高速公路淺埋軟弱圍巖隧道施工技術(shù)研究

摘要 淺埋軟弱圍巖隧道埋深淺，自穩(wěn)能力差，在軟弱圍巖處修建淺埋隧道，冒頂、坍塌等問題常有發(fā)生，容易影響圍巖的穩(wěn)定狀況。為了降低淺埋軟弱圍巖隧道施工風險，提升施工質(zhì)量，對高速淺埋軟弱圍巖隧道進行分析，結(jié)合云南省境內(nèi)某隧道闡述施工技術(shù)要點，重點討論圍巖測量、地表預(yù)加固施工、大管棚施工支護和防變形、坍塌施工技術(shù)等方面的內(nèi)容，以提升淺埋軟弱圍巖隧道施工水平。結(jié)果表明，在淺埋軟弱圍巖隧道施工中結(jié)合應(yīng)用地表預(yù)加固和大管棚施工支護，實現(xiàn)了圍巖的超前支護，保證淺埋軟弱圍巖隧道施工穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 高速公路;淺埋軟弱圍巖;隧道施工

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）11-0163-03

引言

淺埋軟弱圍巖隧道受水文地質(zhì)條件、不確定性、開挖方法和支護措施等方面的影響，極易發(fā)生塌方，造成事故的發(fā)生，影響施工總體進度和安全。對于淺埋軟弱圍巖隧道施工要采取針對性的施工方案和支護措施控制圍巖變形。根據(jù)高速公路實際施工情況以及具體施工過程中的相關(guān)要求來提升淺埋軟弱圍巖隧道的施工質(zhì)量，能夠進一步提高高速公路隧道的施工水平以及抵抗施工安全風險的能力。

1 軟弱圍巖及軟弱圍巖隧道地質(zhì)特征

圍巖是發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變的隧道圍巖土體。圍巖的強度受本體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面強度、巖石強度、水、地應(yīng)力等多種因素的影響，分為堅硬和軟弱兩類。參照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[1]，軟弱圍巖屬于Ⅴ、Ⅵ級圍巖和一部分Ⅳ級圍巖，指承載力低、結(jié)構(gòu)破碎、裂隙發(fā)育的圍巖。軟弱圍巖隧道具有以下地質(zhì)特征：

（1）強度低、穩(wěn)定性差。此種圍巖一般為軟質(zhì)巖地層，包括頁巖、泥巖、片巖、炭質(zhì)巖等，開挖暴露后易風化且遇水易軟化，受內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)的影響發(fā)生塑性變形。

（2）結(jié)構(gòu)面軟、易滑塌。結(jié)構(gòu)面黏結(jié)強度低，一般是受結(jié)構(gòu)面切割破壞的塊狀巖體中，開挖后產(chǎn)生滑移和墜落等變形現(xiàn)象。

（3）受施工擾動敏感度高。軟弱圍巖強度低，隧道施工開挖會顯著影響圍巖擾動程度，尤其是淺埋軟弱圍巖，極易波及地表，甚至導(dǎo)致坍塌等后果。

（4）破碎松散、黏結(jié)力差。由于巖土體結(jié)構(gòu)破碎，黏結(jié)力差，導(dǎo)致開挖后成拱，極不穩(wěn)定，僅靠摩擦效應(yīng)和膠結(jié)作用容易發(fā)生坍塌冒頂。通常為土層、巖體全風化層、擠壓破碎帶等構(gòu)成的圍巖。

（5）變形時間長。軟弱圍巖的蠕變性使其在受到開挖干擾后的持續(xù)一段時間變形。圍巖的“自穩(wěn)時間短、易坍塌”特征主要取決于工程本身的地質(zhì)性質(zhì)，在施工過程中一旦施工方法或輔助措施不當，極易產(chǎn)生較大變形甚至失穩(wěn)破壞[2]。

