公路隧道軟弱偏壓大變形控制施工工法研究

張潘

摘要 針對(duì)公路隧道工程軟弱圍巖的變形問(wèn)題，文章結(jié)合工程實(shí)例著重探討了公路隧道軟弱偏壓大變形控制的施工工法。工法核心在于通過(guò)“組合支護(hù)”進(jìn)行預(yù)支護(hù)，并在施工中快開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉。峨漢高速建全村隧道通過(guò)此種施工工法取得了理想的施工效果，有效改善了圍巖殘余地應(yīng)力高、圍巖松弛、變形大等問(wèn)題，施工過(guò)程中未出現(xiàn)明顯變形，保障了公路隧道施工質(zhì)量，值得同類(lèi)工程參考借鑒。

關(guān)鍵詞 公路隧道；軟弱圍巖；大變形控制

中圖分類(lèi)號(hào) U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0114-03

0 引言

軟弱圍巖地質(zhì)環(huán)境下的公路隧道工程具有較大施工難度，在施工時(shí)很可能出現(xiàn)偏壓變形問(wèn)題，影響施工質(zhì)量。為應(yīng)對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，在施工時(shí)不僅要考慮開(kāi)挖、爆破、掘進(jìn)等常規(guī)隧道施工，還要尤為重視支護(hù)施工，尤其要避免出現(xiàn)偏壓變形[1]。基于此，峨漢高速建全村隧道工程就結(jié)合軟弱圍巖的地質(zhì)情況，提出一種基于組合支護(hù)的偏壓大變形控制措施，并配合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控，最大程度地防控軟弱圍巖公路隧道工程的偏壓變形問(wèn)題。

1 工程概況

在建峨漢高速建全村隧道設(shè)計(jì)為雙向分離式越嶺隧道，左洞全長(zhǎng)1 451 m，最大埋深196 m；右洞全長(zhǎng)1 442 m，最大埋深202 m。圍巖為三疊系須家河組炭質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖體受構(gòu)造擠壓嚴(yán)重，巖體破碎～極破碎，巖質(zhì)軟～極軟，層間結(jié)合差，地下水較發(fā)育，以滴水狀～淋雨?duì)顬橹?。建全村隧道在施工過(guò)程中，拱部及邊墻極易發(fā)生失穩(wěn)和坍塌，存在塌方、大變形等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。拱頂沉降最大1.15 m，邊墻大變形收斂值達(dá)0.84 m以上，初期支護(hù)常發(fā)生錨噴破損、碎裂掉塊、鋼拱架扭曲剪斷或屈服失穩(wěn)，經(jīng)后期圍巖持續(xù)大變形，造成隧道凈空大范圍的侵限。建全村隧道累計(jì)換拱166 m（230榀），換拱過(guò)程中發(fā)生大型塌方2次，中小型塌方4次，變形控制過(guò)程十分困難。

2 工法特點(diǎn)、適用范圍及工藝原理

2.1 工法特點(diǎn)

（1）針對(duì)隧道施工過(guò)程中初期支護(hù)出現(xiàn)裂損，鋼拱架扭曲失效，鋼架剪斷，初支大變形侵限等，總結(jié)形成公路隧道軟弱偏壓大變形控制施工工法，優(yōu)化了隧道開(kāi)挖方法，并采用“組合支護(hù)”新技術(shù)有效控制了隧道軟弱偏壓大變形。

（2）采用偏心支護(hù)新技術(shù)后，能夠很好地適應(yīng)圍巖變形特點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)分析，調(diào)整左、右側(cè)預(yù)留變形量，不但能確保二次襯砌結(jié)構(gòu)混凝土厚度，而且節(jié)約了二襯混凝土。

（3）由于建全村隧道圍巖軟弱，受斷層破碎帶影響后構(gòu)造應(yīng)力較大，常規(guī)的鎖腳及連接鋼筋對(duì)鋼架的約束作用不強(qiáng)，導(dǎo)致初期支護(hù)出現(xiàn)裂損、鋼架扭曲失效等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題[2]。而采用整體式剛性鎖腳及縱向工字鋼連接，能有效提高初支體系承載能力，整體受力均衡。

