隧道软弱围岩变形特征及处治技术研究

邓胜强

摘要：文章以广西河池至百色高速公路机场隧道软弱围岩段处治为例，总结分析了隧道软弱围岩变形的特征，提出了针对掌子面挤出变形、拱脚围岩下沉变形、支护结构变形及隧底软弱围岩处治等成套处治技术，成功解决了机场隧道软弱围岩段大变形问题，对后续类似工程问题具有参考意义。

关键词：隧道;软弱圍岩;变形;钢管桩;处治技术

With the treatment of the weak surrounding rock section of Guangxi HechiBaise Expressway airport tunnel as the example，this article summarizes and analyzes the deformation characteristics of weak surrounding rock of the tunnel，proposes the complete set of treatment techniques for extrusion deformation of work face，subsidence deformation of the surrounding rock at arch foot，deformation of retaining structure，and treatment of weak surrounding rock at the tunnel bottom，which successfully solves the large deformation problem of the weak surrounding rock section of airport tunnel，and has reference significance for subsequent similar engineering problems.

Tunnel;Weak surrounding rock;Deformation;Steel pipe pile;Treatment technology

0 引言

软弱围岩一般指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著的松散软弱地层条件。对于隧道工程而言，在一定的应力水平或埋深条件下，软弱围岩区段易产生较大的施工变形。[1]

随着我国高速公路网络体系的不断发展和完善，隧道所占高速公路里程比重日渐增大，新建隧道软弱围岩占比也逐步增加。软弱围岩隧道施工中存在的围岩变形

量大、初期支护侵限严重、变更设计频繁等问题也越发突出。而软弱围岩隧道的变形特征与处治技术也是当前隧道工程界研究的热点问题之一。

本文以广西河池至百色高速公路机场隧道软弱围岩处治为例，进行分析总结。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

河百高速公路机场隧道进口位于河池市金城江区拔贡镇岜向村西北侧约150 m处，出口位于南丹县车河镇枫木店村东南侧约1 km;为分离式长隧道，左线设计长度为1 815.0 m，右线设计长度为1 850.0 m。

隧道出口ZK4+455～ZK4+495段位于丹池大断裂构造破碎带内，围岩挤压破碎和泥化严重。掌子面围岩岩体结构已基本破坏，整体呈散体状结构，表现为黏土夹全～强风化泥灰岩。岩体稳定性极差，无自稳能力，开挖后极易出现坍塌，有地下水渗出，土的含水量高且处于饱和状态，基底承载力较低。

1.2 围岩及设计衬砌类型

设计围岩级别为V级围岩，衬砌支护采用S5-P型式：超前支护采用42 mm超前小导管，环向间距为40 cm，纵向间距为250 cm，长度为430 cm;初期支护型钢拱架型钢型号为Ⅰ20b，间距@=50 cm;锁脚采用42×4 mm注浆锁脚小导管，每环12根，长度为3.5 m。开挖方式采用三台阶预留核心土法施工。

1.3 病害及紧急处治措施

隧道ZK4+455掌子面施工过程中，在完成上台阶开挖及支护后，继续中台阶开挖时，掌子面围岩出现挤出和塌方，靠近掌子面上台阶的初支钢架出现凹凸和下沉;同时监控数据显示初期支护沉降量有加大趋势，局部累计沉降达9.3 cm，隧道处于危险状态。

险情发生后，在立即停止掌子面开挖施工的同时，对掌子面采用了C25喷射混凝土进行封闭，并用108×8 mm注浆钢管桩（每榀4根，角度不同）对上台阶型钢拱架拱脚进行注浆加固，注浆钢管桩与初期支护钢架焊接。经上述紧急处治后，隧道变形得以有效控制。

2 软弱围岩变形特征分析

通过对机场隧道沉降变形段监测资料及现场情况进行对比分析，得出隧道软弱围岩变形主要来自于两部分：隧道围岩变形和初期支护结构变形。

2.1 隧道围岩变形

对隧道围岩变形进一步分析，发现其变形又包含两部分：掌子面挤出变形和拱脚围岩下沉变形。

（1）掌子面挤出变形：由于围岩受构造带影响，破碎及泥化严重，自稳能力差，随着隧道中台阶的逐渐开挖，隧道掌子面开挖断面的扩大，掌子面围岩受力条件进一步变差，往临空侧的变形加大，导致掌子面拱顶出现挤出和塌方。