2 淺埋軟弱圍巖隧道施工案例分析

某隧道位于云南省鏡內(nèi)，此處地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整座山呈饅頭狀，山頂較為開闊，呈平臺狀，兩邊進出口則為陡峭的斜坡，且受到嚴重侵蝕。進洞口段表層為灰褐色粉質(zhì)黏土、含碎石亞黏土，前、后半段圍巖分別為弱風化泥質(zhì)粉砂巖和強風化泥質(zhì)粉砂巖，這種巖層的節(jié)理裂層非常發(fā)育，需要填充泥沙和應(yīng)用軟弱手法;到出洞口段時，巖石主要為弱風化泥灰?guī)r及灰?guī)r，屬于較軟巖類，巖體易破碎。此地正處于發(fā)育的斷層中，內(nèi)部巖體雜亂，開挖后極易產(chǎn)生崩塌現(xiàn)象。針對該現(xiàn)象，工作人員用大管棚超前支護，高速公路隧道設(shè)計為四車道上、下行分離式，隧道凈高5.8 m，在洞頂處的深埋，最深可達85 m，最淺是19 m。搭配合理的施工工藝，有效防止了山體坍塌和地下水污染，保證了施工安全。

2.1 圍巖測量

合理利用測量方法對整體高速施工起到重要作用。

（1）讓施工人員深入了解圍巖的基本結(jié)構(gòu)，增加工程施工科學性。

（2）為后續(xù)的支護施工提供科學的依據(jù)，提升支護的穩(wěn)定性以及合理性。

（3）在測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，促使支護結(jié)構(gòu)受力均勻。

（4）對支護體系的穩(wěn)定性以及安全性進行全面的評估。在圍巖測量時，對圍巖的收斂以及地表出現(xiàn)的下沉等情況進行全面分析，并利用專業(yè)的測量設(shè)備獲取科學的數(shù)據(jù)，以有效解決實際隧道施工過程中產(chǎn)生的裂縫[3]。

2.2 地表預(yù)加固施工

采用實驗篩選注漿的熱軋無縫鋼管，呈梅花形布置。注漿孔間距1.8 m，注漿終壓為2.4 MPa，漿液選用純水泥漿，漿液地表擴散范圍半徑1.2～1.7 m，水灰比為0.75∶1.00。工藝流程按照平整場地、注漿孔位放樣、鉆孔、清理鉆孔、注漿管安放、堵塞注漿孔口間隙、注漿順序逐步開展操作。注漿采用從外鉆孔向內(nèi)部進行，鉆孔注漿量22 L/min，每排注漿孔交替注漿，并且緩慢提升注漿設(shè)備壓力，達到方案設(shè)定壓力后，穩(wěn)壓10 min，保證漿液在土壤滲透流動時間，確保漿液完全滲透到土壤中，從而實現(xiàn)加固地表結(jié)構(gòu)的目的。

2.3 隧道開挖技術(shù)

工程采用短臺階七步開挖法開始挖掘。由于短臺階七步開挖法工序間平行作業(yè)，有效利用空間資源，對圍巖封閉時間短，降低了軟弱圍巖的變形收斂，確保工程的連續(xù)性及安全性。臺階長度4 m，仰拱距離掌子面25 m，二襯距離掌子面50 m。圍巖淺埋段將監(jiān)控量測點間距控制在5 m一組，開挖后及時布點，5 h之內(nèi)完成起始讀數(shù)。開挖12 h之內(nèi)完成其他數(shù)據(jù)監(jiān)測讀數(shù)，初始讀數(shù)的采集要≤24 h，而且該數(shù)據(jù)的采集需要在下一個循環(huán)開挖之前就全部完成。比較設(shè)計中的數(shù)值與實際監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并繪制出隨著時間變化，隧道臺階法周邊收斂及拱頂沉降測點布置圖的變化變形量或應(yīng)力變化的曲線圖。根據(jù)曲線圖預(yù)測整體狀況是否會出現(xiàn)變形等情況，合理地調(diào)整支護方案或施工方案[4]。

2.4 大管棚施工步驟

大管棚支護應(yīng)用于軟弱地層，利用打入的鋼管注入漿液，使用的漿液必須有壓力，達到足夠凝聚時間，漿液能夠擴散到鋼管的四周，待漿液開始膠結(jié)后，促使管棚周圍巖體固結(jié)，提高整體巖層的承受力，起到承重保護的作用，具體工藝流程見圖1。