（4）采用“長(zhǎng)+短”錨桿柔性支護(hù)后期補(bǔ)強(qiáng)措施，能進(jìn)一步增強(qiáng)初期支護(hù)的整體性，起到了減緩初支變形的作用，為后續(xù)施工提供了有利的作業(yè)條件。

（5）施工過(guò)程中使用的機(jī)械設(shè)備及材料均為常規(guī)材料，施工工藝操作及控制簡(jiǎn)單、易行、有效，避免了軟弱圍巖大變形對(duì)隧道施工過(guò)程帶來(lái)的不良后果，縮短了長(zhǎng)大隧道的施工工期，減小施工安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了施工成本。

2.2 工藝原理

建全村隧道軟巖偏壓大變形控制主要采用剛性支護(hù)+偏心支護(hù)先行，“長(zhǎng)+短”錨桿柔性支護(hù)后期補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)技術(shù)，同時(shí)采用大剛度整體式鎖腳支護(hù)技術(shù)和型鋼縱向連接，加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，控制隧道軟弱偏壓大變形，從而實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

（1）“剛性支護(hù)”鋼拱架作為控制圍巖變形的主要線(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)，其剛度大（約為混凝土的10倍），抗拉強(qiáng)度高，一般情況下鋼拱架失效后才會(huì)出現(xiàn)噴射混凝土的開(kāi)裂和剝離，因此，為控制隧道變形，采用重型鋼架和大厚度噴射混凝土支護(hù)，加大二襯混凝土結(jié)構(gòu)剛度，并實(shí)現(xiàn)盡早閉合。

（2）“偏心支護(hù)”為適應(yīng)軟弱圍巖大變形特點(diǎn)，當(dāng)存在一側(cè)變形大、另一側(cè)變形較小時(shí)，可采取鋼拱架安裝中線(xiàn)偏移隧道中線(xiàn)，初期支護(hù)最終變形穩(wěn)定后滿(mǎn)足二次襯砌厚度要求。該支護(hù)方式不但適應(yīng)了圍巖的大變形特點(diǎn)，而且節(jié)約了施工成本。偏移距離的確定主要根據(jù)監(jiān)控量測(cè)信息進(jìn)行調(diào)整。

（3）“柔性支護(hù)”在剛性支護(hù)無(wú)法抑制圍巖變形時(shí)，采用柔性支護(hù)進(jìn)一步約束圍巖的初期變形。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)或在距離掌子面約30 m后，再設(shè)置“長(zhǎng)+短”錨桿組合補(bǔ)強(qiáng)加固圍巖，有效控制軟弱圍巖大變形。由于軟弱圍巖隧道開(kāi)挖后，松動(dòng)圈范圍較大，長(zhǎng)錨桿打設(shè)范圍盡量超過(guò)塑性區(qū)為宜。

（4）“剛性鎖腳+縱向型鋼連接”剛性鎖腳支護(hù)技術(shù)，采用鋼板作為相鄰兩榀鋼拱架的整體連接，同時(shí)采用無(wú)縫鋼管穿過(guò)連接鋼板預(yù)留孔將鎖腳打入巖體，并將無(wú)縫鋼管與連接鋼板焊接成整體，提高初支體系整體性剛度，增強(qiáng)初支承載能力[3]。在圍巖變形很大時(shí)，除增大鋼拱架型號(hào)提高鋼拱架的橫向剛度外，還應(yīng)增加縱向連接工字鋼，將多榀鋼拱架連接成整體，提高初期支護(hù)的整體受力，防止圍巖從兩榀拱架之間擠出變形，破壞初支結(jié)構(gòu)。

