淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞技術(shù)研究

中圖分類號：U455.4 文獻標(biāo)識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.WCcst.2025.03.035

文章編號：1673-4874（2025）03-0122-04

0 引言

近年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，在這一過程中，大量山區(qū)鐵路、公路隧道不可避免地面臨淺埋偏壓軟弱地質(zhì)地形條件，這些地段的隧道施工極具挑戰(zhàn)性[1-2]。由于洞口圍巖自穩(wěn)能力差，傳統(tǒng)進洞方法需設(shè)置大量臨時支撐，不僅不便于大型機械設(shè)備施工作業(yè)，而且拆除工程量大，嚴重制約了隧道工程的施工進度[3-4]。越來越多的研究者開始關(guān)注這些問題。李元億等5針對施工過程中隧道間結(jié)構(gòu)擾動效應(yīng)分析的問題，提出了通過建立二維有限元模型，模擬不同施工方案下地層和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布，并與實際監(jiān)測結(jié)果對比的方法。結(jié)果顯示，相較于先建上層隧道，先建下層隧道的方案更有利于改善隧道結(jié)構(gòu)承載性能，降低支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險。盡管國內(nèi)外學(xué)者已對淺埋偏壓隧道進行了大量研究，但針對淺埋偏壓軟弱地質(zhì)地形條件下的快速進洞方法和穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究仍相對不足。鑒于此，本文結(jié)合了多種預(yù)處理和實時加固技術(shù)，設(shè)計出一種新的淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方法，并期望該方法能夠提高隧道快速進洞的穩(wěn)定性，降低不必要的誤差。

1淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方案

1. 1 工程概況

朔州隧道工程位于山西省西北部管涔山南東段，總長達11293m，設(shè)計為雙線通行，最大埋深達563 m^[6] 該地區(qū)地形陡峭，溝壑深切，地形多呈現(xiàn)“V”形谷特征，僅出口段位于1200m半徑的曲線上，該曲線深入隧道352.66m. 。為了克服復(fù)雜的地質(zhì)與地形挑戰(zhàn)，工程規(guī)劃了5個斜井輔助施工，以提高作業(yè)效率和安全性，工程概況如圖1所示。

拱形骨架防護作為首要結(jié)構(gòu)，其高度為 800mm ，設(shè)計邊線位于拱形骨架防護下方200mm處。隧道內(nèi)部設(shè)置了3. 0‰ 的坡度，長5638m，還設(shè)置了3. 0‰ 的短距離坡度，構(gòu)成了對稱的人字形坡度配置，以確保排水順暢并優(yōu)化行車條件。臨時防護位于設(shè)計邊線下方 200mm ，為施工提供臨時保護。護拱框架梁防護的高度同樣為800mm ，位于拉槽邊線上方200mm處[]。

1.2不良工況處理方案

淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞時面臨的不良工況主要包括地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖強度低、自穩(wěn)能力差、易風(fēng)化遇水軟化以及可能存在的偏壓、滑坡等風(fēng)險。這些不良工況可能導(dǎo)致隧道開挖過程中出現(xiàn)坍塌、變形等安全問題，嚴重影響施工進度和隧道穩(wěn)定性。通過加強圍巖，如采用注漿加固、增設(shè)錨桿、鋼拱架等措施，可以有效提高圍巖的整體強度和穩(wěn)定性，減少開挖過程中的圍巖變形和破壞，保障施工安全，同時加快施工進度，確保隧道結(jié)構(gòu)的耐久性和運營安全。圍巖加強主要包含了淺埋和深埋兩種方案。圍巖加強段施工順序如圖2所示。

第一步：采取右側(cè)導(dǎo)洞超前導(dǎo)管（管棚）注漿預(yù)支護。同時，為保證施工安全，在邊坡平臺頂按50m/道設(shè)置沉降觀測點，對邊坡進行動態(tài)監(jiān)控量測，前15d按照1次/d的頻率監(jiān)測邊坡沉降，沉降量應(yīng) ?10mm/d

第二步：右側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖，確保邊坡位移量 ：≤5mm/d

第三步：右側(cè)導(dǎo)洞上半斷面初期支護（掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、安裝鋼拱架、噴混凝土）。繼續(xù)監(jiān)測邊坡沉降和位移，確保施工安全，此時累計沉降量應(yīng)控制在?30mm ，位移量 lt;20mm 。

第四步：右側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整施工節(jié)奏，確保邊坡穩(wěn)定，開挖進度控制在 ?2m/d

第五步：右側(cè)導(dǎo)洞下半斷面初期支護（掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、安裝鋼拱架、噴混凝土）。此時，邊坡開挖后已趨于穩(wěn)定，最大沉降量控制在 -35mm ，最大位移量控制在lt;25mm 。其中沉降速率計算公式如式（1）所示：

