軟弱圍巖條件下的公路淺埋隧道施工技術研究

付 濤

（湖南省地質礦產勘查開發局414 隊， 湖南 益陽 413000）

0 引言

在交通行業的發展中隧道工程所占的比重越來越大，隧道優化了公路、鐵路的線形，大大的縮短了行車里程。但隧道工程作為一項隱蔽性工程，地質條件比較復雜，而且不可預見的因素很多[1]。而淺埋隧道因為埋深較淺，隧道的圍巖風化破碎現象較為嚴重、圍巖強度低、自穩性能差，這不僅加大了隧道設計方面的難度，還為隧道的施工增加了更多的困難和危險系數。近年來，在淺埋隧道的施工過程中頻發塌方、地表下沉、地面裂縫等事故，嚴重的威脅了人民的生命財產。因此，加強對軟弱圍巖條件下公路淺埋隧道施工技術的研究具有重大的意義[2]。

1 淺埋隧道概述

1.1 淺埋隧道的劃分

關于隧道深淺的劃分，由于劃分的標準差異，一直頗受爭議。在規范中，根據荷載的等效高度值，并考慮隧道的地質條件以及施工的方法進行綜合的判定[3]。

其中Hp表示淺埋隧道的分界深度；hq表示荷載的等效高度；S 表示圍巖的級別 ；ω為寬度的影響系數；B 為隧道的寬度；i 為圍巖壓力的增減率，當B 小于5m 時，i 取0.2，否則i 取0.1。一般情況下，對于IV-VI 級別的圍巖Hp=2.5hq；對于I-III 級別的圍巖Hp=2hq。當隧道覆蓋層的厚度H≥Hp時，定義此時為深埋隧道，反之則為淺埋隧道。

1.2 淺埋隧道的特點

與深埋隧道相比較，淺埋隧道形成承載拱的難度較大，且隧道周圍都伴隨著特殊地形，比如偏壓、軟弱巖層、風化帶等。在隧道的開挖階段，淺埋隧道的難度要遠大于深埋隧道，且往往伴隨著拱頂下沉、地表開裂、下沉等病害。埋深是影響地表下沉的最主要的因素，在埋深較淺的情況下，隧道不能夠形成承載拱，就會使得開挖造成的下沉直接作用在地表面。通常來講，在淺埋隧道掌子面的前方會有比較大的下沉。除此之外，外界環境對淺層隧道的影響也較大，例如地表水、地表荷載等都會嚴重影響隧道施工[4]。

2 淺埋軟弱圍巖隧道施工對策研究

2.1 工程概況

本文以湖南婁底某公路隧道作為工程實例來探討在軟弱圍巖條件下公路淺埋隧道的施工技術。該隧道由左右兩條線組成，左線480m，右線490m。隧道進口約50m 的距離皆位于沖溝內，隧道兩側偏壓，地表水豐富，軟弱巖層較為發育，承載力較低。圍巖級別為V 級，巖體多處于破碎或較破碎的不穩定狀態，節理裂隙發育。

2.2 隧道開挖方法的選擇

對于公路淺埋隧道的軟弱圍巖由于地質條件的原因，圍巖的穩定性很差，必須重視開挖過程以及開挖后的支護，如若達不到要求，很容易造成塌方。因此在施工過程中保持圍巖的穩定是保證隧道施工順利進行的基本條件。施工方法的選擇是軟弱圍巖隧道施工的關鍵，方法的優劣會直接影響施工的進度以及施工過程的安全性，在選擇施工方法時需要考慮施工的條件、隧道的埋深與斷面面積、圍巖的條件、計劃的工期以及當地的環境條件等。

對于V、VI 圍巖，由于巖體較為破碎，在隧道中施工，采用側壁導坑、CD、CBD 施工方法相對更加安全可靠，但是這種存在著機械化程度低、進度慢、圍巖擾動次數度的弊端。然而短臺階法彌補了前述的不足、縮短了工期，目前在軟弱圍巖的淺埋隧道超短臺階法更加適用。由于所研究的婁底隧道施工工期緊張，洞口位于沖溝處，圍巖性質較差，綜合考慮下最終決定選用超短臺階法進行施工。

2.3 富水地段的施工技術措施

隧道施工中途徑富水區，突泥和涌水的事故極容易發生，因此如遇地下水，在處理方面應該遵循封堵為主的原則。在此地段要將超前地質預報與超前支護技術合理搭配進行，先通過運用超前地質預報手段，提前探明可能存在水的區域、水量的大小、水的分布等，待開挖接近至該區域，應謹慎處理采用超前支護手段提前對水流進行封堵，在明洞中經常會選用管棚注漿的方式治理，而在暗挖地段大多采用小導管超前注漿的方式，通過超前注漿達到止水的目的。因此該隧道采用進洞前先采用管棚預支護形成簡支梁式支護，進洞后在管棚之間采用小導管超前預注漿加固，小導管的長度在6m，環向間距為0.4m，漿體采用水泥。同時注漿還有效的提高了支護結構的承載能力與穩定性。通過注漿可以有效的防治隧道的拱頂發生坍塌，將松散的巖石膠結形成一個整體，進而形成一個加固圈，起到加固鞏固圍巖的作用。通過提高巖體的內摩擦角和粘聚力，進一步的增強了巖體的強度。該方案注漿的時間段，能夠及時快速的起到加固圍巖的作用。

