隧道软弱围岩新奥法施工技术分析

蒋 帆，刘中文

（中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310000）

随着我国交通基础设施的不断建设，桥梁、隧道等工程逐渐增多，根据我国隧道修建情况分析可知，其属于资金技术双密集型项目，即投资大、施工技术要求高，这主要是由于隧道属于地下工程，具有隐蔽性、复杂性等特征，因此合理开挖支护十分关键，这直接关系到工程质量、安全问题。近年来，新奥法已经成了我国山岭隧道的主流工法，尤其是在遭遇软弱围岩时，通过超前支护方法的应用可最大限度地利用围岩自稳能力，保证后期开挖作业的顺利实施。同时，超前地质预报、监控量测等方法的应用，为围岩变形控制提供了可靠依据。文章主要围绕新奥法施工技术要点展开详细分析。

1 我国隧道工程修建情况

我国是一个多山岭国家，传统公路建设以盘山绕行为主，但是此类公路线路相对较长，相应的，车辆损耗、油耗较大。基于现代施工技术、机械设备的不断发展，山岭隧道修建成为可能，且施工效率、成本均有所保障，其可大幅缩短公路线路、加快行车速度，对区域经济发展具有重要意义。

根据相关数据显示，截至2019年末，我国公路隧道里程达1896.66万m，其中，特长隧道、长隧道里程持续增加，此类隧道对开挖支护施工技术提出了更高的要求。现阶段，我国隧道工程的主流施工方法为“新奥法”，其改变了传统的将围岩完全看作是荷载来源的观念，充分利用围岩自稳能力完成开挖作业。2015—2019年公路隧道里程统计表如表1所示。

表1 2015—2019年公路隧道里程统计表

结合相关理论与工程实践分析可知，隧道施工必然扰动原状土，引发地层变形，尤其是一旦遭遇软弱围岩，极易引发安全事故，由此，“新奥法”的应用显得尤为重要。新奥法施工原则可归纳为如下：超前探测、超前支护、短进尺、弱爆破、少扰动、早支护、勤量测。在隧道施工初期必须实施超前探测工作，判断围岩稳定性，通过超前支护的方式，将围岩纳入支护系统，即锚杆、混凝土、隧道围岩三位一体，共同承载山体压力，同时通过监控量测工作的实施，全面控制围岩变形。为保证隧道作业的安全、高效完成，文章着重围绕隧道软弱围岩新奥法施工技术的运用展开分析。

2 隧道软弱围岩新奥法施工技术方法

隧道工程作业中，软弱围岩段开挖是一大重难点，软弱围岩经扰动后极易出现较大变形，甚至引发坍塌事故，新奥法施工技术的合理运用具有关键意义，也是文章分析的重点。

2.1 软弱围岩变形特征

软弱围岩主要指受到外界荷载作用，极易出现明显塑性变形的岩体，自稳能力十分差，具体分类如图1所示。

图1 软弱围岩分类情况

在软弱围岩区域修建隧道，多数会出现拱顶下沉、周边收敛变形较大的问题，且不同种类的软弱围岩工程特性存在差异，无法一概而论，给隧道施工带来较大的难度。结合相关实践经验，可将隧道施工中软弱围岩变形特征归纳如下：（1）掌子面水平位移；（2）掌子面前方围岩下沉；（3）洞壁收敛变形，包括拱顶下沉、边墙位移等。由此，在进行隧道软弱围岩施工时，必须重视围岩稳定问题，合理采用新奥法，保证项目顺利、完全完工。

2.2 新奥法施工技术要点

结合实践分析可知，新奥法的核心在于“保护围岩”，基于这一原则，根据围岩稳定性、施工条件等，灵活选择开挖方法、辅助工法等，新奥法基本施工流程如图2所示。

图2 新奥法基本施工流程

隧道软弱围岩新奥法施工技术要点可归纳如下。

（1）设计施工一体化：隧道软弱围岩新奥法施工时，必须将设计、施工看作是一个系统工程，主要设计工作分为两部分，一是合理掌握围岩、隧道环境情况，合理确定隧道支护、开挖以及二次衬砌方法等，具体如图3所示；二是根据现场监控量测结果，不断修正设计参数，调整施工方案，由此保证项目顺利完成。

图3 新奥法设计程序

（2）合理选择开挖方法：根据隧道围岩条件、施工安全要求，做好技术经济性分析，合理确定施工方法，不同方法的围岩适用情况如表2所示。

表2 不同开挖方法的围岩适用情况

（3）科学确定开挖辅助工法：软弱围岩条件下的隧道施工环境相对较差，极易出现围岩松动、坍塌的问题，辅助工法的运用十分关键。主要分为以下三种：①稳定掌子面的辅助工法，此类工法主要有超前锚杆、超前小导管等，软弱围岩开挖施工掌子面极易出现剥落、局部坍塌的情况，通过超前支护可有效增强岩土体稳定性，及时封闭掌子面上裂隙，保证掌子面可较好自稳；②控制地表沉降的辅助工法，包括药液压注法、地层冻结法、垂直锚杆法等，切实保证地层稳定；③改善掌子面上部围岩的辅助工法，包括管棚超前支护、水平高压旋喷法等，可用于塌方地段、软弱破碎岩体加固施工，防止围岩松弛。

