高海拔地區公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護施工質量控制要點分析

張新明

（中國水利水電第十二工程局有限公司 浙江杭州 310004）

為防止隧道塌陷對公共設施及民眾造成傷害，在隧道開挖作業實施期間必須要做好支護工作，特別是隧道施工范圍有軟弱圍巖地區的工程項目，支護工作的作用更是不言而喻［1］。我國許多隧道因地形條件惡劣，地表軟弱堆積，風化嚴重，圍巖軟弱，在施工中不易形成承拱，嚴重影響隧道安全和施工質量［2］。在具體施工中，要按照隧道技術要求進行支護施工，才能確保隧道的穩定性和安全性，使隧道施工質量得到顯著提升，為后續工程竣工投入使用提供基本保障。本文以高海拔地區公路隧道工程——大雪山隧道工程為例，對其軟弱圍巖區段的支護工作開展情況進行分析，為工程順利實施提供幫助。

1 工程概況

1.1 隧道工程簡介

大雪山隧道位于滇川藏邊界的云南省香格里拉中甸縣，洞室凈高8.5m×6.5m，起止樁號K125+830～K12 7+950，長2120m。該隧道的垂直坡度大約與地面形成30°的夾角，入口設計高度為3931.23m，出口高度為3977.61m，隧道最大深度為453m，在K126+926 處。該隧道的最小埋設深度在14m左右。該隧道的入口和出口附近沒有道路，交通不便。

該隧道位于構造侵蝕剝蝕的高山上，穿越山體最高標高4409m，隧道入口處3944m，相對高差465m。該隧道的走向與K127 處的山脊線方向呈60°左右的夾角，隧道進出口的斜坡坡度相對平緩，一般為15°～25°。植物生長程度低。在隧道建設中，環保問題也應受到重視。

1.2 工程地質與水文地質狀態

1.2.1 地層巖性和地質鉆探

據實地考察，隧道區的巖性特征以云母片巖為主，其主要成分為綠泥石、絹云母，灰綠色或銀灰色，變晶結構，片狀構造，巖層產狀存在一定差異，層面多呈舒緩波狀。

1.2.2 B址區內地質構造

該隧洞區位于青藏高原南東緣，屬于滇藏地槽區。構造活動主要是由南北向和西北向的構造系統組成，雖然也有東北向和東西向的斷層，但它們大多都是小規模的，除了一些東西方向的斷層以外，還有大量的南北向斷層是由西北向或南北向斷層的衍生產物。

由于隧道兩側山體的構造作用，出露巖體節理裂縫極多，節理裂縫發育導致隧道的穩定性較差，使其后續應用的安全系數大幅下降。利用赤平法對隧道入口天然巖質和已開挖的巖石邊坡的穩定性進行了分析，如圖1所示。

圖1 隧道入口斜坡赤平投影圖

1.3 水文地質條件

1.3.1 地表水

根據現場水文地質資料分析，該段峽谷常年有水流，主要是山頂冰雪融水。隧道進、出口均位于斜坡中、低矮處，其分布高度較高，入口和出口附近的低洼區域具有很大的斷面，因此正常排水不受隧道施工影響。在暴雨過程中，須重視地面水流對隧洞的侵蝕和破壞，建議采用統一排水系統。

1.3.2 地下水

（1）種類及特征。

隧址區的地下水主要有兩種類型，分別是基巖裂隙水和第四系疏松孔隙水。

基巖裂隙水主要產于基巖的風化裂隙、節理裂隙、巖層層面、破碎帶和裂隙中，水量的多少取決于風化裂隙、節理裂隙、斷層構造發育和儲水狀況，其特征是：沒有連續統一的自由水面，不均勻，多為網狀、脈狀、枝狀，儲水量相對少，且隨季節的不同而有很大的變化。在隧洞開挖時，局部洞段的圍巖會出現“滴漏”或“線性”滲流，這對隧道施工沒有太大的影響，但會對隧道結構的穩定性產生一定的影響（由于襯砌會改變儲水狀態）。