2.4 爆破控制

由于鉆爆法設備輕便、效率高、應用范圍廣的特點，在我國大多數的隧道中均采用此方法。隧道施工最為重要的就是保護圍巖，所有的施工手段都應該將此作為基本條件。爆破會產生兩方面的問題，其一是對圍巖造成了損傷，另一方面則是超挖欠挖的問題。隧道爆破中產生超欠挖雖然是不可避免的，但是能夠有效的控制，目前常用的控制措施就是光面爆破。在軟弱圍巖中爆破其要求更高，更應謹慎處理。軟弱圍巖中存在著大量的節理和裂隙，在爆破的過程中首先會沿著最薄弱的結構面擴展，極容易造成巖層的剝落與塌方，一方面嚴重影響了施工人員的人身安全，另一方面還加大了襯砌的難度，影響施工的質量。由于該婁底隧道軟弱圍巖涉及的范圍較廣，同時考慮到施工的安全問題、施工工期的限制、斷面尺寸的要求等方面，經過多次的比較論證，最終決定選用超短臺階光面爆破的手段來解決以上問題。

為了有效的控制爆破造成的超挖與欠挖，需要首先調整爆破的參數，在隧道的施工中，圍巖的條件是不斷變化的，也會有軟弱夾層和溶洞等不良的地質現象，因此炮孔為位置、間距、角度等參數也應該隨著圍巖裂隙的變化而不斷的調整。在每次爆破之后都應該根據爆破的效果、圍巖的影響以及爆破面的情況而相應的做出調整。同時為了更加精準的達到預期的效果，還應當提高鉆孔的精度，減少由于人為的影響而造成的誤差。除此之外還應當加強對現場人員組織的協調作用，規范包括的流程、操作的細節，做到及時的檢測，及時的反饋問題。

爆破的整體思路是根據現有的爆破理論以及隧道內巖體的參數以及節理裂隙發育的狀況，先對需爆破區域的隧道建立數值模型并賦予計算參數，通過數值模擬的手段模擬隧道開挖爆破的情況，計算出隧道斷面以及圍巖的最大振速，同時分析爆破對圍巖強度參數的影響以及可能出現的事故。之后結合數值模擬的結果、工程經驗以及工程的實際情況，得出爆破參數的取值范圍，然后對各個參數排列組合進行爆破試驗，最終確定出爆破的最優參數，最后根據現場的實際操作情況及時調整爆破參數，確保施工的安全與工程的進度。

該隧道的爆破采用濕鉆法，鉆機選用YT-28 鑿巖機，鉆孔的孔徑為42mm，炮孔的深度根據圍巖的級別確定，V 級圍巖每循環進尺0.9m 左右；炸藥選用2#硝銨炸藥。各炮孔起爆的順序：掏槽孔→輔助孔→周邊孔。

2.5 隧道施工防坍塌措施

⑴預防掌子面塌方的措施

根據圍巖的情況，選擇不同的處理手段，對于圍巖軟弱破碎的情況，當容易成孔時，可以通過采用錨桿進行超前支護；但當不宜成孔時，采用小導管；除此之外，如若圍巖在V 級以下，需要采用大管棚進行支護。在掌子面施工時，每循環在拱頂、拱腰、拱腳共設置5 個6m 長的超前探孔，探孔由上而下進行施工，逐步釋放地下水壓力。在施工的過程中如若發生涌水突泥的事故，首要任務是將施工人員迅速撤離至安全地帶，遠觀事故發展的情況，待突水穩定后，開始進行清淤排水的工作，對掌子面進行封堵，待封堵完畢再進行超前支護工作。

⑵開挖成型的洞身塌方處理措施

倘若洞身有微型裂隙存在，則需在開裂處噴射厚度不小于3cm 的混凝土。然后觀察裂隙處，如若裂隙不再擴展則說明裂隙已經得到控制，反之則需要進行更強的措施，比如在裂隙處進行小導管注漿掛網噴射混凝土處理。對于巨型的開裂，首先需要將隧道內的設備以及施工人員撤離至安全地帶，防止出現進一步的突發事件對人、材、機造成損傷，同時還需要立即停止隧道內的所有爆破作業，以免沖擊波對加速裂縫的擴展，誘發塌方。在離裂縫區1.5m 左右的距離就需要立即進行立套拱加固初期支護，倘若套拱依舊不能阻止裂縫的發育，則需要對套拱增加橫撐或者鋼拱架內支撐。

對于該隧道進口端，為了減少開挖過程對圍巖的擾動，采用人工配合小型機械開挖的方案，開挖的過程必須嚴格控制進尺，遵循先護后挖、保留核心土、邊墻分幅跳槽、仰拱跟進的原則，根據施工段現場的實際情況，采用超前小導管注漿或者大管棚加固的方法，在地質情況復雜的地段可以兩者配合使用來提高圍巖的穩定性。在開挖后立即進行初支，同時確保仰拱距掌子面15 至20m，以達到改善隧道的受力條件的目的。在施工的過程中還需要加強對隧道的監控量測，包括拱頂、地表的下沉狀況、掌子面超前預報、初支二襯的厚度檢測等，確保發現問題能夠及時的做出應對措施。

3 結語

綜上所述，文章首先根據規范要求闡述了淺埋隧道的界定方法，并分析了相對于深埋隧道，淺埋隧道所存在的特點和施工技術難點。然后結合湖南婁底某公路隧道，系統的分析了淺埋隧道在施工中開挖方法的選擇、富水地段的處理措施、爆破過程的控制以及隧道防坍塌的具體措施，為之后類似工程的施工提供參考。