軟弱圍巖公路隧道施工方法

摘 要：本文首先介紹了軟弱圍巖隧道地質(zhì)工程特點，然后介紹了軟弱圍巖隧道施工方法，最后分析了軟弱圍巖隧道施工技術(shù)的重點控制。供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；公路；隧道施工

中圖分類號：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0180-02

引 言

軟弱圍巖公路隧道的施工兼具復(fù)雜性與困難性，公路交通的施工安全性以及其質(zhì)量與進(jìn)度等均能夠在不同程度上受到此工程施工的影響。同時，軟弱圍巖隧道的施工能夠極大地促進(jìn)整個公路工程項目建設(shè)的順利開展。鑒于此，施工單位需要采取一定的措施，不斷優(yōu)化相應(yīng)的施工技術(shù)，從而為軟弱圍巖公路隧道工程的施工提供技術(shù)上的支撐。

1 軟弱圍巖隧道的地質(zhì)工程特性

軟弱圍巖隧道是一項難度大的工程，影響到施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度和效益。隧道圍巖的劃分，無論是鐵路隧道、水工隧洞還是公路隧道圍巖分類，主要是根據(jù)圍巖狀態(tài)的完整性和穩(wěn)定性等基本因素，考慮圍巖巖石強度、地下水作用及風(fēng)化程度等因素，將圍巖劃分成不同的等級，編制成具有定性定量指標(biāo)的隧道圍巖分類表。實際施工中，通過各種地質(zhì)勘探手段取得的資料，與圍巖分類表比較以確定圍巖類別。

1.1 地質(zhì)特征

隧道施工中軟弱圍巖多劃分為Ⅳ～Ⅵ級圍巖。軟弱圍巖，主要是指第四系全新、中更新、更新統(tǒng)的殘坡積土部份，包括沖積河岸和池塘、淤積層、人工雜填土、喀斯特洞穴填土、水田、風(fēng)積砂和新舊黃土等。軟弱圍巖的特點是：內(nèi)摩擦角小、粘聚力弱；易發(fā)生蠕變、滑移、濕陷或膨脹、坍塌等。中國北、南地區(qū)軟弱圍巖特征不同，北部地區(qū)軟弱圍巖含水率較低，經(jīng)過浸水飽和，易坍塌、喪失承載力；南部地區(qū)軟弱圍巖含水率較高，經(jīng)施工擾動易液化呈流動狀。簡單地說，軟弱圍巖就是整體強度不高、完整性又不太好、結(jié)構(gòu)相對松散、RQD值（巖石質(zhì)量指標(biāo)）低的圍巖。

1.2 工程特性

軟弱圍巖隧道施工的特點主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）由于軟弱圍巖擾動后的穩(wěn)定能力較差，需采用逐步施工和化大為小的施工方法，但工藝是多種多樣的，如CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，形成閉環(huán)時間長，可能影響工程進(jìn)度；

（2）由于軟弱圍巖的地質(zhì)情況復(fù)雜多變，難以一次性明確地質(zhì)情況，施工方法和設(shè)計參數(shù)可能會伴隨施工過程發(fā)生改變，增加了施工難度；

（3）隧道施工中遇到薄弱巖層及其影響帶時，存在較大的安全風(fēng)險。這無疑會給企業(yè)管理者和作業(yè)人員帶來更大的壓力，檢驗其對施工技術(shù)和施工質(zhì)量的把控能力。

2 軟弱圍巖隧道施工方法

隧道一般采用新奧法施工技術(shù)，它是巖土力學(xué)原理的基礎(chǔ)，盡量減小隧道開挖過程中對圍巖的擾動，將圍巖支護(hù)體系成為圍巖的重要組成部分。通過監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報指導(dǎo)隧道的設(shè)計和施工。

施工中必須遵循的原則是：

（1）利用圍巖的自穩(wěn)能力來保持圍巖的穩(wěn)定性。

（2）隧道二襯施工前以初期支護(hù)主要支撐手段，使周圍環(huán)境得以穩(wěn)定。初期支護(hù)在超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)后及時施作，采用噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)片以及鋼拱架進(jìn)行全環(huán)封閉。

（3）在開挖時，盡量不要干擾圍巖，隧道開挖周邊輪廓應(yīng)圓順，避免應(yīng)力集中。應(yīng)按設(shè)計要求預(yù)留變形量，且預(yù)留變形量大小應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測信息進(jìn)行調(diào)整。

（4）在初期支護(hù)和圍巖穩(wěn)定后才能進(jìn)行二次襯砌。

2.1 洞口段施工

隧道洞口段通常具有圍巖埋深淺，覆蓋層薄，地質(zhì)狀況差，圍巖等級低的特點。洞口段的施工是整個隧道工程的重點，也是難點。洞口段的施工對隧道施工質(zhì)量的全面提高有著重要的影響。

