公路隧道軟巖大變形施工技術(shù)分析

羅煜

（江西省交通工程集團建設(shè)有限公司，江西南昌 330038）

0 引言

公路隧道是我國極為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，而很多隧道項目都建設(shè)在地質(zhì)條件惡劣的區(qū)域，極大地影響了隧道工程的建設(shè)和運行效果。軟弱圍巖是目前隧道工程建設(shè)遇到的最為明顯的問題，其中大變形的問題尤其難以有效控制，威脅隧道工程的安全性。軟弱圍巖屬于特殊的地質(zhì)條件，其主要包含泥巖、千枚巖等類型，由膨脹性黏土礦物以及泥質(zhì)等組成，主要特點是強度較低、膠結(jié)性較差，土體的單軸抗壓力學性能很差。本文對于軟弱圍巖的性質(zhì)進行研究，選擇合適的軟巖大變形施工技術(shù)，希望可以提升隧道工程的質(zhì)量。

1 軟巖隧道施工概況

某隧道項目施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件比較差，為典型的軟弱圍巖地質(zhì)條件，表面以紅色為主。在巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)，包含石英砂巖、泥巖等物質(zhì)，破碎和風化比較嚴重，節(jié)理發(fā)育明顯，受到的擠壓比較大，巖體的顆粒物比較多，遇水容易發(fā)生膨脹、泥化、軟化等問題，強度性能比較低，結(jié)構(gòu)變形較為嚴重。如果盲目進行施工，極易出現(xiàn)拱頂坍塌事故?；诖?，該項目選擇應用超前小導管與拱架鎖腳錨管的方式進行施工。

2 軟巖變形問題分析

2.1 軟巖形變特征分析

軟巖隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形的主要特征包含下述三點：其一，開挖環(huán)節(jié)容易發(fā)生變形，以初期塑性變形為主要形式，且變形發(fā)展的速度快、變形量大，而且會出現(xiàn)嚴重的破裂問題，有些部位甚至出現(xiàn)100cm 以上的變形量。其二，變形存在持續(xù)性的特點，即變形會長久存在，無法從根本上消除。形成該現(xiàn)象的原因是軟弱圍巖結(jié)構(gòu)長期受到外部作用力影響，發(fā)生蠕變反應，所以應力釋放的速度會比較緩慢。通過應用隧道內(nèi)支護以及襯砌結(jié)構(gòu)可以改善其性能。其三，支護結(jié)構(gòu)要求較高。一旦選擇應用的支護結(jié)構(gòu)不合理，在隧道開挖環(huán)節(jié)容易發(fā)生塑性變形問題，結(jié)構(gòu)損壞程度比較嚴重，甚至會威脅隧道工程的安全性和穩(wěn)定性，危害性非常大。

2.2 軟巖變形問題的強度特征分析

軟弱圍巖結(jié)構(gòu)的強度通常比較低，在隧道施工過程中，變形強度具有如下特征：其一，軟巖強度和巖體強度呈正比例關(guān)系，即巖體強度越高，軟巖強度就越高。其二，軟巖的含水量比較高，并且受到地下水的持續(xù)性作用，導致結(jié)構(gòu)存在軟化、泥化等現(xiàn)象，軟巖會因為土體的軟化而出現(xiàn)塑態(tài)變形的情況，力學性能比較差，黏聚力不足，造成圍巖強度比較低，容易發(fā)生嚴重的事故。其三，軟巖的施工作業(yè)范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)斷層或者擠壓破碎的情況，將導致嚴重的地質(zhì)問題，軟巖的強度性能會進一步降低，對整個隧道施工產(chǎn)生嚴重的危害。

3 控制變形的措施

在公路隧道施工中，要想全面提高整體的施工效果，就要將施工技術(shù)合理地應用到工程實踐中，以下對公路隧道軟巖大變形施工技術(shù)進行分析，為隧道項目的開展奠定良好基礎(chǔ)。

3.1 超前小導管

針對V 級圍巖結(jié)構(gòu)，超前支護作業(yè)施工的主要材料是φ42 小導管，長為3.5m，縱向間距為2.4m，環(huán)向間距為0.5m，每環(huán)為21 根，搭接長度不少于1m；鋼架結(jié)構(gòu)采用格柵鋼架，按照0.8m 的間隔距離進行設(shè)計。掌子面進尺根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)確定，并且根據(jù)圍巖的特性及時做出調(diào)整，每次進尺控制在兩榀以內(nèi)，即開挖距離為1.6m。根據(jù)該工程的設(shè)計方案，超前小導管設(shè)計長度為6m，為了現(xiàn)場施工更加方便，也能提高材料的利用率，將超前小導管縮短為3m，以提升結(jié)構(gòu)的性能，施工效率也會更高。隧道超前小導管如圖1所示。

