公路隧道軟巖大變形及支護施工技術

何成素

(中鐵建云南投資有限公司，云南 昆明 650000)

1 工程概況

木寨嶺公路隧道位于甘肅省岷縣梅川鎮，采用分離式結構，進出、出口分別設置為削竹式、端墻式。左線長15 221 m，右線長15 163 m，設置3條施工配套斜井裝置，并基于現場通風條件采取針對性的縱向射流通風措施，以此改善隧道內部的施工環境。此外，配套照明、消防及監控設施，提供基礎條件保障。隧址穿越多條折皺、斷裂構造區域，隧道主要以炭質頁巖、板巖為主，隧道部分段落炭質板巖段存在高地應力、大變形特征，遇水易崩解軟化，圍巖穩定性極差，缺乏足夠的自穩能力，是施工中的主要干擾因素。

2 公路隧道軟弱圍巖變形特征

1)軟巖隧道變形的持續時間較長，產生的塑性變形量較大。

2)圍巖變形的流變特征突出，時間效應和空間效應均較為明顯，產生的變形量持續積累，難以有效收斂，因此有垮塌的風險。

3)軟巖對卸荷松動、施工震動的抵抗能力不足，加之隧道開挖等環節的擾動性影響，將加劇圍巖的變形量。

4)隧道圍巖變形具有并發性，例如出現拱頂下沉、邊墻收斂、隧道坍塌、噴射混凝土開裂，環、縱向裂縫，拱架內鼓、扭曲等問題，明顯加大工程施工難度，潛在諸多質量隱患和安全隱患。

3 公路隧道軟巖大變形支護施工技術

3.1 大變形體征

木寨嶺隧道自2016年7月以來，大部分地段出現大變形，最大變形達1 062 mm，最大變形速率達150 mm/d，噴混凝土剝落，拱架扭曲，初支結構破壞嚴重。對于大變形段進行了大范圍拆換拱架，局部地段甚至多次拆換，10個月僅完成開挖支護200余m。

3.2 變形成因及影響因素

1)巖性的影響因素。該地段炭質板巖板狀構造，變晶結構，主要成分砂質、鈣質、炭質、鐵質等，含石英細粒，裂隙、節理發育，遇水易軟化，微膨脹。炭質板巖的力學特點及微膨脹性，導致隧道開挖形成臨空面后，巖體易發生塑性變形而擠入隧道，加大支護結構的荷載，從而誘發大變形。

2)支護參數對變形的影響。現場實踐證明，在符合大變形巖性特征地段采用常規支護參數的結構大都發生了大變形現象，經現場試驗采用加大剛架型號、優化斷面形式等加強措施后，變形控制情況有較大改善，部分地段由于變形持續發展突破限值后，經采取套拱或拆換拱架等措施后大多趨于穩定。

3)地下水對變形的影響。由于地下水在軟巖中的出露會加速巖體的崩解，迅速降低其承載力，因此地下水發育軟巖地段變形速率和變形量都較大，地下水對變形影響顯著。

4)施工工藝的影響。施工過程中，初期支護施工工藝也是變形控制的影響因素之一，拱架安設不平順、連接不牢固、超挖及錨桿、噴射混凝土等都會對變形發展起到推波助瀾的作用。

綜上所述，大變形產生的原因由多種因素組成，可以總結如下：①高地應力、軟巖是擠壓性變形的內因；②施工擾動是擠壓性變形的外因；③支護強度不足、施工工藝控制不力是產生擠壓大變形的直接原因；④擠壓現象實質是一種變形速率快、收斂速率慢的巖體非線性流變，黏塑性變形導致巖體長期強度值降低；⑤高地應力軟巖應力擴容膨脹是擠壓變性的重要組成部分，而軟巖物化膨脹加劇了隧道擠壓變形；⑥水的弱化作用不可忽視。

3.3 施工過程控制

結合前期斜井及正洞變形段實際情況，根據現場試驗及科研階段成果，針對支護參數、施工工藝控制、工法等進行了分階段調整與優化，以避免侵限，杜絕拆換。支護參數在斜井工程實踐和試驗研究中逐步優化。

第一次：I18拱架全環設置，系統錨桿3.5 m，噴射混凝土23 cm，超前小導管4 m，仰拱45 cm，C35鋼筋混凝土。炭質板巖多為薄層，強風化，局部中厚層，巖體破碎，褶皺扭曲，局部滲水，I8型鋼拱架應用初期變形基本可控，隨著斜井深入及地質惡化變形逐漸增大。本段平均變形161.63 mm，最大變形378.81 mm(K0+250—300)，72個量測斷面中收斂變形大于150 mm的斷面有37個，占51.39%。初支拱架封閉成環，局部圍巖較差地段采用I20b型鋼拱架，及時封閉變形為150～200 mm，加強監測，及時注漿，增設錨桿變形>200 mm，增設套拱。