洞門型式綜合考慮地形、地貌、洞口地質(zhì)條件及附近建筑物和周邊自然環(huán)境等因素，按照“安全、經(jīng)濟(jì)、和諧、自然”的原則確定。為保證安全進(jìn)洞，洞口一般都采用套拱+超前大管棚進(jìn)洞。以達(dá)到穩(wěn)定洞口、加固地層，確保洞口圍巖穩(wěn)定的目的。具體施工方法為：

（1）首先進(jìn)行邊坡危石清理及主被動防護(hù)網(wǎng)的施工。

（2）根據(jù)洞口邊仰坡放線結(jié)果，在距邊仰坡開挖線邊緣5m處設(shè)置截水溝。

（3）截水溝施工完后，進(jìn)行洞口臨時開挖邊仰坡的錨噴防護(hù)，對邊仰坡進(jìn)行封閉，自上而下，每開挖一級，防護(hù)一級。另外，針對洞口地段的地下水、地表水富集及邊坡巖體松散的情況，可以使用超前注漿小導(dǎo)管對洞口圍巖及洞頂?shù)乇磉M(jìn)行預(yù)加固，確保下一步隧道施工安全。

（4）洞口邊仰坡開挖及防護(hù)完成后，開始進(jìn)行套拱開挖。套拱土石方開挖遵循由上至下開挖，在確立護(hù)拱中、邊線后，在拱架內(nèi)側(cè)預(yù)留核心土（填筑工作平臺），以方便護(hù)拱鋼架的安裝及導(dǎo)向墻內(nèi)模的支撐及加固。

（5）待洞口上斷面開挖完成后，及時施工套拱。套拱底部設(shè)置混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，以保證其基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。套拱內(nèi)設(shè)工字鋼架，鋼架外緣預(yù)設(shè)導(dǎo)向鋼管。套拱施工完畢后，應(yīng)及時進(jìn)行超前大管棚鉆孔及注漿預(yù)支護(hù)。

2.2 隧道洞身施工

在軟弱圍巖的施工中，隧道開挖以減少對圍巖的擾動，保證開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性為原則，采用短臺階，分步平行開挖，開挖前應(yīng)先施作超前支護(hù)。初期支護(hù)應(yīng)配合開挖作業(yè)同步進(jìn)行，及時進(jìn)行初期支護(hù)（錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼拱架+噴射混凝土）及二襯的封閉成環(huán)，確保圍巖穩(wěn)定及施工安全。

洞身施工中，需設(shè)置輔助防排水措施。隧道防排水原則：防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理，達(dá)到排水暢通、防水可靠、經(jīng)濟(jì)合理、不留后患的目的。對導(dǎo)水?dāng)鄬悠扑閹Э赡馨l(fā)生地下水大量流失的地段“以堵為主，限量排放”防排水系統(tǒng)，由EVA排水板+無紡布、止水帶、拱墻背后環(huán)向排水管、集中股水引排環(huán)向排水管、邊墻縱向排水管、電纜溝至中心水溝橫向排水管、隧底橫向排水管、橫通道交叉口預(yù)埋管、路面排水淺槽、中心水溝及檢查井等組成。

若基底圍巖軟化或圍巖松動破碎，可對基底進(jìn)行注漿預(yù)加固，固結(jié)基底破碎圍巖，提高其整體性，以確?；追€(wěn)固。有效控制沉降量，確保隧道的安全。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報，當(dāng)斷層圍巖出現(xiàn)富水情況，可能產(chǎn)生突涌水時，則設(shè)止?jié){墻對掌子面前方進(jìn)行全斷面深孔預(yù)注漿；當(dāng)掌子面為巖質(zhì)較好的斷層破碎帶及大的溶縫，且地下水發(fā)育時，可對掌子面前方進(jìn)行深孔周邊預(yù)注漿。在確定實施前，應(yīng)在超前地質(zhì)預(yù)報（物探）指引下鉆3～5個超前鉆孔以探明地下水發(fā)育情況、巖體完整程度等地質(zhì)情況，各探水孔至少應(yīng)有三孔出水。最終是否實施預(yù)注漿應(yīng)結(jié)合物探結(jié)果、探水孔水量及圍巖條件等綜合判斷。

實際施工中情況會有較大的差異，在選擇具體施工方法時應(yīng)充分結(jié)合圍巖的特點，對隧道洞身開挖、支護(hù)等關(guān)鍵工序進(jìn)行多種施工方案的綜合比選，在技術(shù)可行的前提下，優(yōu)選最佳方案。此外，還應(yīng)借鑒以往的施工經(jīng)驗，對方案進(jìn)行可行性論證，避免出現(xiàn)重復(fù)性錯誤。