（4）全面落实监控量测，及时反馈岩体情况：隧道监测项目如表3所示，切实保证围岩变化处于可控范围内，使整个隧道开挖作业安全可靠。

表3 监控量测

（5）做好隧道防水排水工作：软弱围岩隧道施工中一些坍塌事故的产生，与水的存在具有直接关系，因此开挖支护施工中，应处理好地表水、衬砌背后的水、地下水等，二次衬砌施工风险分析图如图4所示。根据图中各项风险分析可知，除了施工操作不当所致的安全事故，水害是最大的威胁，在隧道实践中必须合理运用好排、堵、截、引等处理措施，切实保证隧道施工安全。

图4 二次衬砌施工风险分析图

3 隧道软弱围岩新奥法施工技术应用实例

文章主要围绕陡岩村隧道工程中新奥法的应用情况展开详细分析，具体如下。

3.1 工程概况

建水（个旧）至元阳高速公路项目TJ6标段标段全长7.627km，陡岩村隧道为分离式隧道设计，全长2648m，该隧道由TJ6标和TJ7标各施工半座，该标段施工进口端段（建水端段），半座长1321m。该隧道左右线进口端均无明洞设置，采用端墙式洞门。在该标段施工的半座隧道内共有4个人横洞、1个车行横洞（Z5K60+281.214）和2道紧急停车带（左右洞各1道，分别为Z5K60+281.214，长50m；K60+260，长100m），陡岩村隧道进口端工程量如表4所示。

表4 陡岩村隧道进口端工程量

3.2 围岩情况分析

该项目隧道主要围岩等级为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，隧址区地质主要表现为多数地表为残积层、部分坡积层或残坡积层，洞顶以上为强风化及全强风化为主，部分中风化；Ⅳ、Ⅴ级围岩地段岩石破碎，围岩稳定性较差，对隧道开挖不利；Ⅲ级围岩地段岩石完整，围岩稳定性较好，对隧道开挖有利；主要工程地质问题为活动地裂与地震，其次为岩溶、潜在不稳定斜坡和危岩落石等。施工中补充地质勘探，Z5K59+821～Z5K60+203m、K59+760～K60+199m调整为V级围岩，其余暂不调整。

3.3 新奥法施工的应用

该项目隧道修建采用新奥法原理，按信息化动态设计与施工技术流程进行作业，具体如图5所示。经由综合分析，该隧道初步确定洞口V级围岩浅埋段洞身V级围岩段均采用环形开挖预留核心土法，对于洞身V级围岩段较差的软弱围岩同时辅以φ108×8长6m无缝钢管作为锁脚加强；洞身Ⅳ级围岩采用三台阶法，台阶长度5～15m；洞身、Ⅲ级围岩段采用两台阶法或全断面法。隧道施工采用超前长管棚、小导管支护方法，初期支护采用锚杆+钢筋网+C20喷射混凝土+钢拱架，浅埋段、V级围岩段及时施作二次衬砌（C25），确保围岩承载能力良好。

图5 信息化动态设计与施工技术流程

3.4 关键施工工序与要点

（1）开挖施工：该项目隧道采用挖掘机+人工开挖方法，不爆破，每个循环进尺0.5～1.0m，采用长管棚、加密小导管超前支护；完成开挖后，及时进行钢支撑施工，并喷射混凝土；完成初期支护后，尽快浇筑仰拱二次衬砌混凝土，整个施工过程中对围岩扰动较小。

（2）支护施工：该项目超前小导管采用双层钢管，初期支护采用锚杆+钢筋网+混凝土喷射+钢拱架，切实保证围岩稳定可靠。

（3）仰拱施工：该项目仰拱每环施作1～2m，及时封闭成环，仰拱混凝土施工完成后做好养护，确保混凝土强度达标后方可进行下一循环作业。

（4）超前地质预报：该隧道采用TGP206、LTD2100分别进行长期、中期地质预报，分别预报120m、20m，以及采用超前水平钻孔预报5～10m，这三种预报方法互相验证，超前水平钻孔可直接揭示地层岩性、构造以及地下水情况，用于不良地质段效果显著。

（5）围岩监控量测：监控量测是隧道设计、施工方案优化的重要依据，该项目拱顶下沉、周边收敛现场监测结果显示，初期拱顶下沉变形较大，随着小导管注浆硬化后，围岩变形逐渐得到控制，拱顶下沉、周边收敛逐步稳定。

4 结束语

综上所述，近些年来我国公路隧道规模持续扩大，相应出现的遭遇软弱围岩等问题也越来越多。根据实践情况分析可知，软弱围岩下开挖作业极易出现失稳、坍塌等问题，引发严重的安全事故，因此应用新奥法在保证山岭隧道安全、高效作业方面具有显著意义。在隧道工程项目实施中，新奥法施工应落实信息化动态设计与施工，严格根据项目围岩等级、周边环境与施工条件等合理选择开挖、支护方法，同时需落实超前地质预报、监控量测等工作，为实际作业开展提供可靠的依据，同时可根据相关监测结果合理调整工法，保证项目高质量、安全落实，获得应有的社会、经济效益。