軟巖大變形隧道施工技術研究

翟鎮宇 全海龍

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

1 工程概況

河南濟源至山西陽城高速公路濟源段位于太行山南麓，總體呈南北走向，路線全長約19.7 km，晉豫兩省交界處濟源市王屋鎮西坪鄉鎮牛角洞是該高速公路的起點，向北與山西省陽城至蟒河高速公路交接，向南經過經濟源市大峪鎮、承留鎮、王屋鎮。跨省道312后，項目終點在濟源市大峪鎮廟前村，設廟前樞紐互通與長濟高速相接。沿線經過焦樹坪隧道、太行隧道、張莊隧道道、桃園嶺1號隧道、桃園嶺2號隧道、秦嶺山隧道、張河隧道。

2 軟巖大變形原因分析要素

2.1 地質因素

（1）軟巖泛指松、散、軟、弱巖層的總稱，軟巖的主要特點為風化和造面切割的影響明顯、膠結程度不高、孔隙度較大和強度不足等，巖層中富含豐富的膨脹性黏土類礦物。在隧道工程中，影響變形特征的因素軟弱圍巖占比較大，對工程地質性質起決定作用，現場開挖后的自穩性不高，其顯著的特點為易坍塌和自穩時間不足。在隧道挖掘施工的過程中，前支撐隧道洞身的圍巖被全部轉移，使洞壁出現臨空的狀態，對圍巖應力位移變化造成嚴重影響，洞壁和圍巖逐漸向隧道凈空方向出現變形[1]。

（2）圍巖受到外界因素影響以后，體積增大，使膨脹力變強，改變膨脹巖的性質。炭質灰巖是隧道變形斷圍巖的主要組成成分，其中包含豐富的綠泥石和蒙脫石，吸水后體積快速膨脹，在圍巖膨脹壓力作用下，初支上產生巨大變形。

2.2 設計因素

設計的支護參數是為了各種圍巖在理論應力狀態下的有預案準備，在開展施工的過程中，外界附加的影響因素會對軟巖造成嚴重的干擾，影響最突出的因素是地下水，水巖耦合作用的程度受賦存量大小的直接影響，承受壓力超過工程設計初支限度會導致變形，水巖耦合作用力大于最大壓力會造成初支嚴重變形[2]。

2.3 施工因素

（1）施工給圍巖造成的擾動。

開挖施工時使用機械設備會產生對圍巖的擾動，巖體整體結構受力，使圍巖應力重新排列，形成全新的自我穩定平衡狀態，構成特有的應力拱圈[3]。以軟巖隧道特點和可塑性屈服破壞能力的大小為基礎，獲得自穩平衡狀態所要達到的拱圈半徑要求，使隧道初支承受荷載壓力值較大。

（2）圍巖變形不易掌握。

圍巖變形不易掌握，開挖方案與圍巖性質不匹配，控制變形效果更差。選擇開挖工法的前提是符合現場地質條件，通常在施工的過程中將安全放在第一位，從簡單逐漸向復雜過渡，科學管控挖掘施工的順序和范圍。仰拱和上、中、下臺階交叉施工時挖掘施工屬于較復雜的情形，受施工工序較長的影響，不能及時形成施工閉環，初支的變形時間變長。

（3）圍巖風化。

圍巖風化不利于施工進程，封閉施工滯后會使施工風化的問題更嚴重。圍巖被揭露以后，巖面得不到及時封閉，在水和空氣的影響下，軟巖的風化速度不斷加快，使松動圈的范圍不斷拓展，降低圍巖的強度。初支的封閉成環出現滯后的情況，對承載力的發揮造成嚴重的負面影響。

3 控制軟巖大變形的方法

從太行隧道軟巖變形的特點和原因出發，反復研究項目部的實際施工情況，將施工給圍巖造成的干擾降到最低，使圍巖自身的承載力發生改變，合理管控施工工序作業時間，加快封閉成環的速度，積極采取有效的措施，制定有效的處理辦法，較好地控制軟巖的變形程度[4]。

3.1 超前地質預報

施工現場的地質情況與預期差異較大，實際挖掘施工的地質情況與施工圖紙間存在差別，使施工方法和施工措施發生改變。在開展施工工作前，落實超前地質預報工作，超前地質預報將超前鉆探、物探和地質素描等方法進行全面利用，顯著提升地質情況的準確性。在斷層洞段和破碎帶做好長、短鉆孔施工工作，詳細了解隧道前方的地質情況，重點關注地下水的發育情況，不可盲目開展挖掘施工作業，避免造成重大事故。

3.2 降低施工擾動力度，提高圍巖的自穩性

在開展施工作業時，將誘發圍巖變形的因素控制在最小范圍內，使圍巖變形程度得以有效控制。具體操作方法可以采用超前大管棚、超前帷幕注漿、超前小導管等預先安裝，達到固定穩定的性能，主動加固處理軟弱破碎富水段圍巖。使用環形預留核心土臺階工法處理自穩性差、易破碎圍巖，采取的主要方法為封閉成環和短進尺，為盡量降低開挖施工對圍巖的擾動，開挖方案選取擾動最小的銑挖法施工法。

