隧道軟弱圍巖新奧法施工技術(shù)分析

蔣 帆，劉中文

（中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310000）

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，橋梁、隧道等工程逐漸增多，根據(jù)我國(guó)隧道修建情況分析可知，其屬于資金技術(shù)雙密集型項(xiàng)目，即投資大、施工技術(shù)要求高，這主要是由于隧道屬于地下工程，具有隱蔽性、復(fù)雜性等特征，因此合理開挖支護(hù)十分關(guān)鍵，這直接關(guān)系到工程質(zhì)量、安全問(wèn)題。近年來(lái)，新奧法已經(jīng)成了我國(guó)山嶺隧道的主流工法，尤其是在遭遇軟弱圍巖時(shí)，通過(guò)超前支護(hù)方法的應(yīng)用可最大限度地利用圍巖自穩(wěn)能力，保證后期開挖作業(yè)的順利實(shí)施。同時(shí)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)等方法的應(yīng)用，為圍巖變形控制提供了可靠依據(jù)。文章主要圍繞新奧法施工技術(shù)要點(diǎn)展開詳細(xì)分析。

1 我國(guó)隧道工程修建情況

我國(guó)是一個(gè)多山嶺國(guó)家，傳統(tǒng)公路建設(shè)以盤山繞行為主，但是此類公路線路相對(duì)較長(zhǎng)，相應(yīng)的，車輛損耗、油耗較大。基于現(xiàn)代施工技術(shù)、機(jī)械設(shè)備的不斷發(fā)展，山嶺隧道修建成為可能，且施工效率、成本均有所保障，其可大幅縮短公路線路、加快行車速度，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年末，我國(guó)公路隧道里程達(dá)1896.66萬(wàn)m，其中，特長(zhǎng)隧道、長(zhǎng)隧道里程持續(xù)增加，此類隧道對(duì)開挖支護(hù)施工技術(shù)提出了更高的要求?，F(xiàn)階段，我國(guó)隧道工程的主流施工方法為“新奧法”，其改變了傳統(tǒng)的將圍巖完全看作是荷載來(lái)源的觀念，充分利用圍巖自穩(wěn)能力完成開挖作業(yè)。2015—2019年公路隧道里程統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 2015—2019年公路隧道里程統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合相關(guān)理論與工程實(shí)踐分析可知，隧道施工必然擾動(dòng)原狀土，引發(fā)地層變形，尤其是一旦遭遇軟弱圍巖，極易引發(fā)安全事故，由此，“新奧法”的應(yīng)用顯得尤為重要。新奧法施工原則可歸納為如下：超前探測(cè)、超前支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、早支護(hù)、勤量測(cè)。在隧道施工初期必須實(shí)施超前探測(cè)工作，判斷圍巖穩(wěn)定性，通過(guò)超前支護(hù)的方式，將圍巖納入支護(hù)系統(tǒng)，即錨桿、混凝土、隧道圍巖三位一體，共同承載山體壓力，同時(shí)通過(guò)監(jiān)控量測(cè)工作的實(shí)施，全面控制圍巖變形。為保證隧道作業(yè)的安全、高效完成，文章著重圍繞隧道軟弱圍巖新奧法施工技術(shù)的運(yùn)用展開分析。

2 隧道軟弱圍巖新奧法施工技術(shù)方法

隧道工程作業(yè)中，軟弱圍巖段開挖是一大重難點(diǎn)，軟弱圍巖經(jīng)擾動(dòng)后極易出現(xiàn)較大變形，甚至引發(fā)坍塌事故，新奧法施工技術(shù)的合理運(yùn)用具有關(guān)鍵意義，也是文章分析的重點(diǎn)。

2.1 軟弱圍巖變形特征

軟弱圍巖主要指受到外界荷載作用，極易出現(xiàn)明顯塑性變形的巖體，自穩(wěn)能力十分差，具體分類如圖1所示。

圖1 軟弱圍巖分類情況

在軟弱圍巖區(qū)域修建隧道，多數(shù)會(huì)出現(xiàn)拱頂下沉、周邊收斂變形較大的問(wèn)題，且不同種類的軟弱圍巖工程特性存在差異，無(wú)法一概而論，給隧道施工帶來(lái)較大的難度。結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可將隧道施工中軟弱圍巖變形特征歸納如下：（1）掌子面水平位移；（2）掌子面前方圍巖下沉；（3）洞壁收斂變形，包括拱頂下沉、邊墻位移等。由此，在進(jìn)行隧道軟弱圍巖施工時(shí)，必須重視圍巖穩(wěn)定問(wèn)題，合理采用新奧法，保證項(xiàng)目順利、完全完工。