（2）拱脚围岩下沉变形：由于软弱围岩承载力较低，不能满足初期支护结构的基底承载力要求，支护结构基础围岩产生压缩或沉降变形，导致隧道出现下沉开裂，即原初期支护设计中台阶拱脚处的42×4 mm注浆锁脚小导管加固，不足以承担上部结构的荷载。

2.2 支护结构变形

支护结构变形是由于支护材料强度满足不了软弱围岩变形对其产生的附加应力要求，导致支护结构的材料产生弹性或塑性变形，支护钢架结构出现凹凸变形，从而引发隧道变形开裂，即原来设计Ⅰ20b型钢拱架强度已经不能满足现场围岩形变要求。

3 隧道软弱围岩变形处治措施

合理的处治方案，应是具有针对性、能对症下药的。本文根据机场隧道现场地质情况，研究和分析其软弱围岩变形特征及紧急处治措施方案的效果，总结提出了针对掌子面挤出变形、拱脚围岩下沉变形、支护结构变形及隧底软弱围岩处治等成套处治技术。

3.1 掌子面挤出变形控制措施

机场隧道ZK4+455掌子面出现险情后，采用C25喷射混凝土封闭掌子面，起到了非常好的作用。即在开挖后的掌子面立即喷射50～100 mm厚的混凝土，使掌子面暴露的时间尽可能缩短，以防止隧道开挖初期掌子面围岩松弛甚至崩塌，从而控制掌子面的挤出变形[2]。

3.2 拱脚围岩下沉变形控制措施

隧道中台阶、下台阶及仰拱开挖前，在隧道每榀拱架两侧拱脚处分别向下打设108×8 mm注浆钢管桩（见图1），钢管桩与拱脚焊接，钢管及浆液扩散后保证拱脚地基承载力，钢管桩长度与角度可根据现场情况确定。

围岩状况相对较好时，可酌情取消上台阶和中台阶拱脚处注浆钢管桩。

3.3 支护结构变形控制

隧道软弱围岩较差，变形较大，且初期支护钢架出现凹凸等塑性变形时，应采用强度更高的Ⅰ20a型钢拱架代替之前的Ⅰ20b型钢拱架，以增强支护结构自身的强度，确保初期支护结构的弹性变形在可控范围内，防止初期支护结构因自身强度不足产生塑性变形。

3.4 隧底软弱围岩处治

隧底软弱围岩处治的目的是通过合理可行的处治手段，提高隧道围岩的地基承载力，使之能满足设计要求。

隧底软弱围岩处治主要有换填处治及微型桩复合地基处治等方法。换填处治适用于软弱围岩厚度较小路段;而机场隧道出口ZK4+455～ZK4+495段软弱围岩深度较大，采取了微型桩复合地基处治方案。具体处治方案如下：

（1）微型桩尺寸及间距设计：经计算后隧底微型桩采用50×5 mm钢花管注浆加固，纵向间距为60 cm，横向间距为80 cm，长度≥7 m。

（2）桩顶垫层设计：钢管桩施工完成并达到一定强度后，清除二衬仰拱标高最低点下110 cm厚岩土，在底层铺设30 cm的级配良好的碎石，碎石直径≤3 cm。

（3）垫台设计：铺设碎石垫层后，浇筑80 cm厚混凝土（C30）垫台。垫台内设有总共两层16 mm钢筋网，间距20×20 cm，净保护层为5 cm。

4 结语

机场隧道出口ZK4+455～ZK4+495段软弱围岩沉降变形，经及时有效处治后，历经一年多的通车运营，目前隧道状况良好，未出现沉降变形及開裂等不良现象。这说明处治过程中对隧道软弱围岩变形特征的分析是正确的，采用的成套处治技术是可行的和可靠的。由此，可得出以下结论：

（1）隧道软弱围岩变形包括软弱围岩变形和支护结构变形两部分。

（2）掌子面及时封闭能有效控制掌子面挤出变形。

（3）台阶拱脚处合理设置钢管桩能有效地控制软弱围岩变形。

（4）隧道软弱围岩段应适当提高初期支护型钢拱架的自身强度。

（5）微型桩复合地基能有效解决软弱围岩段隧底地基承载力不足的问题。

本文通过对机场隧道软弱围岩段变形处治工程经验进行总结，提出成套的相关处治措施，以期积累相关经验，指导工作。

参考文献：

[1]李文江，孙明磊，朱永全，等.软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚稳定性及其控制技术[J].岩石力学与工程学报，2012，31（Z1）：2 792-2 737.

[2]李鹏飞，赵 勇，刘建友.隧道软弱围岩变形特征与控制方法[J].中国铁道科学，2014，35（5）：55-61.