3.3 開挖短進尺，初支快速封閉成環

在施工的過程中控制好單循環挖掘長度，單循環挖掘長度保持在1榀拱架以內。

單循環作業時間縮短后，圍巖變形的時間效應減少，每循環挖掘結束以后，封閉工作較為關鍵，將厚度5 cm左右的混凝土澆筑到巖面上，使巖面與空間的接觸時間減少，有效回避圍巖風化崩解現象。詳細分析監控量信息時，仰拱澆筑和初支封閉成環施工結束后，初支變形速率降到最低。

3.4 動態調整支護參數

現階段應按照設備分析結果，詳細分析隧道前期已經挖掘施工區域監控量監測變形數據信息發現，最為有效的方法是放大預留變形量，特別是防止初支侵限和變形控制。防止初支在封閉成環前留有較大空間造成變形，應科學調整預留變形量，落實事先預留工作。對局部洞段存在的不對稱變形情況進行詳細分析，使用左、右側不均衡性預留變形量的方法可以取得最佳的效果。

以初支變形曲線和時間為基礎，以上導變形最快速率為參考，將預留量擴大到1 m左右，下導預留量控制在0.5 m左右，上導預留量上調到0.6 m左右。產生徑向剪切應力引起的變形是由圍巖對初支結構，應適時降低減緩周邊圍巖影響。在開展施工任務時，使初支的環向和縱向剛度滿足設計標準，科學調整支護參數，使“后抗”性滿足設計標準。不斷提升初期支護的環向剛度，封閉成環時使用1榀/0.5 m和Ⅰ25a，將Ⅰ14型鋼增設在鋼架連接位置處，使其連接效果不斷增強。

3.5 使用徑向注漿加固圍巖

支護完成一次循環后，完成徑向注漿加固工作，使巖石空隙被漿液全部填筑嚴實。徑向注漿加固圍巖可以使漿液與圍巖連接在一起，改善巖體的受力結構，使圍巖更穩定，塑性變形區域的厚度比徑向加固的拱圈半徑大。全面分析仰拱下臥層軟弱基礎的條件，仰拱范圍包含在徑向注漿環向范圍內。使用Ф42 mm鋼花管充當注漿管，間距設置1 m，呈梅花形。正常軟巖變形段的徑向保護拱圈半徑長度設置4.5 m，極軟弱圍巖、富水段的有效半徑設置7 m左右，根據不同地質情況酌情設定有效半徑。

3.6 強化鎖腳及脫空處理

鋼架鎖腳錨管深度、根數、對設角度和尾端與鋼架連接節點等是影響軟巖大變形的主要因素，與隧道作業空間的因素相比，使用長度6 m、Ф76 mm的鋼管充當鎖腳錨管，對收斂變形和初支沉降起到積極的促進作用。

在挖掘軟巖的過程中，四周圍巖的自穩能力較差，經常會出現初支拱背脫落或滑落、掉塊的情況，為了有效控制軟巖松動圈范圍擴大。采用混凝土填充方法完成鋼拱架背后或頂部的空腔施工，快速形成初支結構與四周圍巖共同形成的作用力拱圈。

3.7 做好監控量測工作

軟弱圍巖隧道安全施工進程的探視鏡為監控量測技術，監控量測可以保證軟弱圍巖隧道安全施工和結構穩定性。監測斷面對該隧道共計設置的位移量測項目數量為5個，即仰拱隆起、墻腰收斂、拱腳收斂、拱腰收斂和拱頂下沉等，在設置斷面時，斷面的間距設置為5～10 m。

滲漏水情況較嚴重時，可以適當增加數量，初支施工完成4 h后布置埋設點，在12 h內讀取初始數值，每天對比此監測數據，增大實時監測頻率，確保圍巖的變形始終保持在正常的狀態，為后續支護參數和施工安全奠定堅實的基礎[5]。

3.8 加大新設備投入的力度

在太行隧道施工時，第一次將超前地質支護遇到的問題包含在工序管理的范圍內，在檢測超前鉆孔詳細探測前方圍巖的賦水情況和地質情況時，使用的主要設備為先進的卡薩格蘭地C6XP-C多功能鉆機，其數據有效性直接決定工程的質量。

C6XP-C多功能鉆機可實現多種超前地質施工勘測，對隧道中不同地質環境下的高壓旋噴、錨桿、錨索及巖石取樣。鉆注一體和超前管棚支護施工以及超前地質預報發揮積極的促進作用，其顯著的特點為鉆進施工效率較高、施工長度較長以及功能強大等，對圍巖加固施工和軟巖大變形隧道超前探孔施工起到積極的促進作用。在機械臂濕噴臺車的輔助作用下，顯著提升混凝土噴射施工的效率，使圍巖施工快速完成，將人工作業的范圍降到最小，提高施工安全性。

4 結語

當前，我國公路建設取得長足進步，能夠有效解決軟巖大變形問題。在施工過程中，應根據實際情況選擇合適的支護參數和施工方法，可以有效地控制圍巖變形，從根本上保證隧道施工的質量和安全性。