软岩隧道开挖及支护施工技术

软岩隧道开挖及支护施工技术

田家林

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

摘要：公路隧道浅埋软岩段，地质条件差，围岩自稳能力差，如开挖方法或支护参数选择不当很容易出现大变形，甚至出现塌方事故。在隧道勘察设计阶段，应详细做好地质勘察，为设计与施工方案的制定提供有力依据。对浅埋软岩段，应采用弱爆破或机械开挖、短开挖、强支护的方式进行施工，减少对围岩的扰动，及时施作初期支护，及时封闭成环，尽可能减少围岩和支护结构变形。在施工过程中，开展超前地质预报，在地质情况与设计文件出现较大出入时及时调整施工方案。

关键词：软岩；超前地质预报；监控量测；安全步距

引言

随着交通事业的快速发展，越来越多的隧道工程将会在地形、地貌及地质背景复杂的西部山区修建。隧道在施工过程中不可避免的会遇到软弱围岩、高地应力围岩、断层破碎带等复杂的地质状况。通常意义上，穿越这些地区的隧道统称为软岩隧道。软岩隧道开挖易造成围岩大变形，控制围岩变形也是软岩隧道开挖所要解决的主要问题之一。尤其是对于穿越软弱地层的大跨度隧道而言，如果支护不强或支护不及时，将会发生塌方冒顶或二次衬砌严重开裂现象，将会给工程安全性造成严重的威肋。

1、隧道软岩大变形段变形特点

1.1变形速度快，变形量大

隧道开挖后，围岩变形量较大，尤其是没有做好超前支护的路段，变形量明显。拱顶下沉量较大，在有水路段，水位变化率也较高。另外，随着变形量的增加，隧道积压明显，支护完成后应做好监测，防止围岩和衬砌结构变形进一步发展。

1.2围岩变形持续时间长、变形幅度大

结合多个隧道软岩大变形段施工监测的数据分析，隧道拱顶下沉和水平位移变形时间较长且呈现匀速增长的趋势。在隧道施工过程中，应加强监测，观察围岩和初期支护结构变形情况，以判定支护结构是否明显，并依据变形情况确定二次衬砌的施作时间。如果拱顶沉降变形较大，如控制不当则会直接产生塌方、冒顶事故。如对水平位移控制不当，初期支护会侵入二次衬砌净空，甚至导致初期支护结构的变形破坏。

2、软岩隧道开挖施工

2.1开挖方法

根据K80+230～400段围岩级别（Ⅴ级）和超前地质预报显示的围岩情况，采用三台阶七步开挖法施工。

2.2开挖施工工艺

开挖过程中各台阶开挖与支护沿隧道方向错开，同步作业，开挖完成后即刻初喷4cm混凝土封闭工作面。开挖施工工艺如下：测量放样→超前支护→上台阶弧形断面开挖支护→作业面检查→中台阶开挖支护（两侧错开，可同时开挖）→下台阶开挖支护（分别开挖）→分段开挖隧底→仰拱施作。上、中、下台阶开挖过程中对稳定状态评估，若出现不稳定状态，及时停止上台阶开挖，对已完成段落进行加固，调整支护参数后再继续进行施工。上台阶弧形断面开挖：本段围岩钢拱架设计间距80cm，每循环开挖1榀，可根据围岩掉块情况适当缩短开挖长度，减小拱架间距。预留核心土长度宜为4～5m，宽度宜为开挖宽度1/3～1/2。开挖以机械开挖（单钩）为主，两侧拱脚辅以松动爆破的方式。两侧拱脚需进行弱爆破的，周边眼打设3～5个，间距50cm，单孔装药量根据松散程度0.5～1支（直径Φ32,单支长度30cm乳化炸药）；辅助眼打设数量、间距与周边眼相同，装药量为1～2支。中、下台阶开挖：由于软岩隧道围岩破碎，且结合较差，中、下台阶以机械开挖为主，若存在孤石或较硬夹层时，采取弱爆破的方式，遵循“小间距、少装药”的原则（可隔孔装药）。开挖循环进尺保持与上台阶弧形断面相同。开挖时利用机械将上台阶拱脚挖出20～30cm，以确保钢拱架连接质量。隧底开挖：两侧下台阶开挖完成后2～3m后，及时进行隧底开挖并封闭成环。