3 公路隧道軟弱偏壓大變形施工工藝流程、施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

3.1 施工工藝流程

“組合支護(hù)”技術(shù)采用大剛度工字鋼、偏心支護(hù)、剛性鎖腳、縱向連接工字鋼聯(lián)合支護(hù)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)初支變形情況采用“長(zhǎng)+短”錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)體系。具體參數(shù)：型鋼拱架采用I20b工字鋼，間距60 cm；噴射混凝土采用C25混凝土，厚度30 cm，保護(hù)層厚度5 cm，在有條件的情況下優(yōu)先選擇C25鋼纖維混凝土，鋼纖維摻入量55～65 kg/m?混凝土；采用Φ8雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；系統(tǒng)錨桿采用長(zhǎng)3.5 mΦ25徑向錨桿，縱×環(huán)向間距600 cm×120 cm；后期補(bǔ)強(qiáng)“長(zhǎng)+短”錨桿，短錨桿可采用4.5 m長(zhǎng)Φ42×4 mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)錨桿可采用9 m長(zhǎng)Φ32自進(jìn)式錨桿，呈梅花形布設(shè)，間距80 cm；二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。軟弱大變形控制施工工藝見(jiàn)圖1。

（1）施工準(zhǔn)備。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析總結(jié)，確定預(yù)留變形量，再按照預(yù)留變形量及隧道設(shè)計(jì)斷面圖計(jì)算開(kāi)挖輪廓線(xiàn)和鋼拱架尺寸。

（2）開(kāi)挖。結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)及時(shí)調(diào)整隧道開(kāi)挖方法。公路隧道軟弱偏壓主要采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法或三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖。每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不宜大于兩榀鋼拱架間距，開(kāi)挖過(guò)程中盡量采用機(jī)械開(kāi)挖，必須采用爆破施工時(shí)，應(yīng)按照弱爆破設(shè)計(jì)基本原則：“淺眼、多孔、多段、少藥、大時(shí)差”，總結(jié)歸納弱爆破施工參數(shù)，減少爆破對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)，降低爆破引起的振動(dòng)速度，以減小松動(dòng)圈范圍，使圍巖收斂盡早趨于穩(wěn)定。

（3）初噴。因掌子面圍巖自穩(wěn)能力差，易發(fā)生掌子面擠出失穩(wěn)，引起周邊圍巖坍塌，因此在開(kāi)挖完成后應(yīng)采用C25噴射混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行初噴封閉，防止掌子面滑塌，特別對(duì)于偏壓嚴(yán)重側(cè)圍巖，噴射混凝土厚度必須達(dá)到10 cm以上，保證初期支護(hù)過(guò)程中施工作業(yè)人員的安全。

（4）測(cè)量放樣。根據(jù)初期支護(hù)變形特點(diǎn)，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定偏心距，原則上偏壓側(cè)預(yù)留變形量應(yīng)大于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)中拱頂沉降及周邊收斂最大值加上10 cm，另一側(cè)不小于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)位置的預(yù)留變形量。偏心距確定后采用全站儀放樣拱架中線(xiàn)、隧道設(shè)計(jì)中線(xiàn)及周邊輪廓線(xiàn)。

（5）拱架基礎(chǔ)布置。在開(kāi)挖過(guò)程中鋼拱架拱腳位置50 cm高度范圍內(nèi)向圍巖內(nèi)側(cè)擴(kuò)挖30 cm，并預(yù)留10 cm拱腳采用人工破除。清理虛渣后，在鋼拱架拱腳處放置預(yù)制好的40 cm×30 cm×5 cm C20混凝土墊塊，擴(kuò)大拱腳接觸面積。

（6）拱架安裝。按照放樣點(diǎn)及設(shè)計(jì)圖紙間距安裝鋼拱架，安裝過(guò)程中確保鋼拱架的豎直度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，鋼架拱腳落底牢固。拱架安裝完成后沿初噴面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片、偏壓側(cè)焊接縱向連接工字鋼、另一側(cè)焊接連接鋼筋，并打設(shè)系統(tǒng)錨桿。鋼筋網(wǎng)片應(yīng)與系統(tǒng)錨桿及鋼拱架焊接牢固，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不得小于30 d，且不小于一個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)邊尺寸?？v向連接工字鋼呈梅花形布設(shè)，間距1 m，焊接在相鄰兩榀工字鋼腹板之間，連接工字鋼型號(hào)應(yīng)小于鋼拱架腹板寬度。

