公路隧道軟巖變形及支護技術探討

摘要 隨著科技的不斷進步，我國的隧道工程施工技術取得顯著提升，有效推動了交通運輸行業的發展。但由于隧道工程施工及運營階段受現場地質條件影響較大，穿越軟巖、高地應力等不良地段時，極易產生巖體變形和坍塌等問題，引發質量安全事故，對社會經濟發展造成極為不利的影響。鑒于此，文章結合某隧道工程實際案例，針對隧道軟巖變形及支護技術展開綜合探究，闡述了隧道軟巖變形特征，分析了變形原因及影響因素，總結了隧道支護施工技術要點，取得了顯著成效。

關鍵詞 公路工程；隧道項目；軟巖大變形；支護技術

中圖分類號 U455.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0162-03

0 引言

隧道作為重要的交通基礎設施，對促進區域經濟發展與文化交流具有重要作用。隧道工程建設中經常會遭遇軟巖、高地應力帶等不良地質環境，支護不到位極易造成變形、坍塌等問題，引發施工安全事故，嚴重威脅施工人員生命安全。因此，積極開展隧道軟巖變形與支護研究勢在必行。該文結合某隧道工程實際案例，分析了隧道軟巖變形原因及影響因素，總結了隧道支護施工技術要點，有效控制隧道軟巖結構變形，保證隧道施工安全，為后續同類工程施工提供技術支持[1]。

1 工程概況

某隧道工程入口處為削竹門洞，出口處為端墻式門洞。采用分離式設計，左、右幅長度分別為15 221 m和15 163 m，設置三條斜井設施，結合現場實際通風情況，采用全射流縱向通風設計，有效改善洞內施工環境。隧道施工區域內褶皺和斷裂帶分布廣泛，地質條件復雜，巖層構造以板巖和炭質頁巖為主，板巖地段表現出顯著的高地應力、大變形特征，遇水易裂解變形，巖體穩定性較差，極易產生變形、坍塌等問題，嚴重威脅施工安全，是施工中面臨的主要難題。

2 公路隧道軟弱圍巖變形特征

（1）軟巖穩定性差，變形長期發展，形變量較大。

（2）巖體具有顯著的流變性特征，時間和空間效應較強，結構變形不斷累積，無法完成收斂，增加坍塌風險。

（3）軟巖對施工干擾較為敏感，自穩能力較差，隧道開挖會進一步增大巖體變形。

（4）巖體變形存在顯著的并發性，如產生拱頂下沉、側墻收斂、洞體坍塌、支護體系開裂、拱架變形等和顯著提高施工難度，威脅施工安全[2]。

3 變形成因及影響因素

3.1 圍巖特性

該隧道施工區域巖層分布以炭質板巖為主，變晶結構，成分包括砂質、鈣質、炭質和鐵質等，裂隙和節理發育，遇水易裂解軟化，圍巖自穩性能較差，隧道開挖后，極易產生塑性變形，導致支護體系受載增大，引發大變形和坍塌等問題。

3.2 支護技術參數

結合以往工程實踐，并根據現場實際支護情況發現，在軟巖地段采用常規支護參數進行支護的部位幾乎全部出現了大變形問題。通過具體試驗，增大鋼架規格、完善結構形式后，圍巖變形得到有效控制，局部位置因變形較大已超出極限，對拱架實施更換后，變形趨于穩定[3]。

3.3 地下水影響

因地下水在圍巖結構中的流動，造成軟巖結構快速裂解和軟化，承載力顯著下降，因此地下水侵蝕區域巖體變形較大。

3.4 施工工藝

隧道開挖時，初期支護施工質量對變形控制具有重要影響，鋼拱架安裝不規范，固定不牢固，錨桿設置及混凝土噴射質量等均會對變形造成一定影響[4]。由此可見，圍巖大變形成因較多。高地應力、軟巖是造成擠壓性變形的根本原因。外界因素干擾是導致擠壓性變形的誘因。支護結構施工工藝控制不嚴，造成承載能力不足是擠壓變形產生的直接原因。擠壓變形具有變形速度快、收斂速度慢的特點，黏塑性變形造成圍巖結構強度下降。高地應力和軟巖應力擴容膨脹是造成擠壓變形的關鍵所在。地下水弱化效應對圍巖變形具有一定影響。

4 公路隧道軟巖大變形支護施工技術

4.1 大變形體征

該隧道工程產生變形部位較多，最大變形量為

1 062 mm，速率150 mm/d，表面混凝土脫落，鋼拱架變形，初期支護體系完全破壞。針對此種狀況，對大變形區域所有鋼拱架實施拆除重換，部分位置反復多次更換，歷時300 d僅開挖支護約200 m。