圖1 隧道超前小導管施工示意圖

在現(xiàn)場安裝過程中，超前小導管施工的支護作業(yè)范圍是拱部144°，并加強外插角度的控制。如果角度比較小，極易導致開挖后凈空侵限，鋼架安裝作業(yè)難度較高，施工速度減慢；如果角度比較大，開挖施工后拱部超挖的問題會比較嚴重，導致漿液的利用率較低，還會產(chǎn)生空腔的問題，影響結(jié)構(gòu)安全性。對于大里程的結(jié)構(gòu)而言，縱坡設(shè)計為2.28%，經(jīng)過現(xiàn)場各項指標計算分析，發(fā)現(xiàn)其性能和質(zhì)量合格，最終確定小導管外擴角度為2°。同時，為了提高掌子面作業(yè)的安全性，避免拱部出現(xiàn)開裂、掉塊等病害問題或者坍塌事故，該項目選用單排小導管加密至雙排小導管施工方案。

3.2 鎖腳錨管

結(jié)合該隧道工程的建設(shè)需要，鎖腳錨桿制作材料是φ42 小導管，長度為3.5m，上臺階拱腳及中、下臺階左右側(cè)拱腳結(jié)構(gòu)上均布置2 根。經(jīng)過對現(xiàn)場施工作業(yè)參數(shù)的檢測確定，發(fā)現(xiàn)該初支變形的結(jié)構(gòu)主要是在中臺階拱腳的位置上，所以必須全面提高拱腳結(jié)構(gòu)的性能，達到加固的效果。根據(jù)工程設(shè)計方案的要求，采用加密鎖腳的施工方式，將原設(shè)計的2 根錨桿增加到4 根，從而提升鋼架結(jié)構(gòu)性能，使其具備較高的抗拔力。在現(xiàn)場施工過程中，要保證鎖腳錨管安裝的角度符合要求。根據(jù)設(shè)計方案，該隧道項目兩根相鄰鎖腳錨桿的夾角為20°，最上部的一根與水平方向的夾角為20°。鎖腳錨管和鋼筋支架連接所使用的L 筋采用φ22 鋼筋制作，長度為40cm。因為該隧道項目的軟巖性質(zhì)較為特殊，遇水膨脹比較嚴重，導致圍巖變形量大，所以在設(shè)計方案中使用早強錨固劑進行固定處理?？墒褂蔑L槍將錨固劑吹入小導管內(nèi)，并達到均勻性要求，使錨固劑與導管發(fā)生反應，從而達到錨固的效果。經(jīng)過對現(xiàn)場實際情況進行檢驗，確定錨固劑的連接效果良好，抗拔力提升也比較明顯。在現(xiàn)場施工中，質(zhì)檢人員需要旁站監(jiān)督，做好各項環(huán)節(jié)和工序的質(zhì)量檢測，保證其完全符合工程的標準要求。鎖腳錨管施工現(xiàn)場如圖2 所示。

圖2 鎖腳錨管施工現(xiàn)場

4 公路隧道軟巖變形控制措施

4.1 加強施工環(huán)節(jié)損毀控制

在公路隧道施工中，嚴格執(zhí)行不破壞圍巖的工作理念，加強現(xiàn)場施工階段的圍巖管控，防止發(fā)生巖石損壞、變形等問題，以免導致安全事故的發(fā)生。首先，制定切實可行的輔助施工方法，并在隧道開挖作業(yè)之前采取超前支護的處理措施，提高軟弱巖石結(jié)構(gòu)的加固效果，提高工程項目的穩(wěn)定性。其次，在巖石爆破之前加強設(shè)計，控制裝填藥量、爆破力度，防止對巖石造成過大的擾動和影響。最后，對于已經(jīng)發(fā)生破壞的巖石結(jié)構(gòu)，盡可能地使用鐵锨進行挖掘處理，避免過大的擾動。