第四系孔隙水：以潛水形態存在于滑體和周圍的第四系孔隙水，由大氣降雨供給，沿斜坡向前緣移動，局部在堆積前緣或地形發生急劇的變動，以下降泉的形式露出地表，井泉流量較小，水流動力不穩定，區內有3 個下降泉，流量在1～4L/min。第四系孔隙水主要分布在各主要河段，以中粗砂、砂質粘性土和碎石土為主，屬于沖洪積物，具有豐富的地下水和良好的滲透性能。在靠近河道的地方，由于地下水豐富，砂層對區間隴道開挖和排水的影響較大。

該隧道位于高山侵蝕地形中，穿越大雪山中部，經勘測數據分析，該隧洞不屬于全飽和帶，但有部分洞區可能位于地下水季節變化區。因此，在開挖過程中，部分洞口會出現涌流，必須采取相應的保護措施。

（2）補給、徑流、排放條件與動力特性。

補給條件與動力特性：隧址區為裸露巖溶區。由于補給渠道多為縱向裂縫，因此，補給量因季節的不同而不同，且供給模式通常比較集中，但不太穩定。

徑流條件與動力特性：隧址區屬厚層緩斜帶，其徑流狀況良好。根據縱向分帶性，可以將徑流劃分為四大循環帶：①含氣帶；②地下水季節變化帶；③完全飽和帶（處于水系排水系統）；④深層循環帶（不受鄰近水文網直接影響）。除垂直方向的水流動力分帶外，在水平方向上也表現出明顯的分帶性。當接近山谷時，水流條件越好，越接近分水嶺，水位越高，水動力條件越差。地下徑流的橫向和縱向的運動特點是：壓流與氣流共存，滲流與層流、素流共存，且相互作用的因素之間由于一方發生變化也會導致另一方產生變化。

（3）地下水影響。

該隧道水文地質狀況十分復雜。通過對工程地質調查數據的分析，認為該隧道圍巖不屬于水文網絡排水全飽和帶，但由于地下水會受到季節影響產生些許變化，從而使有部分洞區的地質性質有所改變。在開挖過程中，部分溪段會出現涌流，嚴重影響隧道的建設。在設計時，要充分考慮外部水壓對項目的負面影響，并采用疏、導、排等方法降低外水壓力對工程的影響。

2 高海拔地區公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護施工的主要方法

2.1 臺階法

臺階法是由一次開挖全剖面法發展而來，它通常是將整個開挖到支護前期的圍巖維持在一個穩定狀態的一種重要施工手段［3］。臺階法按臺階長度可劃分為長臺階法、短臺階法、超短臺階法。在實際工程中，應綜合考慮兩個因素：一是在初期支護形成封閉段的時間上；二是在圍巖條件不佳時，要縮短封閉時間。而在開挖、支護等工程中，對施工場地的要求是：設備和場地的比例。對于軟弱圍巖，應以前者為主，后一項為重點，以保證工程的安全；對于總體較好的圍巖，重點是如何使機械的效率得到最大限度的發揮。

2.2 全斷面開挖法

全斷面開挖法是按照公路隧道施工的設計要求，在一次爆破成形后，采取錨固和二次襯砌的施工工藝［4］。全斷面掘進法適用于整體良好的I～Ⅱ級圍巖［5］。同時，在施工現場，全斷面開挖法的實施需要大量的機械設備，并確保隧道與工程區段的間隔。通常，機械設備之間的間隔不能少于1km，否則難以獲得較高的經濟效益。