（7）剛性鎖腳。鋼拱架安裝完成后，在鎖腳位置縱向連接工字鋼腹板上割孔，采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)穿過(guò)縱向連接工字鋼鉆孔。鉆孔結(jié)束后為防止塌孔，需立即安裝小導(dǎo)管。小導(dǎo)管安裝采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)送入，確保小導(dǎo)管長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求。小導(dǎo)管安裝完成后，采用人工將加工好的縱向連接鋼板套住鎖腳錨管并與兩側(cè)鋼拱架焊接，使鎖腳錨管、鋼拱架和縱向連接工字鋼形成整體。

（8）復(fù)噴。鋼拱架安裝完成后，經(jīng)檢驗(yàn)合格，進(jìn)行C25噴射混凝土施工。噴射混凝土施工采用濕噴工藝，噴射時(shí)操作手應(yīng)確保噴射角度與巖面垂直，自下而上呈“S”型兩側(cè)對(duì)稱(chēng)進(jìn)行。鋼拱架拱腳擴(kuò)挖部位及鋼架與圍巖之間間隙必須噴射密實(shí)，并保證鋼拱架臨空側(cè)5 cm保護(hù)層厚度。

（9）“長(zhǎng)+短”錨桿支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。軟弱圍巖隧道開(kāi)挖后，松動(dòng)圈范圍較大，長(zhǎng)錨桿打設(shè)范圍盡量超過(guò)塑性區(qū)為宜。為便于施工，短錨桿可采用4.5 m長(zhǎng)Φ42注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)錨桿可采用9 m長(zhǎng)Φ32自進(jìn)式錨桿，呈梅花形布設(shè)，間距0.8 m，對(duì)初期支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。利用“長(zhǎng)+短”錨桿組合補(bǔ)強(qiáng)的方式應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，當(dāng)初支變形量超過(guò)預(yù)留變形量的2/3時(shí)，分階段地提高支護(hù)剛度來(lái)控制位移，使隧道趨于穩(wěn)定?！伴L(zhǎng)+短”錨桿施作時(shí)采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)或錨桿機(jī)緊貼鋼拱架垂直于巖面布設(shè)[4]。

3.2 施工要點(diǎn)

軟弱圍巖隧道開(kāi)挖后，變形發(fā)展很快，掌子面前方先行位移、掌子面擠出位移以及掌子面后方位移都在發(fā)展，施工過(guò)程中主要通過(guò)“預(yù)支護(hù)、快開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”的措施進(jìn)行施工，要求在距離掌子面2～3倍開(kāi)挖寬度范圍內(nèi)閉合初期支護(hù)，大幅度地縮短斷面閉合時(shí)間，雖然對(duì)后續(xù)作業(yè)有一定影響，但能有效控制圍巖的大變形。

3.2.1 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。對(duì)于軟弱圍巖隧道地質(zhì)情況復(fù)雜段，在掌子面開(kāi)挖前應(yīng)采用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段（地震波法、瞬變電磁儀、超前地質(zhì)鉆孔）探明掌子面前方巖體狀況，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工方法及支護(hù)參數(shù)，做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。

（2）監(jiān)控量測(cè)?？亓繙y(cè)是軟弱圍巖隧道施工的關(guān)鍵，特別是拱頂下沉和周邊收斂監(jiān)測(cè)，通過(guò)收集圍巖變形信息，判斷支護(hù)體系的穩(wěn)定狀態(tài)、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工方法的合理性，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定預(yù)留變形量大小、調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)及二次襯砌施作時(shí)機(jī)。

3.2.2 預(yù)留足夠變形量

軟弱圍巖隧道開(kāi)挖應(yīng)結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)和施工經(jīng)驗(yàn)，預(yù)留足夠的變形量，避免初期支護(hù)侵限造成二次擴(kuò)挖換拱，不但增加施工安全風(fēng)險(xiǎn)，而且嚴(yán)重影響工期，增加施工成本。在圍巖變形非對(duì)稱(chēng)的情況下，可根據(jù)實(shí)際變形情況及規(guī)律調(diào)整左右側(cè)預(yù)留變形量，對(duì)應(yīng)變形較小一側(cè)預(yù)留變形量適當(dāng)減小，變形大一側(cè)預(yù)留變形量增加。