式中： ΔS/Δt ——沉降速率；

S_t 和 S_t-1 —一當(dāng)前和前一時間點的沉降量；（20號 χ_t 和 t₀ 一一當(dāng)前和監(jiān)測起始時間。

第六步：左側(cè)導(dǎo)洞超前導(dǎo)管（管棚）注漿預(yù)支護。重復(fù)之前的邊坡監(jiān)測措施，確保左側(cè)導(dǎo)洞開挖前的邊坡穩(wěn)定，注漿壓力控制在0. 5～1.0MPa，

第七步：左側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖。繼續(xù)密切關(guān)注邊坡穩(wěn)定情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工計劃，開挖進尺控制在每循環(huán) ≤1.5m

第八步：左側(cè)導(dǎo)洞上半斷面初期支護，支護結(jié)構(gòu)厚度 ≥25cm

第九步：左側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖，開挖速度控制在 ?1.8m/d

第十步：左側(cè)導(dǎo)洞下半斷面初期支護（掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、安裝鋼拱架、噴混凝土）。

第十一步：澆筑仰拱，敷設(shè)防水板，采用模板臺車全斷面一次模筑二次襯砌混凝土。在完成所有開挖與支護工作后，進行混凝土澆筑和防水處理，確保隧道結(jié)構(gòu)的完整性和耐久性，混凝土澆筑強度等級 ?C30 。同時，繼續(xù)監(jiān)測邊坡穩(wěn)定情況直至工程完全竣工。

1.3淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方案

在進行圍巖加強后，為了提高隧道快速進洞的精度，研究開發(fā)出一種新的淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方案，如圖3所示。

第一步：進行施工前的準(zhǔn)備工作，包括組織人員、設(shè)備、材料等。

第二步：進行測量放樣，確定隧道的準(zhǔn)確位置和尺寸，引入BIM技術(shù)進行三維建模，模擬施工過程，預(yù)測潛在問題，優(yōu)化資源配置。接著，利用GPS-RTK與全站儀結(jié)合的高精度測量技術(shù)，進行精確的測量放樣，確保隧道位置的精準(zhǔn)無誤。

第三步：進行洞口場地的清理工作。開挖一層防護一層，開挖時嚴格控制邊坡坡率，自上而下分層進行開挖及防護，確保邊坡平順。在洞口場地清理工作中，創(chuàng)新性地采用智能化邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，動態(tài)調(diào)整開挖策略，確保邊坡平順且安全。

第四步：安裝洞口導(dǎo)向拱架。上層鋼架為導(dǎo)向鋼架，下層鋼架為初支鋼架，中間空隙用噴射混凝土噴填密實。安裝洞口導(dǎo)向拱架時，采用預(yù)制模塊化設(shè)計，現(xiàn)場快速組裝，減少施工時間，同時利用3D掃描技術(shù)檢查安裝精度，確保拱架與隧道設(shè)計完美貼合。

第五步：采用智能氣腿式鑿巖機，集成激光導(dǎo)向系統(tǒng)，能夠自動校準(zhǔn)鉆孔位置與角度，確保鉆孔精度。同時，機器配備的智能傳感器能實時監(jiān)測鉆桿受力情況，自動調(diào)整鉆進速度與壓力，保護設(shè)備并優(yōu)化鉆孔效率。

第六步：對鉆好的孔進行清孔處理，創(chuàng)新使用高壓氣旋清孔技術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)氣流將孔內(nèi)雜物徹底清除，同時避免對孔壁造成損傷，確?？變?nèi)清潔度達到最高標(biāo)準(zhǔn)。

第七步：進行驗孔作業(yè)，檢查孔位、孔深、孔徑和傾斜度等是否符合設(shè)計要求。

第八步：如果驗孔結(jié)果不合格，則返回鉆孔步驟重新操作，直至合格為止。其中鉆孔偏差計算公式如式（2）所示：

式中 ?θ^′ 一調(diào)整后的鉆孔角度；θ 一一理論上的鉆孔角度，即設(shè)計或計算得出的無偏差鉆孔角度；d 一一鉆孔的直徑，即鉆孔的孔徑大??；φ （2 鉆孔偏差的角度，即實際鉆孔方向與理論方向之間的夾角；L 1 鉆孔的深度。

第九步：如果驗孔合格，則進行小導(dǎo)管的安裝。焊接長度 ，確保導(dǎo)管與鋼架焊接形成整體。

第十步：噴射混凝土以封閉工作面，保護圍巖并防正坍塌。在噴射混凝土前，需用塑料薄膜嚴密包裹注漿閥門。噴射混凝土厚度 ?0. 15m，且鋼架完全被覆蓋。

第十一步：連接并調(diào)試注漿管路，確保注漿作業(yè)順利進行。檢查注漿管路連接是否牢固，注漿泵是否運轉(zhuǎn)正常，注漿壓力是否達到設(shè)計要求。

第十二步：進行注漿作業(yè)，向圍巖內(nèi)注入漿液以增強其穩(wěn)定性。注漿順序由兩側(cè)向拱頂隔孔對稱進行。注漿量需嚴格控制，確保每根導(dǎo)管的注漿量達到設(shè)計量。注漿采用水泥漿，注漿壓力應(yīng)滿足式（3的要求。