2.2 新奧法施工技術(shù)要點(diǎn)

結(jié)合實(shí)踐分析可知，新奧法的核心在于“保護(hù)圍巖”，基于這一原則，根據(jù)圍巖穩(wěn)定性、施工條件等，靈活選擇開挖方法、輔助工法等，新奧法基本施工流程如圖2所示。

圖2 新奧法基本施工流程

隧道軟弱圍巖新奧法施工技術(shù)要點(diǎn)可歸納如下。

（1）設(shè)計(jì)施工一體化：隧道軟弱圍巖新奧法施工時(shí)，必須將設(shè)計(jì)、施工看作是一個(gè)系統(tǒng)工程，主要設(shè)計(jì)工作分為兩部分，一是合理掌握圍巖、隧道環(huán)境情況，合理確定隧道支護(hù)、開挖以及二次襯砌方法等，具體如圖3所示；二是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，不斷修正設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整施工方案，由此保證項(xiàng)目順利完成。

圖3 新奧法設(shè)計(jì)程序

（2）合理選擇開挖方法：根據(jù)隧道圍巖條件、施工安全要求，做好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，合理確定施工方法，不同方法的圍巖適用情況如表2所示。

表2 不同開挖方法的圍巖適用情況

（3）科學(xué)確定開挖輔助工法：軟弱圍巖條件下的隧道施工環(huán)境相對(duì)較差，極易出現(xiàn)圍巖松動(dòng)、坍塌的問(wèn)題，輔助工法的運(yùn)用十分關(guān)鍵。主要分為以下三種：①穩(wěn)定掌子面的輔助工法，此類工法主要有超前錨桿、超前小導(dǎo)管等，軟弱圍巖開挖施工掌子面極易出現(xiàn)剝落、局部坍塌的情況，通過(guò)超前支護(hù)可有效增強(qiáng)巖土體穩(wěn)定性，及時(shí)封閉掌子面上裂隙，保證掌子面可較好自穩(wěn)；②控制地表沉降的輔助工法，包括藥液壓注法、地層凍結(jié)法、垂直錨桿法等，切實(shí)保證地層穩(wěn)定；③改善掌子面上部圍巖的輔助工法，包括管棚超前支護(hù)、水平高壓旋噴法等，可用于塌方地段、軟弱破碎巖體加固施工，防止圍巖松弛。

（4）全面落實(shí)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋巖體情況：隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表3所示，切實(shí)保證圍巖變化處于可控范圍內(nèi)，使整個(gè)隧道開挖作業(yè)安全可靠。

表3 監(jiān)控量測(cè)

（5）做好隧道防水排水工作：軟弱圍巖隧道施工中一些坍塌事故的產(chǎn)生，與水的存在具有直接關(guān)系，因此開挖支護(hù)施工中，應(yīng)處理好地表水、襯砌背后的水、地下水等，二次襯砌施工風(fēng)險(xiǎn)分析圖如圖4所示。根據(jù)圖中各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分析可知，除了施工操作不當(dāng)所致的安全事故，水害是最大的威脅，在隧道實(shí)踐中必須合理運(yùn)用好排、堵、截、引等處理措施，切實(shí)保證隧道施工安全。

圖4 二次襯砌施工風(fēng)險(xiǎn)分析圖

3 隧道軟弱圍巖新奧法施工技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

文章主要圍繞陡巖村隧道工程中新奧法的應(yīng)用情況展開詳細(xì)分析，具體如下。

3.1 工程概況

建水（個(gè)舊）至元陽(yáng)高速公路項(xiàng)目TJ6標(biāo)段標(biāo)段全長(zhǎng)7.627km，陡巖村隧道為分離式隧道設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)2648m，該隧道由TJ6標(biāo)和TJ7標(biāo)各施工半座，該標(biāo)段施工進(jìn)口端段（建水端段），半座長(zhǎng)1321m。該隧道左右線進(jìn)口端均無(wú)明洞設(shè)置，采用端墻式洞門。在該標(biāo)段施工的半座隧道內(nèi)共有4個(gè)人橫洞、1個(gè)車行橫洞（Z5K60+281.214）和2道緊急停車帶（左右洞各1道，分別為Z5K60+281.214，長(zhǎng)50m；K60+260，長(zhǎng)100m），陡巖村隧道進(jìn)口端工程量如表4所示。