2.4.1 確定鉆孔位置

施工選取兩臺地質(zhì)鉆井機同時從拱腳向拱頂、拱頂向另一邊的拱腳進行作業(yè)施工。在開始施工之前，工作人員已經(jīng)事先確立了測量放樣點，并且確定了導(dǎo)向管的傾角，鉆機只需要依照自身的管道傾角方向，固定在放樣點上，然后依據(jù)導(dǎo)向管的角度確立自己的角度，促使鉆桿線與開孔角度相同，實施鉆進[5]。

2.4.2 鉆孔

為了防止坍塌，保證孔的質(zhì)量，鉆孔要先奇數(shù)孔，后偶數(shù)孔?？椎闹睆綖?30 mm，以便順利安裝標準108×6 mm鋼管。鉆孔之前應(yīng)將扶直器套在鉆桿上，防止鉆孔時上下顫動，保證孔的筆直。在連接鉆具的時候，一定要選取材質(zhì)一樣的工具，保證連接處的強度、剛度和韌性，整個施工過程中，連接套的壁厚應(yīng)≥10 mm。在鉆孔過程中，時刻使用測斜儀測量角度保證鉆孔方向。開始推進時，要控制推進力度，每推進40 cm就要退管清孔，退管清孔使用2.5 m長的標準43 mm巖芯管，將碎渣徹底清凈。當鉆進深度達到2 m后，提升鉆進壓力加大鉆進速度。

2.4.3 頂管

在奇數(shù)孔打好后，頂管施工作業(yè)要及時進行，避免不及時進行頂管作業(yè)造成的崩塌問題。頂管施工采用無孔鋼管注漿，同時，偶數(shù)孔同步安裝無孔鋼管進行注漿[6]。在對偶數(shù)孔進行安裝注漿的過程中，檢查奇數(shù)孔的泥漿情況，及時補充，加固圍巖。采用跟管鉆進，使鉆孔與安裝鋼管都在同一時刻完成。

2.4.4 管棚注漿

管棚注漿是整個工序的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著整個巖體的承受力。注漿通常是兩端同時進行，濃度逐漸增大，其中注漿要采用分段注漿的方式，先對偶數(shù)孔注漿。在注漿前，要先在現(xiàn)場某一處進行實際實驗，根據(jù)實際效果和之前的數(shù)據(jù)相結(jié)合，調(diào)整以得到最合適的參數(shù)，在注漿后，要及時檢查結(jié)果，隨時觀察孔內(nèi)的漿液量和注漿壓力。當每一個的孔內(nèi)注漿都達到標準后，管棚注漿才算完成。

2.5 排水技術(shù)措施應(yīng)用

不同的水位情況和施工情況，需要采取的排水技術(shù)存在的差異較大，施工單位要針對不同的水文條件采取不同的排水技術(shù)措施，合理防水、排水，確保隧道施工順利開展，具體見表1。

2.6 防變形、坍塌施工技術(shù)

淺埋隧道施工常見事故包括變形、坍塌、冒頂，事故的預(yù)防需要結(jié)合實際的情況，相應(yīng)的技術(shù)措施如下：

2.6.1 加強監(jiān)控量測并跟蹤調(diào)整

圍巖的變形隨時發(fā)生，因此應(yīng)采取監(jiān)控量測指導(dǎo)下一步施工，在變形異常段位施作臨時套拱，加做徑向注漿，加固措施控制變形，穩(wěn)固周邊圍巖，確保施工安全。監(jiān)控量測要及時埋點，并量測初始讀數(shù)，獲取到的量測數(shù)據(jù)用工程類比法分析，并及時根據(jù)分析數(shù)據(jù)調(diào)整支護參數(shù)，及時調(diào)整預(yù)留量滿足要求[7]。

2.6.2 強化超前地質(zhì)預(yù)報

利用超前地質(zhì)預(yù)報探明前方的地質(zhì)情況，特別是地下水量較大的隧道，超前預(yù)報進行超前排水在施工中尤為重要，也是確保隧道安全、穩(wěn)定、快速施工的先決條件。項目部配備地質(zhì)預(yù)報專業(yè)人員，施工中采取TSP、地質(zhì)雷達進行長距離探測、探測結(jié)果采取長鉆孔進行鉆探驗證、在開挖過程中加以超前鉆孔短距離驗證確認。把探測作為第一道工序強制執(zhí)行，項目部在實際施工過程中不管設(shè)計是否施作，超前水平鉆全部都進行超前鉆施作。