4.2 施工過程控制

根據斜井及正洞變形具體狀況，結合試驗數據對支護參數、施工工藝及工法等實施優化，以防止侵限，避免拆除重換。支護參數在斜井施工過程中逐步完善[5]。

（1）第一次：采用I18鋼拱架封閉成環，錨桿長度3.5 m，噴射混凝土厚度23 cm，超前小導管長4 m，仰拱采用C35鋼筋混凝土，厚45 cm。炭質板巖大部分為薄層結構，風化程度高，結構破碎。I18型鋼拱架初期變形較小，由于斜井地質條件下的逐步惡化，鋼拱架變形越來越大。該施工段平均變形量為161.63 mm，最大變形量為378.81 mm（K0+250～300），72個監測斷面中有37個變形量超過150 mm，比重為51.39%。初期支護拱架密閉成環，部分巖體較差部位采用規格為I20b鋼拱架，變形量為150～200 mm，加強監測，布設錨桿，及時注漿，當變形超過200 mm，設置套拱進行加固[6]。

（2）第二次：采用I20b鋼拱架封閉成環，拱頂位置采用規格為Φ22 mm、長4 m的組合中空錨桿，側墻采用規格Φ22 mm、長4 m的黏結性砂漿錨桿，噴射混凝土采用強度為C35鋼筋混凝土。巖層為炭質板巖，風化程度高，結構破碎，地下水發育。巖層經地下水作用，承載能力顯著降低，變形嚴重。（K0+350～450）區段初期支護采用規格為I20b型鋼，水平位移大于150 mm的區段長度約105 m，需采取二次加固的區段長約84 m，初期支護早期變形速率較大，經二次加固處理后，變形顯著降低[7]。

（3）第三次：采用H150鋼拱架封閉成環，拱頂位置采用規格為Φ22 mm、長4 m的組合中空錨桿，側墻采用規格Φ22 mm、長4 m的黏結性砂漿錨桿，噴射混凝土采用強度為C35鋼筋混凝土。因隧道埋置深度增加，巖體壓力逐漸增大，造成圍巖變形加劇。全段采用H150型鋼拱架封閉成環，平均變形量為271.43 mm，斜（K0+550～600）區段初期變形量超過150 mm段落長度約165 m，套拱加固段長度50 m，變形處于可控狀態。

（4）第四次：采用HW175型鋼拱架封閉成環，拱架標準間距0.5～0.8 m，拱頂位置采用規格為Φ22 mm、長4 m的組合中空錨桿，側墻采用規格Φ22 mm、長4 m的黏結性砂漿錨桿，噴射混凝土采用強度為C35鋼筋混凝土。斜（K1+210～790）區段地質構造以板巖為主，為弱風化～強風化巖，利用正洞斷面實施模擬試驗。因正洞區域巖體結構較差，施工時仍存在較大變形，平均變形量達379.77 mm，最大變形量為726.44 mm斜（K1+310～400）區段，部分位置鋼拱圈需拆除重換。采用該試驗段，科學驗證了早強混凝土、高強混凝土和深孔錨桿等圍巖加固措施，效果顯著，確定了軟巖區域支護參數以HW175型鋼拱架為主的加固方案。

通過對支護參數的反復優化和調整，圍巖變形控制實現了由被動加固到主動預防的轉變，多數部位圍巖變形得到控制，保證了后續施工的順利進行[8]。

4.3 隧道支護形式

（1）鎖腳錨桿。隧道開挖過程中，上臺階初期變形速度較快，變形量較大，造成上臺階與中臺階拱圈難以相連，造成變形顯著增大。因此，必須加強上臺階變形控制，設置鎖腳錨桿；為保證加固效果，可設置2～3組（2根/組）。

（2）鎖固錨桿。因拱腳位置采用鎖腳錨桿進行加固，造成該部位應力顯著增大，極易形成節點破壞，因此在設置拱腳錨桿的同時，應在拱架連接板處增設鎖固錨桿，確保拱架均勻受力。

（3）徑向注漿。由于炭質板巖地層結構性能較差，注漿效果一般，洞體開挖后只埋設注漿管，然后根據圍巖實際變形情況合理安排注漿加固，確保加固效果。

（4）長錨桿。根據松動圈試驗及現場施工情況，大變形區域采用長度為7 m的自進式錨桿進行加固，以有效增強鋼拱架與巖體之間的連接效果，提高初期支護抗變形能力。

（5）臨時橫撐。實際施工中應根據圍巖變形情況，合理設置臨時橫撐，使松動巖體在橫撐作用下及時達到平整狀態，防止變形進一步發展，為后續加固提供有利條件，待注漿加固完成后，方可拆除橫撐。