第二次：I20b拱架全環設置，拱部：3.5～4 m，Φ22 mm組合中空錨桿，邊墻：3.5～4 m，長4 m、Φ22 mm全長粘結型砂漿錨桿，C35鋼筋混凝土。炭質板巖，弱風化，薄層，局部中厚層，巖體破碎，地下水發育，最大涌水量25～26 m3/h。炭質板巖遇水后力學性能大幅下降，圍巖極易發生變形、坍塌、掉塊。(K0+350—450)段初支以I20b型鋼為主，水平收斂變形超150 mm的段落長達105 m，二次支護段落長84 m，前期變形發展迅速，經二次支護后變形基本得以有效控制。

第三次：H150拱架全環設置，拱部：長4 m、Φ22組合中空錨桿，邊墻：長4 m、Φ22全長粘結型砂漿錨桿C35鋼筋混凝土。隨著隧道埋深增加，圍巖壓力進一步增大，同時出現泥化夾層，導致圍巖整體穩定性降低。以全環H150型鋼拱架為主，平均變形271.43 mm，前期，斜(K0+550—600)段變形超150 mm段落長165 m，套拱段長50 m，變形基本可控；進入斜145～070斜后，變形呈增大趨勢，經采取加強措施后變形仍未有效控制，套拱長度60 m。

第四次：HW175型拱架全環設置，間距0.5～0.8 m，拱部：長4 m、Φ22 mm組合中空錨桿，邊墻：長4 m、Φ22全長粘結型砂漿錨桿C35鋼筋混凝土。斜(K1+210-790)副聯段以炭質板巖為主，弱風化～強風化，局部夾砂巖，褶皺扭曲，局部有黑色軟泥夾層及滲水鑒于前段大變形，采用正洞斷面進行模擬試驗。由于臨近正洞，地質極差，施工過程中變形仍較大，平均變形達379.77 mm，最大變形726.44 mm斜(K1+310—400)，局部拆換拱。通過該試驗段，對早高強混凝土、深孔錨桿等變形控制措施進行了試驗，并取得了較好效果，確定了正洞軟巖段支護參數以HW175型鋼拱架為主的總體思路。

經過幾個階段的調整與優化，變形控制逐漸由前期的“被動抗”轉變為“主動控”，大部分地段的變形得到了較為有效的控制，施工生產也逐步穩定。

3.4 隧道支護

3.4.1 支護形式

1)加強鎖腳及鎖固。施工中上臺階變形最大，往往呈現出初期變形快的特點，導致上中臺階拱架連接困難，進一步加劇變形發展。上臺階拱腳初期變形為變形控制的重點，必須加強鎖腳，必要時可增至2～3組(2根/組)

2)鎖固錨桿。由于拱腳處經鎖腳錨桿約束，致使該處應力過于集中，往往出現拱架節點破壞，因此，同時設置拱架鎖固錨桿于拱架連接板之間，并固定于拱架上，使拱架受力更趨均勻，避免拱架節點處因應力集中而破壞。

3)徑向注漿。鑒于炭質板巖或板巖原狀地層可注性不強，開挖后僅施作注漿管，據變形情況適時注漿補強，達到較理想的效果。通常大變形地段，將其納入工序根據變形等級管理，在變形達到一定程度時適時注漿，既具有一定的可注性，又可最大程度遏制變形。

4)長錨桿。結合松動圈測試及施工實踐，大變形地段采用7 m長自進式錨桿，以加強拱架與圍巖的連接力，與拱架、鎖腳、注漿等措施共同形成初期支護體系。一般設置于邊墻位置，雙線隧道必要時設置為鎖腳錨桿，水平向下打設。采用自進式，工效較低，對施工影響大，通過錨桿鉆機調研及改裝，在木寨嶺隧道2#斜井進行了試驗，工效得到了一定的提高；統籌安排工序作業，可與立拱與錨噴平行作業，盡量減少對施工的影響。

5)臨時橫撐。施工中嚴格按變形控制標準適時施作，使受擾動圍巖在橫撐的約束下盡快完成應力調整達到新的平衡，同時為其他補強措施爭取時間，避免拆換，拆除前應進行注漿補強。

6)工法、工藝控制。考慮到H175型鋼重量大、兩臺階施工時間長等因素，現場開挖以三臺階為主，臺階長度5 m左右，必要時上臺階預留核心土，可做到快封閉。工序化注漿，注漿補強納入工序管理，在上、中臺階拱架安設后施作邊墻徑向注漿管，既避免了后期鉆設注漿管無作業平臺的困難，還能保證注漿作業及時進行。

3.4.2 二次支護施工時間的選擇

軟巖隧道二襯施工時間的選擇尤為重要，通常在圍巖應力、塑性區及變形速率趨于穩定后施工二次支護結構，原因在于此時圍巖的膨脹變形在前期已經經過充分的釋放，圍巖所具備的承載力無明顯損失，整個圍巖的穩定狀態相對較好(進入等速蠕變階段)。可根據隧道表面位移監測數據而定，根據數據做出判斷，待表面位移速率趨于平緩時施作二次支護。