2.6.3 嚴控拱頂易溜塌段措施

由于拱頂容易溜塌，掌子面開挖進尺控制在1榀鋼架距離，并且及時進行封閉，圍巖開展雙層小導(dǎo)管、中管棚的超前支護。

2.6.4 控制隧道開挖的變形

根據(jù)前期的監(jiān)控量測以及超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)，及時調(diào)整預(yù)留變形量。隧道開挖后容易產(chǎn)生變形，通過采取調(diào)整工字鋼的型號、噴射混凝土的厚度、鋼架的間距以及二次襯砌等防控控制。

2.6.5 施作過程中掌子面的塌段防護

掌子面不斷向前推進經(jīng)常會發(fā)生坍塌，為防護掌子面塌段應(yīng)增設(shè)長度大于5 m的探水小導(dǎo)管，當掌子面發(fā)生大面積滲水，應(yīng)該進行提前排放水，并在掌子面每次循環(huán)開挖面噴射5～10 cm厚的混凝土層。

2.7 處理涌水技術(shù)

根據(jù)已開挖段軟弱富水帶情況及地質(zhì)預(yù)報成果，結(jié)合隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌特征以及軟弱帶的成因及特點，綜合分析預(yù)測未開挖施工段軟弱富水帶的工程特性，包括水文地質(zhì)條件、物質(zhì)組成、分布規(guī)模，避免在隧道開挖中造成突泥涌水、坍塌地質(zhì)災(zāi)害。利用超前鉆孔和加長超前小導(dǎo)管作為超前排水管排水，超前鉆孔排水可以有效降低掌子面到達前的地下水位，減少掌子面的滲漏水，確保掌子面開挖施工。對于富水地段，采用帷幕注漿措施加固前方圍巖[8]。

3 結(jié)論

由于淺埋軟弱圍巖的水文地質(zhì)條件差，隧道施工過程中會發(fā)生安全事故，通過該案例施工結(jié)果可知在淺埋軟弱圍巖隧道施工中結(jié)合應(yīng)用地表預(yù)加固和大管棚施工支護，增加了圍巖結(jié)構(gòu)的強度，并且重視施工過程的排水處理，提升邊坡的穩(wěn)定性，實現(xiàn)圍巖的超前支護，保證淺埋軟弱圍巖隧道施工穩(wěn)定性。隧道穿越粉砂巖和泥巖等圍巖強度低、遇水易軟化的地層時，施工過程中會發(fā)生局部失穩(wěn)、掉塊、坍塌等工程地質(zhì)問題，合理安排開挖、初期支護及永久襯砌等施工工序可有效降低施工擾動影響。淺埋軟弱圍巖隧道施工難度系數(shù)高，安全影響因素多，在今后的施工過程中務(wù)必充分掌握圍巖地質(zhì)特征，嚴格要求施工作業(yè)的規(guī)范性，采用先進的施工技術(shù)，確保施工安全。

參考文獻

[1]吳帆. 高速公路軟弱圍巖隧道施工風險控制及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 四川建材， 2020（12）： 171-172.

[2]付濤. 軟弱圍巖條件下的公路淺埋隧道施工技術(shù)研究[J]. 四川水泥， 2020（5）： 292+278.

[3]史曉濤. 淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工控制數(shù)值研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學， 2020.

[4]金樹坤， 李攬月. 高速公路淺埋軟弱圍巖隧道施工技術(shù)探討[J]. 建材與裝飾， 2020（12）： 263-264.

[5]劉釗， 王杰， 熊世洲. 高速淺埋軟弱圍巖隧道施工技術(shù)核心探索[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計， 2019（17）： 247-248+251.

[6]朱孟照， 吳靈靈. 軟弱圍巖地質(zhì)山區(qū)高速公路隧道施工技術(shù)難點分析[J]. 交通世界， 2019（24）： 120-121.

[7]周美華. 高速公路淺埋軟弱圍巖隧道施工技術(shù)分析[J]. 交通世界， 2019（21）： 78-79.

[8]張進貴. 探析高速公路軟弱圍巖雙跨連拱隧道施工工藝[J]. 現(xiàn)代物業(yè)， 2018（4）： 226.

收稿日期：2022-03-16

作者簡介：趙虎（1986—），男，本科，中級工程師，研究方向：公路工程。