軟巖大變形隧道施工技術研究

韓亞兵

（云南云嶺橋隧科技有限公司，昆明 650000）

1 引言

隨著經濟的發展，交通網絡持續完善，公路工程建設規模日益增加。同時，我國是一個多山國家，越來越多的公路開始向山區延伸。山區地勢起伏大、地質條件復雜，隧道建設難度大。當隧道穿越高地應力、軟弱圍巖體等路段時，可能出現大變形，造成施工困難、支護成本增加等問題，嚴重的會導致施工事故，危及施工人員的生命安全[1]。因此，進一步研究軟巖大變形隧道變形機制和施工技術意義重大。

2 軟巖隧道變形機制和分類

2.1 軟巖變形機制

隧道的開挖和支護措施受圍巖狀態影響較大，對圍巖分級十分必要。軟巖一般是指承載力低、變形量大、具有明顯崩解性和流變性的巖體，從圍巖級別上看，軟巖大多屬于Ⅴ級或Ⅵ級圍巖。根據GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》，隧道圍巖的軟硬程度取決于巖石單軸飽和抗壓強度Rc。當Rc＜15 MPa，隧道圍巖屬于軟巖[2]。

軟巖變形機理復雜，故將軟巖變形機制劃分為3 大類：Ⅰ型（物化膨脹型）、Ⅱ型（應力擴容型）、Ⅲ型（結構變形型），每種變形機制的具體分類見表1。

表1 軟巖隧道變形機制

2.2 軟巖大變形分級

軟巖隧道大變形可按“強度應力比”劃分為輕微（0.25～0.5）、中等（0.15～0.25）、嚴重（＜0.5）3 個等級。軟巖不同等級大變形的具體特點如下[3]：（1）輕微大變形。圍巖變形速率較小，掌子面圍巖被“擠出”，出現初支混凝土開裂、鋼拱架變形等現象。（2）中等大變形。圍巖變形速率較大，初支混凝土開裂、脫落、掉塊等，鋼架變形嚴重情況。（3）嚴重大變性。圍巖變形速率大，持續時間長，隧洞結構整體變形嚴重，支護措施不合理容易出現塌方事故。

3 軟巖大變形隧道開挖方法選擇

3.1 工程概況

扎務隧道地處瀾滄縣境內，西盟縣城北部山麓斜坡地帶，進口處位于扎務村北側2 km 處，出口處位于永不落村北側4 km 處。隧道右線起訖樁號為K451+310～K457+190、長度為5889 m；隧道左線起訖樁號為K451+265～K457+154、長度為5 880 m。洞身最大埋深688 m，隧道軸向238°，軸線地面標高1 359～2 088 m，設計路面標高1 360～1 460 m。

3.1.1 外界環境

根據地質勘察資料，隧址區分布地層主要為侏羅系泥巖、泥質砂巖。據所取樣品的抗壓強度試驗結果，圍巖天然抗壓強度為5.5～32 MPa，為軟巖-較硬巖，隧道處高地應力區，具備大變形發生的條件。不同地層的物理力學參數見表2。

表2 隧道圍巖計算參數

隧道所在區域屬亞熱帶氣候類型：降水量豐富，年均降水量2 758.3 mm，最高年（1991 年）達3 426.7 mm，且以短時強降雨為主。連續降雨天氣下施工隧道，容易出現塌方病害。

3.1.2 支護參數

隧道采用復合式襯砌進行支護，其中，初期支護為C25 噴射混凝土+鋼拱架+錨桿，二次襯砌為C30 或C35 噴射混凝土。此外，初期支護與二次襯砌直接設置防水板。

3.2 常用開挖方法對比

3.2.1 CRD 法

CRD 法是借助中隔墻和臨時仰拱將軟巖隧道的斷面劃分成多個區塊，以減小隧道結構所承受的圍巖壓力，隧道開挖的穩定性。以圖1 為例，CRD 法開挖軟巖隧道的施工順序有兩種：①→②→③→④或①→③→②→④。在實際施工時，工程師應結合隧道圍巖的性能選擇相應的開挖順序[4]。

圖1 CRD法開挖隧道示意

3.2.2 雙側壁法

雙側壁法的施工工序復雜、施工空間小，大型機械不易進場，且需要設置大量的臨時支持，但其最大的優點是對隧道地表沉降的控制效果好，適用于大跨徑淺埋隧道。雙側壁法的具體施工流程如下：首先，開挖隧道兩側導坑，及時施作初期支護及臨時支護；隨后，分部開挖、支護中部土體；最后，拆除隧道臨時支護。需要注意的是，臨時支護拆除時，拱頂下沉量宜≤0.3 mm/d，凈空變形量宜≤0.5 mm/d。

