項目建設的核心，亦屬于容易產生安全隱患的關鍵區域。在隧道開挖施工期間，由于A隧道洞口區域的復雜性和特殊性，需要避開雨季開挖作業，從左洞開始進洞施工作業。按照隧道開挖施工流程，在明暗交界處開始施工作業，使用坡面防護方案，設置排水溝，利用超前管棚注漿加固方法。在開挖前，在隧道區域內搭設管棚結構，使用鋼管搭設穩定的支撐框架，在管棚內開始開挖作業。管棚搭設鉆孔深度在3m左右，孔距為1.5m，孔口角度控制為3°左右，采用單排鉆孔方案。鉆孔完成后鋪設預埋管，控制圍巖頂板區域。在地層內鉆孔的同時，將特定的水泥漿液材料注入孔位之中，在巖體內逐步擴散，形成穩定的支撐體系，起到加固巖層和土體的作用，加固單孔注漿量控制在35kg左右。具體管棚支護如下圖1所示。

完成支護后進行開挖，A標段隧道區域開挖期間，在進洞80m后，增設車橫通道，隨后進行右洞的穿越。期間使用便捷通道，運輸渣土，在右洞內分層填筑，設置偏壓墻、抗滑樁。偏壓墻沿著邊坡區域設置，抵抗巖體的側壓力，避免邊坡區域出現土體滑動的情況。偏壓墻使用鋼筋混凝土結構。抗滑樁設置在邊坡的下部，通過豎直樁體的抗拔和摩擦阻力來防止土體滑動。抗滑樁采用鋼筋混凝土，承載能力和抗滑穩定性良好。管棚搭設使用預制鋼材料，中間設置連接筋，安裝期間嚴格控制誤差在0.5cm以內，沿著中線調整，使用混凝土墊塊縮小間隙。調整完成后，按照下、上、左、右的順序，進行混凝土濕噴操作，旋轉濕噴半徑為15m，蛇形長度控制在3.5m左右。完成支護后，組織進行通道面的掘進貫通處理，掘進使用臺階法進行作業，逐層分階段開挖，減小開挖面積，降低地下水滲流和地表沉降的風險。開挖作業期間內，臺階長度控制在10m左右，上半斷面超前參數為18m，從左側進洞，向右側掘進。

B標段地下水較多，開挖前布設截水溝，使用潛水泵排水，采用預留核心土法進行環境開挖，開挖期間同步做好邊坡防護作業。在初期支護完成，仰拱進行回填操作后，執行二次襯砌施工方案，進行模板搭設和鋼筋安裝，然后澆筑混凝土，最后進行養護處理。開挖期間，根據洞口的特點，采用長管棚施工方案，開挖核心土體進洞，配合襯砌、回填方案，進行反壓明洞開挖后方，其間控制仰坡的高度在18m左右。

3.4 隧道開挖質量監測

公路隧道開挖作業期間，布設監測點，監測圍巖的應力變化情況，判斷是否產生沉降等現象。監測內容包括圍巖的位移情況、壓力變化情況、襯砌內力變化，共計設置斷面的數量為4個，監測點之間的間距控制在8m左右。監測點位內布設安裝傳感器設備（位移計、壓力計）等，進行隧道開挖時的相關參數獲取，具體測點的測量公式如下：

（2）

公式（2）中的表示壓力，表示設備的標定系數，表示頻率，i表示荷載，0表示初始狀態。結合公式和傳感器設備反饋的測量結果，確定隧道內的偏應力變化情況及位移情況，并依據《隧道監控量測技術規程》文件中的要求，確定變化結果是否處于標準范圍內。具體量測結果如表2所示。

根據量測結果可知，圍巖壓力穩定在0.4MPa至0.7MPa之間，整體穩定性良好。在襯砌逐步硬化后，內力穩定在-18.5MPa內，襯砌支護的效果良好，能夠保障施工過程中的安全。

3.5 安全預警機制構建

隧道施工期間建立預警機制，根據監測結果變化采用不同的應急措施。安全預警共計分為三個等級，變形速率處于5mm以內，且初期支護完好，位于三級預警階段，可正常施工。二級預警則監測變形速率在10mm左右，持續情況超過2天，進一步加強監測，出具書面報告，可繼續施工。一級預警下，監測位移形變連續3d超過10mm，初期支護開裂，則暫停施工，加強支護。

4 結論

綜上所述，保障軟弱圍巖淺埋偏壓公路隧道安全施工的要點是支護技術的應用，科學的支護方案設計對于保障隧道施工安全有著積極作用，可減少施工期間的地質沉降、地表坍塌等問題產生。為確保施工過程中消除安全隱患，應該做好整個開挖過程中的地質變化監測和施工質量監測。本文研究通過構建有限元模型的方式，模擬隧道的實際情況，根據數值模擬結果，優化開挖方案，有效保障了施工過程的安全性和施工質量。

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