高原公路項目隧道工程軟質巖大變形施工解析

摘 要：軟質巖具有低強度、高塑性等特征，在隧道開挖過程中易發生大變形，給隧道結構穩定性及安全性帶來嚴重威脅。為此，對高原公路項目隧道工程實際施工情況深入分析，對軟質巖大變形施工難點及其要點進行探討。通過對軟質巖力學特性研究，結合現場監測數據及工程實踐情況，對軟質巖大變形進行深入剖析，并提出可行性優化方案，旨在有效控制軟質巖變形，保障隧道施工安全及質量，從而推動隧道工程技術創新發展。

關鍵詞：高原公路項目；隧道工程；軟質巖大變形施工

中圖分類號：U455" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2025）01-0017-03

0 引言

在高原公路項目隧道工程的建設過程中，軟質巖大變形將會給隧道開挖及支護結構設計帶來一定挑戰。軟巖對施工安全及質量也有較高要求，因此要科學制定施工方案，并采取有效應對措施。本文結合高原公路項目隧道工程中軟質巖大變形的施工難點問題，做出妥善應對，以便為工程順利開展提供技術支撐，從而保證隧道工程安全[1]。

1 工程概況

某工程隧道埋深主要為大于300 m區段，K2857+344 -K2858+324段980 m。工程施工中二襯混凝土采用C40混凝土，抗滲等級≥P10，使混凝土抗滲透能力及密實度得到有效提升，還應加大二襯鋼筋保護層厚度，控制在50 mm以內。隧道入口處巖層呈現出一種獨特的三層系統板巖薄層板狀結構，每層厚在5 cm左右，層與層之間結合力較弱，導致巖層強度較低。巖層中還富含大量地下水，增大了施工不確定性。隧道洞內凈寬達到10 m，凈高5 m，最大斷面尺寸為15.0 m ×11.0 m，可為各類設備及車輛通行提供足夠活動范圍。隧道為泥巖及頁巖等軟質巖層，巖層圍巖等級為Ⅳ級，穩定性較差，極易發生變形。且在高原路段高海拔、低氧、低溫環境下，施工條件更為惡劣，一旦隧道在施工過程中發生大變形問題，將對施工安全構成嚴重威脅。

2 隧道工程軟質巖大變形情況分析

2.1 軟質巖特性

軟質巖作為一類抗壓強度較低的巖石，從抗壓強度來看，軟質巖如頁巖、炭質頁巖等，其抗壓強度＜20 MPa，且低于硬質巖抗壓強度范圍。在密度方面，軟質巖的密度在2.0～2.5 g/cm3，與硬質巖密度2.6～3.0 g/cm3相比較來看偏低。軟質巖孔隙率較高，水及其他液體可滲透進巖石內部，加劇巖石軟化、崩解。在受到外部壓力或水作用時，軟質巖體積將會膨脹，對于隧道工程穩定性來講有一定威脅。在對軟質巖地段隧道進行開挖后，圍巖變形量將超過常規支護預留變形量，導致初期支護開裂、損壞甚至坍塌。軟質巖地段圍巖變形量一般可達到20～50 mm/d。

軟質巖抗壓強度在5～15 MPa內，軟質巖在受到隧道開挖等工程擾動時會發生塑性變形。當隧道穿越軟質巖地層時，圍巖變形量常超過正常規定值時，軟巖隧道變形量可達10 cm以上，擠壓性軟巖隧道變形量為30～100 cm，將出現初期支護噴混凝土開裂、鋼架扭曲等現象。在隧道開挖初期，圍巖變形速率較快，需要及時采取支護措施以控制變形。且部分軟質巖如泥巖、炭質頁巖等具有較強吸水性，導致隧道周邊產生大變形。在高地應力條件下，軟質巖的強度應力在0.3～0.5，將出現隧道開挖后塑性區較大情況，還會引發變形[2]。

2.2 變形原因

在隧道工程中，軟質巖大變形受諸多因素所影響。地下水具有滲透及溶解作用，可使軟質巖中可溶性礦物溶解，巖石內部結構變得松散，導致巖石強度及巖體結構強度有所降低。地下水還會在巖石內部形成壓力，使巖石在受到外力作用時更容易發生塑性變形。在隧道開挖過程中，爆破產生震動或沖擊將對圍巖造成強烈擾動，使軟質巖受到破壞。擾動不僅導致巖石強度及穩定性下降，還會使巖石內部應力重新分布，加大變形現象。如果出現初期支護強度不足情況，也將導致軟質巖大變形。在實際工程中，由于材料、施工工藝等多種原因，初期支護強度無法達到設計要求，使得圍巖難以得到有效支撐，致使變形加劇。如果初期支護封閉時間滯后，使圍巖長時間處于無支撐狀態，將導致巖石內部的應力無法及時釋放，將加劇變形[3]。