3.2.3 留核心土法

留核心土法是先從隧道拱部弧形開挖、支護。隨后，開挖中間臺階，當左、右側導洞開挖一定距離后，再開挖中間核心土；最后，再開挖隧道斷面下臺階，完成一個開挖循環。結合臨近項目建設經驗，該軟巖隧道的每循環進尺宜控制在0.5～1.0 m，且預留核心土面積≥隧道斷面面積的50%，隧道斷面開挖結束后，及時施工初支、二襯。

3.3 開挖效果評價

3.3.1 計算模型建立

利用MIDAS/GTS 軟件建立K452+300 斷面處的軟巖隧道斷面模型，計算了其在不同開挖方法下軟巖淺埋隧道的變形。綜合考慮模型邊界效應和計算效率，將隧道模型尺寸取50 m×20 m×50 m（長×寬×高）。同時，利用六面體單元模擬隧道圍巖。隧道結構周邊的網格適當加密，距離隧道中心軸線較遠的位置網格尺寸可取大值，最終共劃分2 016 個單元，2 368 個節點，見圖2[5]。

圖2 軟巖隧道有限元模型

3.3.2 計算結果

利用MIDAS/GTS 軟件模擬了CRD 法、雙側壁法、留核心土法開挖后軟巖隧道的最大拱頂沉降，計算結果表明：CRD法開挖隧道后，拱頂變形最小，僅0.9 mm；留核心土法開挖隧道后，拱頂變形最大，僅2.8 mm。雙側壁法的開挖效果介于兩者之間。從拱頂變形控制效果來看，建議使用CRD 法開挖軟巖隧道。

4 軟巖大變形隧道施工質量控制要點

4.1 大變形處理

扎務隧道埋深大，最大埋深為690 m，易于形成高地應力現象，可能導致巖爆及軟巖大變形等相關施工地質災害問題。隧道大變形預測采用工程地質綜合分析法，重點從地應力條件、巖石強度、地質構造、地下水發育特征、圍巖級別以及巖石膨脹性等方面開展分析。經判斷：K453+655～K453+785（130 m）、K454+220～K454+320（100 m）、K454+645～K455+435（790 m）存在輕微大變形，需制訂處理方案。

輕微大變形路段的隧道在施工時應堅持“先預報，預加固、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉”的原則。初期支護宜采用帶止漿塞的鉆、錨、注一體化的自進式注漿錨桿，鋼架采用可縮式U 形鋼架支撐，二次襯砌應設置足夠強度的仰拱，并盡早封閉成環。對規模較大、暫時難以治理的隧道路段，應設立警示牌、圍欄等安全設施。

4.2 加強監控量測

軟巖隧道變形機制復雜，在施工過程中應加強監控量測，掌握軟弱圍巖的變形規律，以便于動態調整支護參數。根據JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》，軟巖隧道的監控量測內容包括必測項目和選測項目，如表3 所示。

表3 隧道監控量測內容

檢測人員在上報軟巖隧道監控量測數據之前，要利用“回歸分析法”擬合圍巖變形與監測時間的關系，繪制沉降-時間曲線。如果發現變形數據不斷增大，且沉降-時間曲線沒有收斂趨勢，應立即停工，查明原因后才能復工。

4.3 管理措施

軟巖隧道施工時不僅要采取經濟合理的技術方案，還要加強施工管理，比如[6]：（1）加強培訓。施工單位定期組織職業培訓，提高施工人員的技術水平和增強其責任意識，掌握先進的軟巖隧道施工理念和方法。（2）建立完善的施工方案審核制度。技術人員編制好軟巖隧道施工方案后，提交給部分負責人復核，并形成復核意見。技術人員修改后，再提交給總工程師審核。（3）建立考核制度。施工單位應建議嚴格的獎懲制度，約束施工人員的施工。

5 結語

本文研究了軟巖隧道的變形機理、開挖方法及施工質量控制要點等，得到了以下幾個結論：

1）軟巖變形機制分為物化膨脹型、應力擴容型、結構變形型3 類，大變化可劃分為輕微、中等、嚴重3 個等級；

2）軟巖隧道常用開挖方法有CRD 法、雙側壁法、留核心土開挖法，其中，CRD 法對隧道變形控制效果最好；

3）軟巖隧道施工期間要加強監控量測，發現問題，立即停工。同時，還要建立完善的施工管理體系，改善施工質量。