3.2.3 加強(qiáng)剛性鎖腳錨管的施作

鎖腳錨管打設(shè)高度不得超過(guò)鋼拱架拱腳50 cm，并外露20 cm，便于與連接鋼板焊接?？v向連接工字鋼和鋼拱架之間、連接鋼板和鎖腳錨管之間的連接必須滿(mǎn)焊，保證焊接質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。鉆孔要從連接工字鋼預(yù)留孔鉆入，保證打設(shè)角度15～30°，鉆孔深度必須滿(mǎn)足要求，鉆孔結(jié)束后及時(shí)采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)將管體送入孔內(nèi)，并填塞錨固劑。

3.3 注意事項(xiàng)

（1）掌子面開(kāi)挖后，應(yīng)及時(shí)向掌子面裸露的圍巖噴射混凝土，以減少?lài)鷰r的裸露時(shí)間，避免圍巖的風(fēng)化和松動(dòng)。

（2）做好洞內(nèi)防排水措施，在隧道開(kāi)挖后，圍巖表面滲水量較大的部位，先找準(zhǔn)出水點(diǎn)，鉆10～50 cm深集水孔，孔內(nèi)插入導(dǎo)水管，然后在該滲水區(qū)域，圍繞導(dǎo)水管，噴射混凝土。完成初期支護(hù)后出現(xiàn)滲水，及時(shí)在初期支護(hù)表面滲水區(qū)域打設(shè)Φ42小導(dǎo)管（50～100 cm），并采用防水板制作成“Ω”型引排。

（3）圍巖松散破碎的情況下，保證掌子面穩(wěn)定至關(guān)重要。應(yīng)控制開(kāi)挖進(jìn)尺（每循環(huán)以不超過(guò)兩榀為宜），加強(qiáng)超前支護(hù)措施，保證超前支護(hù)施作質(zhì)量，并盡可能地預(yù)留核心土，對(duì)掌子面起到支撐作用，防止掌子面擠壓變形發(fā)生坍塌。

（4）開(kāi)挖后盡快施加鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，應(yīng)盡量提高初支的剛度和強(qiáng)度，特別是初期支護(hù)之間的緊密連接，使其形成整體性的初期支護(hù)。同時(shí)，二襯能提供強(qiáng)大的支護(hù)阻力，為圍巖提供很大的圍壓，且2倍洞徑內(nèi)施加二襯更有效，因此在條件允許的情況下應(yīng)盡早施作二襯。

（5）軟弱偏壓大變形隧道施工質(zhì)量控制主要利用監(jiān)控量測(cè)手段監(jiān)控和指導(dǎo)施工，確保支護(hù)參數(shù)的合理性。支護(hù)完成后，緊跟初期支護(hù)布設(shè)監(jiān)控量測(cè)斷面，及時(shí)了解圍巖變化情況，為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)。

（6）軟弱大變形隧道施工過(guò)程中的安全隱患重點(diǎn)在掌子面出現(xiàn)滲水后圍巖發(fā)生變形，嚴(yán)重影響開(kāi)挖和支護(hù)施工。已支護(hù)段初期支護(hù)出現(xiàn)裂損、鋼拱架扭曲失效、鋼架剪斷等病害，需采取初支加固過(guò)程的施工以及初支侵限需二次擴(kuò)挖換拱施工。

4 結(jié)語(yǔ)

該工法是對(duì)四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司峨眉至漢源高速公路2標(biāo)段14分部隧道施工技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的總結(jié)。該工法采用“組合支護(hù)”技術(shù)，能有效控制隧道軟弱偏壓大變形。實(shí)踐證明，該工法安全可靠，操作簡(jiǎn)單，確保了施工質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，有效保障了施工安全，具有廣闊的應(yīng)用前景，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益突出。

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