（6）工法和工藝控制。由于H175型鋼自重較大，受工期、環境等各方面因素影響，隧道開挖采用三臺階法施工，階長以5 m為宜，特殊狀況下上臺階預留核心土，以確保初期支護盡快封閉成環，提升支護體系整體穩定性，保證施工安全。

4.4 二次支護施工時間的選擇

軟巖隧道二次支護施作時機的確定，是保證支護體系整體質量的關鍵。一般情況下，當圍巖應力、塑性區和變形速率達到穩定狀態后，開始二次支護施作。這主要是由于該狀態下圍巖膨脹變形已徹底消散，其承載能力不再發生變化，圍巖結構較為穩定。具體施工時可結合表面變形監測結果進行確定，當監測數據基本不變時，開始進行二次支護施工[9]。

4.5 隧道支護注意事項

（1）隧道開挖過程中及時噴射混凝土，嚴格控制掘進速率，確保盡快封閉圍巖。然后，根據相關規定將錨桿、鋼筋網及鋼拱架安裝到位，并分層噴射混凝土。

（2）所有錨桿位置設置對應尺寸的錨墊板，并采用焊接方式將錨墊板與鋼筋和鋼拱架形成整體，以有效提升穩定性，防止偏移。

（3）合理布置鋼拱架，防止接頭位于同一截面位置，形成受力薄弱環節。

（4）隧道支護時應全面考慮各方面因素，對于薄弱部位采取針對性加固措施，全面提升圍巖結構穩定性。軟巖變形及破壞早期較為輕微，因后續控制不當導致破壞區域逐漸增大，進而造成支護體系整體失穩。因此，隧道開挖完成后應及時檢查圍巖狀態，準確判定導致圍巖變形的誘因，確定應力集中部位，并采取針對性補強加固措施，降低應力集中導致的不利影響。

（5）注漿是隧道圍巖加固的主要方法之一，通過向圍巖內注射漿液，能有效封閉圍巖內部裂縫，消除水體滲透通道，降低水體對圍巖侵蝕作用，保證圍巖結構穩定性。對于斷裂帶，可采用帷幕注漿方式，以有效提升封閉堵水效果。

5 大變形控制關鍵技術

該工程采用大剛度H175型鋼拱架進行支護，根據圍巖具體狀況合理確定鋼拱架布設間距及預留變形量，依據實際變形情況，適時進行注漿加固、長錨桿、鎖腳錨桿、鎖固錨桿及臨時橫撐施作，以有效控制圍巖變形。

（1）根據圍巖監測結果及地質條件對變形趨勢實施預測，結合變形控制要求適時采取針對性加固措施，針對變形較大部位提高加固等級，以有效提升支護剛度，控制圍巖變形。

（2）拱圈部位采用管棚注漿加固，側墻部位設置加長中空注漿錨桿，特殊條件下采用長預應力徑向錨桿。掌子面采用正面噴射混凝土實施封閉處理，安裝全閉環鋼拱架，并設置鋼筋網噴射混凝土強化支護，以增強圍巖抗擠壓和抗變形能力。

（3）增加預留變形量。為避免初期支護變形過大造成侵限，隧道開挖時應適當增加預留變形量。

（4）隧道支護應遵循“先柔后剛、先放后抗、剛柔并濟”原則，提高初期支護抗變形能力。

（5）初期支護應及時封閉成環，以有效降低結構變形，提高圍巖整體穩定性。此外，增大仰拱厚度和曲率，能有效提升支護體系受力狀態。

（6）全程實施施工地質超前預報工作。通過超前鉆孔探測和TSP203地質預報系統等手段，分別從巖層特性、結構特性、地下水及圍巖應力等不同層面，分析對圍巖結構穩定性的影響。針對高地應力和軟巖區域，合理選擇探測手段，科學分析，對圍巖等級實施評價與修正，準確判定圍巖級別特征，從而制定針對性支護方案。

（7）加強圍巖變形監測。嚴格按照圍巖變形監測數據，并結合圍巖性能特征，制定科學有效的圍巖變形管控標準。根據監測結果，準確判定圍巖穩定程度，并利用監測數據實施動態化設計，保證設計方案與施工現場條件相匹配。

6 結論

綜上所述，隧道工程建設中經常遭遇軟巖、高地應力帶等不良地質環境，給施工帶來較大困難，嚴重威脅施工安全，積極開展隧道軟巖變形與支護研究勢在必行。該文結合實際工程案例，分析了隧道軟巖變形原因及影響因素，總結了隧道支護施工技術要點，有效解決了隧道軟巖變形問題，保證施工安全，取得了顯著的經濟和社會效益。

參考文獻

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