3 高海拔地區公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護施工要點分析

3.1 掘進機開挖施工要點

在公路隧道施工中，常用的是盾構法、TBM 法，在軟土地層中，一般采用盾構法，而在巖性地層中，TBM法是最常用的。根據圍巖的單抽抗壓強度和耐磨性等因素，對軟質圍巖進行掘進，既能保證圍巖的穩定，又能防止崩塌，對圍巖的影響較小。而在公路隧道施工中，掘進機的施工方式多為兩級臺階法，其開挖深度要根據工程地質情況和掘進機的選用來決定，臺階長度通常為長階梯，地質情況較差的隧道，可以采取中長階梯法或短階梯法。

3.2 鋼架施工要點

鋼架由工廠下料分節焊接而成，以確保各節段的弧度和尺寸滿足設計要求，各節的端部采用焊盤，接頭之間用螺栓固定。鋼架安裝時，要對其內部形態結構進行嚴格的控制，并留出一定的沉降量，避免對襯砌的凈空造成破壞，鋼架與圍巖之間的空隙必須采用噴射混凝土，以確保與圍巖緊密結合，并控制圍巖的變形；采用縱向連接筋將兩列鋼架之間的連接鋼筋圈相間隔1m，從而構成整體受力結構。

3.3 大拱腳鋼架設計施工要點

采用正步法施工時，為了保證正臺階結構的穩定性，在正臺階拱腳處設一個大拱腳，大拱腳高1m，寬0.5m。大拱腳鋼框架施工是在上一步開挖后，利用風鎬進行人工修鑿，使拱腳支立成型后，進行早期支護［6］。根據施工現場的實際情況，在進行大拱腳施工的過程中，其鋼架支護結構的選擇尤為重要。對于該工程項目而言，由于黃土地區具有良好自穩性，但薄層巖體等地質條件不理想，可采用正階梯法進行開挖，確保正臺階開挖的擴孔工作具備充足的時間，做到及時支護，以防止圍巖的崩塌。

3.4 噴射混凝土施工要點

在隧道開挖后，應盡快對圍巖進行封堵，采用噴水混凝土噴射機分段、分層噴漿，并及時進行養護。然而，在實際工程中，由于隧道施工中開挖斷面并不平滑，增加了噴射混凝土的施工難度，并增加了噴射混凝土的工作量。因此隧道施工時，應在噴漿之前，先用石棉板、木板等材料對凹坑進行封堵，再進行噴射混凝土，從而節省噴漿材料，降低噴砂作業的工作量［7］。

4 高海拔地區公路隧道工程軟弱圍巖開挖支護施工管理

4.1 施工現場管理

在公路隧道工程施工中，要強化施工組織和管理，重點是強化施工的安全。施工期間需要進行爆破、鉆孔、噴射混凝土、運輸等作業，在施工過程中會產生大量的有毒氣體和粉塵，因此，為確保施工作業人員的生命健康，必須對其進行通風，以確保施工現場的新鮮空氣供應，減少有害氣體、粉塵，確保施工作業人員在安全的條件下進行施工，加快施工進度。

4.2 施工風險管理

在隧道建設中，要特別注意對施工的風險進行控制，通過科學、成熟的技術、先進的設備，以防止地質災害、地質災害、有害氣體和高溫慣性事故等發生。在確定了風險項目和對其進行細致的風險評價后，就可以根據各種理論與實踐經驗相結合的方式規避和控制隧道建設中的各種風險，最大限度地減少和控制安全事故，從而有效地減少工程造價，使隧道工程的施工質量得到保障［8］。

5 結語

總而言之，隧道工程是國內公路建設中非常重要的工程項目，其對國家整體建設水平具有很大的參考價值，因此必須投以更多的精力。在實際施工中，由于隧道圍巖具有不穩定的可能性，會對隧道的施工產生很大的影響，要提高隧道的施工質量，就需要對隧道的支護作業加以重視。在開工之前必須詳盡了解隧道的圍巖結構、地質等基本條件，明確支護地點、方式、技術等要素，并結合實際情況選取最佳的施工方案開展作業，從而有效提高隧道結構的安全性能。