2.3 大變形表現形式

大變形多表現為拱頂下沉，且下沉量＞10 cm，部分擠壓性軟巖隧道下沿是將＞50 cm，除拱頂外，隧道側壁也常出現坍塌現象，將會對隧道穩定性產生一定影響，擠入量在20～80 cm區間內，嚴重時將出現隧道橫截面縮小情況。片幫及底鼓情況也常有發生，片幫現象多發生在隧道側壁，底鼓表現為隧道底部隆起，從而威脅隧道使用。在正常無仰拱支護情況下，底鼓會將整個隧道封閉。還將導致支護結構破壞，如初期支護噴混凝土開裂、鋼架扭曲等現象，情節嚴重時，二次襯砌也將出現開裂，致使隧道整體穩定性下降。大變形等級現場測試如表1所示。

3 隧道工程軟質巖大變形施工難點

3.1 地質條件復雜

隧道穿越地質區域包括多條已知斷層及多處褶皺構造，最大位移量達到2.5 m。斷層及褶皺會使巖石原生結構發生變化，還將使巖石物理力學性質產生顯著變化。在斷層影響區域內，巖石的單軸抗壓強度會降低30 MPa左右，彈性模量也將下降20 GPa。

在該隧道工程中，地下水位平均埋深為15 m，最大涌水量達到200 m3/h，特別是在軟質巖區域，地下水作用更為明顯。通過長期監測發現，地下水作用會使得軟質巖的塑性變形量增加近50 mm，并造成巖石強度降低。地下水還將引發多次涌水及突泥事件，突泥量在500 m3以上，將導致施工暫停或延期。

3.2 施工風險高

隧道開挖過程中，爆破作為主要開挖方法，其爆破產生的震動及沖擊將加劇周圍軟質巖變形，還會對巖體完整性造成破壞，降低巖石強度。爆破后圍巖變形量較爆破前會有所增加，變形速率也會加快。快速變形與破壞將加大施工難度，提高施工風險。如果初期支護的強度不足，將無法有效支撐圍巖，導致圍巖變形加劇。隧道穿越巖石類型多樣，存在大量未知斷層、節理及破碎帶，將導致施工過程中巖石穩定性難以預測，隨時會出現崩塌、滑坡等危險情況。因隧道埋深大，巖石承受應力水平極高[4]。

在開挖過程中，若巖石應力平衡被打破，將會引發巖爆、巖塊彈射等高風險事件，對施工人員生命及財產安全構成嚴重威脅。高原地區地下水有較高的壓力，一旦隧道開挖對地下水平衡帶來破壞，將出現大量涌水情況，并引發突水、突泥等地質災害，對隧道結構造成長期損害。高原地區氣候條件惡劣、交通不便，物資供應困難，也增大了施工風險及成本。隧道施工現場空間狹小、人員密集、設備眾多，安全管理難度大，且施工過程中受諸多不確定性因素影響，無法對風險進行準確預測控制。

3.3 施工難度大

因軟質巖具有低強度及高變形性等特點，軟質巖在開挖過程中極易發生塑性變形。隧道穿越地質區域還存在斷層、褶皺、節理等不良地質構造情況。此類構造將使得巖石的物理力學性質變得更為復雜，給隧道開挖和支護帶來不確定性。而地下水可通過軟化、崩解作用降低巖石強度，導致圍巖出現變形情況。

在高海拔、高寒地區，巖石凍融作用導致巖石物理性質更加復雜，施工難度進一步加大。隧道施工環境惡劣，光線不足、空氣稀薄、溫度低、濕度大，這對工程效率來講也有一定影響。軟質巖及破碎帶等地質條件，對隧道圍巖及穩定性及施工安全有所制約。且高原地區低氧、低溫氣候條件對施工技術也有更高要求，將增加施工難度。

4 高原公路項目隧道工程軟質巖大變形施工要點

4.1 加強支護

在隧道開挖后，應立即進行初期支護，避免圍巖長時間暴露導致變形加劇。鋼拱架作為主要支護結構，其截面尺寸及間距需按照圍巖變形量進行設計。初期支護多采用I20b工字鋼，間距為0.5 m，以對圍巖初期變形進行有效控制。噴射混凝土可填補圍巖裂縫及空隙，使整體穩定性得到提高，噴射厚一般為10～20 cm。采用高強度鋼材制作鋼拱架，如Q345B或更高強度等級鋼材，還應選擇高性能混凝土進行噴射，多選用C30或更高強度等級混凝土，可使支護結構耐久性及抗變形能力得到明顯提高。

為滿足軟質巖大變形控制需求，初期支護設計應采用高強度鋼拱架。其屈服強度達到500 MPa，抗拉強度＞600 MPa，可使支護結構在圍巖變形過程中始終保持穩定狀態。還可選用噴射混凝土為支護材料，其抗壓強度＞25 MPa，與軟質巖黏結力強，可防止圍巖變形情況發生。在軟弱巖層中，科學采用注漿技術（注漿壓力達到2.0～2.5 MPa，單孔注漿量≥1.5 m3）可使圍巖整體穩定性及承載力得到保證。采用Φ22 mm、4.0 m全長黏結型錨桿，間距為1.0 m×1.0 m，通過錨桿與圍巖的黏結力提供支護力，可對圍巖變形起到控制作用。將噴射混凝土厚度設為20 cm，分兩次噴射，初噴厚度為4～6 cm，復噴至設計厚度，噴射混凝土與圍巖緊密黏結，可形成整體支護結構。