表4 陡巖村隧道進(jìn)口端工程量

3.2 圍巖情況分析

該項(xiàng)目隧道主要圍巖等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，隧址區(qū)地質(zhì)主要表現(xiàn)為多數(shù)地表為殘積層、部分坡積層或殘坡積層，洞頂以上為強(qiáng)風(fēng)化及全強(qiáng)風(fēng)化為主，部分中風(fēng)化；Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段巖石破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，對(duì)隧道開挖不利；Ⅲ級(jí)圍巖地段巖石完整，圍巖穩(wěn)定性較好，對(duì)隧道開挖有利；主要工程地質(zhì)問(wèn)題為活動(dòng)地裂與地震，其次為巖溶、潛在不穩(wěn)定斜坡和危巖落石等。施工中補(bǔ)充地質(zhì)勘探，Z5K59+821～Z5K60+203m、K59+760～K60+199m調(diào)整為V級(jí)圍巖，其余暫不調(diào)整。

3.3 新奧法施工的應(yīng)用

該項(xiàng)目隧道修建采用新奧法原理，按信息化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)流程進(jìn)行作業(yè)，具體如圖5所示。經(jīng)由綜合分析，該隧道初步確定洞口V級(jí)圍巖淺埋段洞身V級(jí)圍巖段均采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，對(duì)于洞身V級(jí)圍巖段較差的軟弱圍巖同時(shí)輔以φ108×8長(zhǎng)6m無(wú)縫鋼管作為鎖腳加強(qiáng)；洞身Ⅳ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法，臺(tái)階長(zhǎng)度5～15m；洞身、Ⅲ級(jí)圍巖段采用兩臺(tái)階法或全斷面法。隧道施工采用超前長(zhǎng)管棚、小導(dǎo)管支護(hù)方法，初期支護(hù)采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+C20噴射混凝土+鋼拱架，淺埋段、V級(jí)圍巖段及時(shí)施作二次襯砌（C25），確保圍巖承載能力良好。

圖5 信息化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)流程

3.4 關(guān)鍵施工工序與要點(diǎn)

（1）開挖施工：該項(xiàng)目隧道采用挖掘機(jī)+人工開挖方法，不爆破，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺0.5～1.0m，采用長(zhǎng)管棚、加密小導(dǎo)管超前支護(hù)；完成開挖后，及時(shí)進(jìn)行鋼支撐施工，并噴射混凝土；完成初期支護(hù)后，盡快澆筑仰拱二次襯砌混凝土，整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)圍巖擾動(dòng)較小。

（2）支護(hù)施工：該項(xiàng)目超前小導(dǎo)管采用雙層鋼管，初期支護(hù)采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+混凝土噴射+鋼拱架，切實(shí)保證圍巖穩(wěn)定可靠。

（3）仰拱施工：該項(xiàng)目仰拱每環(huán)施作1～2m，及時(shí)封閉成環(huán)，仰拱混凝土施工完成后做好養(yǎng)護(hù)，確?；炷翉?qiáng)度達(dá)標(biāo)后方可進(jìn)行下一循環(huán)作業(yè)。

（4）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：該隧道采用TGP206、LTD2100分別進(jìn)行長(zhǎng)期、中期地質(zhì)預(yù)報(bào)，分別預(yù)報(bào)120m、20m，以及采用超前水平鉆孔預(yù)報(bào)5～10m，這三種預(yù)報(bào)方法互相驗(yàn)證，超前水平鉆孔可直接揭示地層巖性、構(gòu)造以及地下水情況，用于不良地質(zhì)段效果顯著。

（5）圍巖監(jiān)控量測(cè)：監(jiān)控量測(cè)是隧道設(shè)計(jì)、施工方案優(yōu)化的重要依據(jù)，該項(xiàng)目拱頂下沉、周邊收斂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，初期拱頂下沉變形較大，隨著小導(dǎo)管注漿硬化后，圍巖變形逐漸得到控制，拱頂下沉、周邊收斂逐步穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，近些年來(lái)我國(guó)公路隧道規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，相應(yīng)出現(xiàn)的遭遇軟弱圍巖等問(wèn)題也越來(lái)越多。根據(jù)實(shí)踐情況分析可知，軟弱圍巖下開挖作業(yè)極易出現(xiàn)失穩(wěn)、坍塌等問(wèn)題，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此應(yīng)用新奧法在保證山嶺隧道安全、高效作業(yè)方面具有顯著意義。在隧道工程項(xiàng)目實(shí)施中，新奧法施工應(yīng)落實(shí)信息化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工，嚴(yán)格根據(jù)項(xiàng)目圍巖等級(jí)、周邊環(huán)境與施工條件等合理選擇開挖、支護(hù)方法，同時(shí)需落實(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)等工作，為實(shí)際作業(yè)開展提供可靠的依據(jù)，同時(shí)可根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果合理調(diào)整工法，保證項(xiàng)目高質(zhì)量、安全落實(shí)，獲得應(yīng)有的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。