3 軟弱圍巖隧道施工技術(shù)關(guān)鍵控制

3.1 軟弱圍巖支護(hù)作用機(jī)理分析

從地質(zhì)工程的角度看，軟弱圍巖因強度小而不穩(wěn)定，必須對其進(jìn)行改造，以滿足隧道工程的安全要求。支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)表如表1。支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)所示。

3.1.1 預(yù)注漿加固

超前小導(dǎo)管注漿及隧道徑向預(yù)注漿加固對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、完整性以及其承載力的提高有著十分重要的作用。能夠使支撐結(jié)構(gòu)的承載力以及其適應(yīng)性得以極大地提升。在注漿之后，原本相對疏散的巖體能夠固結(jié)在一起，這對于巖體的內(nèi)摩擦角以及內(nèi)聚力的提升十分重要，有利于提高巖體自身強度。

3.1.2 錨桿加固圍巖

初噴混凝土施工完成后，沿隧道環(huán)向設(shè)置系統(tǒng)錨桿，鋼筋網(wǎng)隨巖面的起伏進(jìn)行鋪設(shè)，與錨桿聯(lián)絡(luò)牢固，確保初期支護(hù)不失穩(wěn)。錨桿是利用自身的強度來支撐圍巖的。通過錨固接頭周圍的節(jié)理、裂隙或軟弱圍巖來提高巖體的強度。

3.1.3 鋼拱架

隧道初期支護(hù)噴射混凝土施工前須架立支撐鋼拱架，鋼架通常由多個單元組成，各單元由工字鋼、連接板焊接成型、鋼筋加工場集中制作，各單元間采用螺栓連接，主筋、角鋼、連接鋼板均采用焊接，焊縫等級為二級；鋼架間設(shè)縱向連接筋。鋼架在初噴混凝土4cm后架設(shè)，架設(shè)完畢后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。工字鋼鋼架必須與圍巖及初噴面緊密接觸，有間隙時應(yīng)采用混凝土墊塊楔緊。鋼架安裝應(yīng)確保兩側(cè)拱腳必須放在牢固的基礎(chǔ)上，拱腳嚴(yán)禁懸空。

鋼拱架的作用機(jī)理概括如下：在開挖軟弱圍巖地下工程的時候，由于圍巖的穩(wěn)定性、錨噴混凝土支護(hù)阻力相對來說無法滿足實際需要，而在進(jìn)行開挖之后，需要在較短的時間內(nèi)對圍巖進(jìn)行支撐，因此，在此過程中，對于鋼支撐的方式應(yīng)用的比較多。這是因為鋼支架具備較高的剛度與強度，能夠在很大程度上對圍巖的松動與變形壓力進(jìn)行承受。從施工方面來說，鋼支架的施工相對便捷，在較短的時間內(nèi)能夠提供較強的支護(hù)作用給軟弱圍巖地下工程圍巖，并且其能夠在很大程度上使地下工程的圍巖變形問題得以切實有效的避免。

3.1.4 噴射混凝土

隧道噴射混凝土采用濕噴技術(shù)施工。通常分二次噴夠設(shè)計厚度，初噴厚度4～6cm，鋼筋網(wǎng)、鋼架安裝就位后，鋼架與圍巖之間的間隙應(yīng)用噴射混凝土充填密實，并使鋼架與噴射混凝土形成整體。

噴射混凝土的作用機(jī)理概括如下：改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。由于噴射層可以緊密地附著在圍巖上，并能對圍巖表面提供阻力和剪切力，圍巖處于三向受力的有利狀態(tài)，防止圍巖強度惡化。通過填充圍巖，分布外力，防止圍巖松動，間接提高圍巖的圓周力，提高復(fù)合式襯砌的質(zhì)量，可以提高復(fù)合式襯砌的支護(hù)能力。噴混凝土層直接附著、覆蓋在巖石表面上，形成風(fēng)化、保水的保護(hù)層，并阻止節(jié)理裂隙中充填物流失。

3.1.5 二次襯砌

隧道二襯應(yīng)在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，變相趨勢穩(wěn)定應(yīng)符合以下要求：

（1）隧道周邊變形速率明顯下降并趨于緩和。

（2）水平收斂<0.2mm/d、拱頂下沉速率<0.15mm/d。

（3）施作二襯前的累計位移值達(dá)到設(shè)計預(yù)留變形量的80%以上。

其中軟弱圍巖段可能產(chǎn)生大變形，變形長期不能趨穩(wěn)，計位移值達(dá)到設(shè)計預(yù)留變形量的80%，二次襯砌可提前施作。

二次襯砌距掌子面的安全步距按相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行。

3.1.6 超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測

隧道超前地質(zhì)預(yù)報以工程地質(zhì)分析為核心，堅持粗查與精查相結(jié)合、隧道洞內(nèi)探測與洞外地質(zhì)勘探相結(jié)合、地質(zhì)方法與物探方法相結(jié)合、多種物探方法相結(jié)合、物探與超前水平鉆探相結(jié)合，開展多層次、多手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報，并貫穿于施工全過程。其目的為：