4.2 調整斷面形狀

在高原公路項目隧道工程中，因巖石低強度及高變形性，隧道開挖后圍巖將發生明顯變形。如果延續使用原有斷面形狀，將導致隧道穩定性下降，引發安全事故。可將原有矩形或馬蹄形斷面改為圓形斷面，最大斷面尺寸為15.0 m×11.0 m。使隧道承載能力及抗變形能力得到提高，隧道最大變形量將減少30 cm左右。在保持隧道整體形狀不變情況下，可改變斷面弧度，以適應圍巖變形。

將斷面曲率半徑由5 m增加至8m，以降低圍巖的應力集中現象，減少變形量。將斷面形狀由矩形改為圓形后，最大變形量將由120 cm降低至90 cm。還可將拱頂半徑從原有5 m增加到5.5 m，以減小頂部壓力，降低變形風險。將直墻段寬度從原有的4 m增加到4.5 m，使側壁穩定性有所提升。還可在隧道邊墻和拱頂區域增加錨桿及鋼支撐數量密度，以提高支護結構的承載能力。

4.3 注漿加固

在軟質巖地層中，通過向圍巖中注入漿液，對巖體裂縫及孔隙進行填充，可明顯提高圍巖強度，減少變形量。注漿孔布置間距，應按照圍巖變形情況及漿液擴散半徑合理安排。在軟質巖地層中，可將注漿孔間距設置為1.5～2.5 m。注漿孔深度應穿透軟質巖層，且應超過隧道開挖深度1.5倍，以使漿液充分滲透到巖石裂隙中。注漿材料以水泥漿為主，水泥漿密度為1.5～2.0 g/cm3。化學漿液具有凝固時間快、強度高、滲透性好等優勢特征，在地下水豐富或注漿孔較長時，可選用化學漿液進行注漿加固。注漿壓力的大小與漿液擴散范圍及注漿效果有直接關系，在軟質巖地層中，注漿壓力一般控制在1.0～2.0 MPa。

單個注漿孔的注漿量平均可達到1.2 m3，注漿過程中，需對注漿孔注漿量進行實時記錄，結合注漿量的變化，對漿液在巖石中擴散情況進行判斷。注漿時間應按照注漿材料的凝固時間及巖石的滲透性進行確定，將注漿時間控制在0.5～1 h區間內最佳。注漿加固完成后，應使用聲波測試、鉆孔取芯等方法，對注漿效果進行監測。通過監測注漿前后的圍巖變形量、應力變化等數據，可對注漿加固效果進行準確評估，從而使隧道工程順利開展。

4.4 工程質量監管

在隧道施工前，對軟質巖區域進行地質勘探，對巖石單軸抗壓強度平均值及彈性模量進行準確測試，為工程施工提供準確地質數據支持。在此基礎上，對隧道設計方案進行嚴格審查，在方案中需對軟質巖大變形特點進行充分考慮。在隧道施工過程中，還應對軟質巖變形情況進行實時監測，設置多個監測點，對各點變形量進行精準記錄，使變形量控制在設計允許范圍內。

要嚴格控制隧道支護結構，如錨桿、鋼支撐等施工質量，使錨桿長度、直徑、注漿壓力等參數與設計要求相符合。鋼支撐安裝位置及固定方式也應與規范要求相一致。合理應用施工過程中掘進、爆破、支護等關鍵工藝，使掘進速度適中，以達到爆破參數合理、支護及時有效標準。在隧道施工完成后，進行竣工驗收，對隧道斷面尺寸、平整度等關鍵指標進行準確測量，使其滿足設計要求。還應對隧道進行長期監測，對變形、應力等參數變化情況進行評估，以便及時對潛在問題及風險進行妥善處理。

5 結束語

在高原公路項目隧道工程的施工中，針對軟質巖大變形問題進行處理時，需制定嚴密施工計劃及施工技術，還需對工程質量進行嚴格監管，對工程難點問題進行妥善解決，從而使施工質量及安全有所保障。對施工方案進行不斷優化，提高技術水平，為高原公路項目有序開展提供便利，為隧道工程領域實現可持續發展奠定堅實基礎。

參考文獻

[1] 陳亞東.高原隧道軟巖大變形及支護施工技術初探[J].建設監理，2024（S1）：128-129+152.

[2] 譚光輝.隧道軟巖大變形施工技術研究[J].運輸經理世界， 2023（35）：111-113.

[3] 張曉軍，張貴.川西高原隧道軟巖大變形施工處治措施研究[J].現代交通技術，2023，20（2）：54-58+70.

[4] 柳金龍，桑彥庭，趙澤鋒，等.高原鐵路隧道軟巖大變形地質施工措施[J].建筑技術開發，2022，49（21）：54-56.

收稿日期：2024-08-20

作者簡介：綦越強（1992—），男，吉林白城人，本科，工程師，研究方向：公路工程。