4.2 加強開挖階段的管控

在開挖過程中，做好進尺管理工作，將進尺的距離控制在合理的范圍內(nèi)，使得初步支護結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)的形式，盡可能地減小單循環(huán)開挖的尺寸，防止由于開挖尺寸過大而造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或者拱架變形等問題。還要做好單循環(huán)開挖作業(yè)時間的控制，減少軟巖變形的時間，在即將形成巖面閉環(huán)狀態(tài)時，及時清理巖石鉆渣，并應用噴射混凝土的方式封閉巖石結(jié)構(gòu)，減少巖石外露的時間，達到穩(wěn)固的效果，預防出現(xiàn)巖石崩解的問題。對于軟巖的變形因素展開全面的分析，每個臺階在開挖工作結(jié)束后，應用臨時支護形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，達到完善的支撐效果，預防在施工中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形而影響安全。

4.3 注重臨時支護

臨時支護工作實施階段，考慮到支護注漿施工的標準和要求，選擇應用徑向注漿的施工方式，持續(xù)性進行松動圈的加固處理，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式。在每次支護循環(huán)工作結(jié)束后，及時對拱頂部位開展注漿施工處理。將注漿支護的間隔距離控制在合理的范圍內(nèi)，以提高結(jié)構(gòu)的承載性能，滿足注漿支護的標準要求。

4.4 通過徑向注漿提升圍巖的穩(wěn)定性

每次支護施工形成循環(huán)作業(yè)后，開始進行徑向注漿加固施工，使?jié){液和圍巖形成整體的結(jié)構(gòu)，提升圍巖的穩(wěn)定性。要確保漿液將巖石內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)全部填充完畢，達到密實度的標準。塑性變形區(qū)域內(nèi)的厚度要超過徑向加固拱圈的半徑，以提升結(jié)構(gòu)強度，為后續(xù)施工提供基礎(chǔ)條件。

4.5 做好監(jiān)控量測工作

在現(xiàn)場施工中，加強對軟弱圍巖的監(jiān)控量測有著極為重要的作用，通常選擇應用探視鏡進行監(jiān)控量測。監(jiān)控量測工作讓現(xiàn)場工作人員及時掌握軟弱圍巖隧道的施工情況，以確?，F(xiàn)場施工達到安全、穩(wěn)定的標準，預防發(fā)生嚴重的事故。監(jiān)測斷面的選擇極為重要，通常隧道斷面的設(shè)置間距為5～10m，在斷面內(nèi)設(shè)置5 個量測點，以保證對于各個部位的變形有足夠的了解，提高監(jiān)控水平。

隧道工程施工過程中，滲水問題往往較為嚴重，所以要適當?shù)卦黾又ёo點位的數(shù)量，初支作業(yè)階段經(jīng)過4h 埋設(shè)點位，在12h 后讀取初始數(shù)值，并且每日進行監(jiān)控量測，掌握數(shù)據(jù)變化的情況，保證圍巖結(jié)構(gòu)始終處于可控范圍內(nèi)，變形量不會超過規(guī)定的要求，給現(xiàn)場施工提供安全保障。

4.6 其他施工注意事項

在公路項目的施工中，軟弱圍巖會對隧道工程的安全、質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，如果不能及時采取必要的處理措施，會嚴重影響現(xiàn)場施工的安全性，產(chǎn)生巨大的損失。在隧道工程施工開始前，要組織落實必要的支護措施。有些隧道工程的地質(zhì)條件復雜性較高，地下水含量比較大，極易產(chǎn)生泡水的問題，使得拱腳、基底出現(xiàn)變形，引發(fā)二襯裂縫。因此，現(xiàn)場施工人員要及時查找原因，并做好現(xiàn)場管理和控制工作。根據(jù)現(xiàn)場量測獲取的數(shù)據(jù)信息，掌握最大變形速率參數(shù)，一旦超出規(guī)定的標準要求，立即采用合理有效的措施進行控制，提高加固施工的效果，規(guī)避不利因素的影響。加固方式的選擇也極為重要，應注重科學性、合理性，以提高公路隧道項目建設(shè)的質(zhì)量與安全性。此外，還要從材料、技術(shù)、施工現(xiàn)場等層面做好細節(jié)控制，以推進隧道項目有序開展。

5 結(jié)語

在公路隧道施工中，比較常見的地質(zhì)條件是軟弱圍巖，如果沒有采取合理的處理措施，會對隧道結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量帶來很大的影響，甚至會造成嚴重的安全事故。因此，在公路隧道軟巖施工中遇到大變形的問題時，要加強技術(shù)分析，選擇合適的處理技術(shù)，并落實現(xiàn)場施工管控措施，以提升軟巖結(jié)構(gòu)的強度，使之符合工程的質(zhì)量標準，確保隧道工程順利運行。