3.4.3 隧道支護注意事項

1)開挖后隨即初噴混凝土，嚴格控制開挖間距，從而封閉圍巖。隨后，按照要求將錨桿、鋼筋網及鋼架設置到位，再以分層的方式復噴。

2)各系統錨桿處均配套合適尺寸的鋼墊板，并以焊接的方法將其與鋼筋網、鋼架穩定結合于一體，提高整體穩定性，避免偏位。

3)有效處理鋼架接頭，避免接頭布設在同一截面鋼架拱部節點受力薄弱處。

4)施工中充分考慮各向異性，針對薄弱部位做補強處理，提高整體穩定性。軟弱圍巖的變形以及受損最初見于某處或多處，后續將由于控制不當而向周邊擴展，從而破壞整個支護體系的穩定性。因此，隧道開挖后隨即加強地質檢查，對巖體變形破壞的主要因素做出判斷，識別隧道應力集中的區域，再對此類部位采取加強支護措施，消除應力集中所造成的不良影響。

5)注漿也是隧道施工中的重點環節，在完成注漿作業后可借助漿液封堵圍巖裂隙，消除水的滲漏通道，以免因滲漏水而破壞軟弱圍巖的穩定性。針對活動斷裂帶，處理時可采取帷幕注漿的方法，使得圍巖堵水加固效果突出。

3.5 大變形控制關鍵技術

堅持“以抗為主，控放結合”的原則，木寨嶺隧道以大剛度的H175型鋼拱架為主，結合圍巖地質變化適度調整拱架間距和預留變形量，按照變形管理等級，適時施作注漿補強、長錨桿、鎖腳與鎖固錨桿、臨時橫撐等各項控變措施。

1)結合量測數據分析與地質情況預測變形發展，按照變形控制工藝要求及時施作各項措施，并對變形趨勢異常之處提高管理等級，以此提高支護剛度來降低隧道位移。

2)拱部鋼管棚注漿加固地層并超前支護，拱墻設系統長錨桿，錨桿采用加長中空注漿錨桿，必要時采用長預應力徑向錨桿；掌子面正面噴射混凝土封閉，架設全環鋼架、掛網噴錨加強支護，采用錨、注、噴一體化圍巖加固-支護系統，設底部橫撐或臨時仰拱，提高隧道抗擠壓，抗變形的強度。嚴格按超前及初期支護設計進行施工。

3)加大預留變形量。為了防止噴層變形后侵入二次襯砌的凈空，開挖時加大預留變形量，另外采取了不均衡預留變形量技術[1]。

4)施工支護采用“先柔后剛、先放后抗、剛柔并濟”原則，使初期支護能適應大變形的特點。

5)及時封閉仰拱特別是仰拱初支，是減小變形、提高圍巖穩定性的措施之一；另外加大仰拱厚度，增大仰拱曲率，也有利于改善受力狀況。

6)根據隧道始終存在順層偏壓的特點和順層巖層施工力學行為分析，確定地質順層情況下巖石傾角對隧道穩定性的影響，采取了不均衡預留變形量技術，不對稱支護措施，短進尺，微震爆破開挖，防坍塌。強支護，快封閉，仰拱緊跟對穩定支護的作用很大，保持仰拱、二次襯砌緊跟，盡量縮短仰拱、二襯到掌子面步距。采用間隔空眼、微差爆破技術以及左右側不均衡裝藥爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動[2]。

7)全過程實施施工地質超前預報工作。綜合應用超前鉆孔探測、TSP203地質預報系統等多種方法，從地層特性、結構面特征、圍巖應力、地下水四個角度切入，系統性分析各自對隧道穩定性的影響。對于可溶巖地段斷層、高壓富水地段等性質較為特殊、脆弱性較強的部分則加大探測力度，準確掌握實際情況[3]。對于高地應力軟弱圍巖，規范探測方法、準確分析，進行圍巖級別的判定與修正，根據所掌握的信息判斷圍巖級別的具體特征，據此組織設計工作。

8)加強圍巖監控量測。以軟巖變形監測數據為主要的分析對象，綜合考慮圍巖的特性以及變形特征，建立具有適用性的圍巖變形管理基準作為工作的引導。從監控量測數據出發，判斷隧道的穩定程度，同時基于數據做動態化的設計，確保成型的設計方案與現場地質條件相適應，在監控量測數據發生變化后適時調整設計參數。

4 結 語

軟弱圍巖地質條件特殊，加強處理具有必要性。通過本文有關工程實例的分析，提出了軟弱圍巖大變形的基本特點，并闡述了實際施工中應注重的關鍵支護技術要點，希望本文內容可以給類似工程提供參考，以此充分保證公路隧道施工安全，在此前提下達到提質量、增效率、創效益的效果。

[ID:013037]