（1）超前地質(zhì)預(yù)報工作可進(jìn)一步查清因前期地質(zhì)勘察工作的局限而難以探查的、隱伏的重大地質(zhì)問題，根據(jù)掌握的地質(zhì)災(zāi)害前兆和超前預(yù)測預(yù)報地質(zhì)災(zāi)害，及時改進(jìn)施工方法，調(diào)整施工工藝，確定防災(zāi)預(yù)案，進(jìn)而指導(dǎo)工程施工的順利進(jìn)行。

（2）超前地質(zhì)預(yù)報工作可降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率。

（3）通過開展超前地質(zhì)預(yù)報工作，為變更設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)。

監(jiān)控量測主要包括洞內(nèi)外觀察、周邊位移量測、地表沉降觀測，其目的為：

（1）地掌握圍巖和支護(hù)的動態(tài)信息并及時反饋，指導(dǎo)施工作業(yè)。

（2）通過對圍巖的變形、應(yīng)力量測，為調(diào)整設(shè)計提供依據(jù)。

3.2 隧道塌方的預(yù)防

在軟弱圍巖隧道施工中容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，坍塌會給施工帶來很大的困難和一定的經(jīng)濟(jì)及工期損失，嚴(yán)重的還會造成人員傷亡，因此在施工過程中必須預(yù)防安全事故的發(fā)生。施工隊在確認(rèn)軟弱圍巖后，首先要充分了解軟弱圍巖的特點，通過勘探取樣，然后根據(jù)其特點定性優(yōu)選方案，確保施工進(jìn)度計劃，避免發(fā)生坍塌事故。同時，在隧道施工過程中，應(yīng)充分利用超前地質(zhì)預(yù)報查明地質(zhì)情況，及時改進(jìn)施工工藝，降低坍塌的發(fā)生概率，以更好地保證工程順利推進(jìn)。

3.3 爆破超欠挖控制

超欠挖控制是軟弱圍巖隧道施工的一個重要環(huán)節(jié)，對整個工程的質(zhì)量和安全運行有著重要的影響。因此，在這一環(huán)節(jié)中必須高度重視，以保證施工質(zhì)量。隧道開挖過程中，挖的過多或過少都會影響整個隧道開挖工程的正常有序施工，造成圍巖穩(wěn)定性的損失，同時也可能造成成本增加，因此，在開挖過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制超欠挖，超挖部位必須采用噴射混凝土回填或用同強度等級的混凝土模筑，嚴(yán)禁人為預(yù)留空腔或摻填片石。特別在鉆爆法施工中，只有良好的控制爆破范圍和程度，才能從根本上控制超挖，確保工程順利進(jìn)行。

3.4 襯砌排水

與防坍塌事故一樣，預(yù)防為主，防治結(jié)合是襯砌防排水下作的重要原則，做好防排水對于襯砌具有重要的意義。這就要求在初期支護(hù)完成后將波紋滲透管設(shè)置好，并將水引至中央排水溝中排出。在初期支護(hù)和二次襯砌中，有必要采用防水板進(jìn)行精確鋪設(shè)，以保證水不能深入到襯砌中。其次，防水混凝土應(yīng)用于二次襯砌的施工中。在鋼筋的焊接過程中，要在周圍放置石棉板，更好地阻斷火花進(jìn)入防水層，一旦人們?yōu)R到防水層很可能會導(dǎo)致不同程度的防水層損壞。焊接后取出石棉板。同時，在混凝土施工過程中，還應(yīng)注意混凝土振動作業(yè)的布置與防水層的接觸，避免防水層的損壞，從而影響正常的施工工作。

4 結(jié)束語

首先，加強公路隧道軟弱圍巖施工技術(shù)，確保公路隧道施工質(zhì)量的科學(xué)有效應(yīng)用，對安全和進(jìn)度有著重要的影響，這就要求施工企業(yè)能夠從目前的條件出發(fā)。在工程建設(shè)方面，從隧道塌方防治、超限控制爆破、襯砌施工難點等方面，加強了防排水標(biāo)準(zhǔn)施工技術(shù)的應(yīng)用，同時要規(guī)范工序、規(guī)范施工工藝，才能從根本上保證公路隧道施工質(zhì)量，降低安全隱患，為順利完成公路隧道工程在軟弱圍巖中的施工提供重要的質(zhì)量保，對我國隧道工程的施工提供技術(shù)上的補充。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-6-22

作者簡介：任小勇（1976-），男，漢族，四川鹽亭人，工程師，本科，主要長期從事公路工程施工和管理工作。