2.3开挖注意事项

开挖过程中应安排专人进行指挥，避免碰触超前小导管、已施工完成的钢拱架及锁脚小导管，以免造成坍塌、拱架扭曲变形、初期支护开裂、锁脚脱焊失效等情况。开挖时需弱爆破辅助的部位，钻孔深度不得超过拱架间距，以免造成滑塌。中台阶开挖过程中，左右两侧应错开2～3m，切忌两侧位于同一断。

3、隧道支护

3.1支护形式

加强锁脚及锁固。施工中上台阶变形最大，往往呈现出初期变形快的特点，导致上中台阶拱架连接困难，进一步加剧变形发展。上台阶拱脚初期变形为变形控制的重点，必须加强锁脚，必要时可增至２～３组（２根／组）。

锁固锚杆。由于拱脚处经锁脚锚杆约束，致使该处应力过于集中，往往出现拱架节点破坏，因此，同时设置拱架锁固锚杆于拱架连接板之间，并固定于拱架上，使拱架受力更趋均匀，避免拱架节点处因应力集中而破坏。

径向注浆。鉴于炭质板岩或板岩原状地层可注性不强，开挖后仅施作注浆管，据变形情况适时注浆补强，达到较理想的效果。通常大变形地段，将其纳入工序根据变形等级管理，在变形达到一定程度时适时注浆，既具有一定的可注性，又可最大程度遏制变形。

长锚杆。结合松动圈测试及施工实践，大变形地段采用７ｍ长自进式锚杆，以加强拱架与围岩的连接力，与拱架、锁脚、注浆等措施共同形成初期支护体系。一般设置于边墙位置，双线隧道必要时设置为锁脚锚杆，水平向下打设。采用自进式，工效较低，对施工影响大，通过锚杆钻机调研及改装，在木寨岭隧道２＃斜井进行了试验，工效得到了一定的提高；统筹安排工序作业，可与立拱与锚喷平行作业，尽量减少对施工的影响。

3.2隧道支护注意事项

开挖后随即初喷混凝土，严格控制开挖间距，从而封闭围岩。随后，按照要求将锚杆、钢筋网及钢架设置到位，再以分层的方式复喷。各系统锚杆处均配套合适尺寸的钢垫板，并以焊接的方法将其与钢筋网、钢架稳定结合于一体，提高整体稳定性，避免偏位。有效处理钢架接头，避免接头布设在同一截面钢架拱部节点受力薄弱处。施工中充分考虑各向异性，针对薄弱部位做补强处理，提高整体稳定性。软弱围岩的变形以及受损最初见于某处或多处，后续将由于控制不当而向周边扩展，从而破坏整个支护体系的稳定性。因此，隧道开挖后随即加强地质检查，对岩体变形破坏的主要因素做出判断，识别隧道应力集中的区域，再对此类部位采取加强支护措施，消除应力集中所造成的不良影响。注浆也是隧道施工中的重点环节，在完成注浆作业后可借助浆液封堵围岩裂隙，消除水的渗漏通道，以免因渗漏水而破坏软弱围岩的稳定性。针对活动断裂带，处理时可采取帷幕注浆的方法，使得围岩堵水加固效果突出。面，易造成拱架整体下沉、脱落。中台阶、下台阶开挖时,切勿碰触连接钢板。隧道开挖完成后，观察工作面围岩岩质、节理发育程度、开挖面稳定状态、有无裂隙水等。一旦出现塌方迹象时（频繁掉块、出股状水带碎块），必须尽快撤离人员，制定处置方案，防止拱顶和边墙大范围坍塌。

结束语

软岩隧道围岩差且地质变化速度快，各施工工序严格按照规范及设计要求管控。根据施工效果和监控量测结果，选择合适的支护参数，能够有效提高施工效率、预防坍塌、确保工程质量与施工安全、促进施工进度。

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