式中： T 1 注漿所需的總推力；

L T 注漿孔的深度；

D ——注漿管的直徑；

n 一 注漿管的數(shù)量。

第十三步：在注漿前進行漿液制備工作，確保漿液質(zhì)量符合設(shè)計要求。

第十四步：開始開挖掘進工作。

2軟弱圍巖隧道快速進洞方案應(yīng)用分析

為了驗證淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方案在實際施工中的可行性與優(yōu)越性，本研究將該技術(shù)應(yīng)用于朔州隧道實際工程中。通過布置多個監(jiān)控量測點，全面收集施工過程中的沉降、位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，分析其對周邊環(huán)境的影響、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維護以及地表沉降的控制效果，測量結(jié)果如表1所示。

通過對表1監(jiān)控量測點累計數(shù)值的分析，可以觀察到在采用淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方案的施工過程中，各項監(jiān)控指標(biāo)表現(xiàn)出了良好的控制效果。例如，在斷面里程 DK266+220 處，上臺階沉降值僅為4.89mm，中臺階為 -3.34mm ，表明隧道開挖對周邊環(huán)境的影響得到有效抑制。 DK266+220 斷面拱頂下沉累計值為90.2mm ，顯著高于其他斷面，例如 DK266+235 處的81.3mm ，表明該地段圍巖可能更軟弱或存在局部滲水的復(fù)雜地質(zhì)條件，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)承受更大壓力。此外，DK266+235 斷面的上、中臺階水平收斂累計值分別為-7.86mm 和 -7.78mm ，反映該地段圍巖可能存在不均勻變形或側(cè)向壓力集中的復(fù)雜地質(zhì)條件。因此，表1的監(jiān)測結(jié)果表明，即使在地質(zhì)條件更復(fù)雜的地段，快速進洞方案也能較好地維護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時，拱頂下沉累計值維持在較低水平，如 DK266+260 處為83. 7.mm ，證明了隧道頂部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。為了進一步驗證該方案的優(yōu)越性，研究在某段實驗性施工區(qū)域進行了對比試驗，以研究所提方案為試驗組1，研究缺少圍巖加強方案為試驗組2，文獻8提出的超前小導(dǎo)管支護快速進洞技術(shù)為試驗組3，以文獻9提出的大偏壓隧道半明半暗進洞快速施工方法為試驗組4，試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，試驗組1（所提方案）在水平收斂和邊墻收斂方面均表現(xiàn)出色。在水平收斂方面，隨著開挖步的增加，試驗組1的收斂值增長緩慢，開挖步為80時，收斂值仍 1lt;16.3mm ，遠低于其他試驗組。在邊墻收斂方面，試驗組1同樣表現(xiàn)出良好的控制效果，開挖步為70時，收斂值 lt;21.6mm ，明顯優(yōu)于其他方案。相比之下，試驗組3的超前小導(dǎo)管支護技術(shù)在長時間開挖后支護效果減弱，而試驗組4的大偏壓隧道半明半暗進洞快速施工方法則在后期開挖中表現(xiàn)出局限性，導(dǎo)致收斂值迅速增加。此外，研究還記錄了所提方案和超前小導(dǎo)管支護快速進洞方案不同監(jiān)測點的地表點累計沉降值和拱頂下沉累計值，結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）可知，所提方案顯著優(yōu)于超前小導(dǎo)管支護快速進洞方案，其地表點累計沉降值集中在 [46mm 51mm_-^- 區(qū)間。而試驗組3的地表點累計沉降值集中在[50mm，55mm] 區(qū)間。由圖5（b）可知，兩種方案的拱頂下沉累計值平均分別為77 7.6mm.84.3mm 。

3結(jié)語

本文針對淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方法進行了系統(tǒng)性研究，提出了一種結(jié)合多種預(yù)處理和實時加固技術(shù)的新方案。結(jié)果顯示在采用淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方案的施工過程中，各項監(jiān)控指標(biāo)表現(xiàn)出了良好的控制效果。地表點累計沉降值集中在48. 6～57.1mm 水平收斂累計值控制在 -7.86～6.54mm ，拱頂下沉累計值維持在73 3.9～90.2mm ，顯示出該方案能有效抑制隧道開挖對周邊環(huán)境的影響，并較好地維護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對比試驗結(jié)果可知，所提方案在水平收斂和邊墻收斂方面均表現(xiàn)出色。與超前小導(dǎo)管支護快速進洞方案相比，研究所提方案的地表點累計沉降值降低了約 4～9mm 拱頂下沉累計值平均減少了 6.7mm ，進一步證明了所提方案的優(yōu)越性。綜上所述，研究提出的淺埋軟弱圍巖隧道快速進洞方案在實際施工中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和控制效果，為類似工程提供了有益的參考。但研究主要集中于技術(shù)方案的提出與驗證，對于方案的經(jīng)濟性、長期耐久性及在不同地質(zhì)條件下的適用性尚需進一步研究。 °ledast

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