高原隧道软岩大变形及支护施工技术探究

周建伟

摘要 软岩隧道的施工难度大、安全隐患多，因其具有复杂构造的岩层，且软岩易变形，若处置不当易引起安全生产事故。文章就软岩大变形条件下高原隧道施工进行了分析和研究，阐述了关于超前地质预报、爆破、开挖、监控、量测等软弱围岩隧道方面的关键环节，提高隧道初期支护稳定性，减小初期支护变形收敛，达到减少初期支护变形侵限风险的效果，为优化监管、提高效率、保障安全等重点环节提供了依据。

关键词 隧道;软岩大变形;措施优化;高原施工

中图分类号 U455.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0139-03

0 引言

随着西部大开发战略持续深化，西部高原地区修建隧道数量增多、难度增大，特别是遇到软岩隧道，开挖易造成软岩大变形，事关经济效益和人身安全。如何确保此类高原软岩隧道施工安全已成为工程重点研究对象，因此软岩隧道施工大变形控制技术的研究具有重要的工程意义。对于软岩大变形关键施工控制技术，许多专家展开了相关研究，得到很多富有意义且指导性强的成果[1-3]。刘成华[4]在解决中条山隧道在施工至高地应力F7主干断层段初期支护发生严重变形开裂的问题时，选取“刚性支护一次到位”和“柔性支护释放应力后进行二次支护”2种方案进行试验，验证了方案的可行性。虽然目前对于隧道软岩大变形控制的研究已卓有成效，但针对高海拔软岩隧道施工控制技术研究仍然缺乏，不同地质条件和施工环境对于施工控制技术具有差异。该文以某高原深埋隧道为例，就大变形控制体系及关键施工工艺进行详细阐述，以期为类似工程施工提供技术参考。

1 工程概况

该高原隧道中，其软岩、断层带在高应力和富水等条件下，产生具有明显时间效应的塑性变形，其中软岩层的段落变形主要表现在变形快且具有流变性，围岩破坏的范围大，以及随着隧道埋深的加大，变形破坏趋势逐渐强烈，常规支护难以维护隧道洞身稳定。

2 隧道软岩大变形施工技术

由于高原地区施工的特殊性，遵循大型电动机械优先、以人为本、减少工人劳动强度的原则，充分发挥科技创新的引领作用，形成大机作业工装、工艺、工法成套建造技术，运用信息化大数据技术，统筹建设管理全过程。

2.1 超前地质预报

目前，地质雷达法、TSP法、地质调查法、红外探水法、加深炮眼和超前钻孔等，是隧道施工较为常用的常规超前地质预报方法。如图1所示的是超前地质预报的流程，必须严格按照“先探测、后施工，不探测，不施工”的要求，将超前地质预报纳入正常施工工序。采用TSP每次探测100～200 m，即利用地质超前预报系统全程宏观控制，连续实施短距离全程的红外线探水仪探测30 m;同时，进一步短距离探测强化、补充和验证，由地质雷达每次探测30 m;每次超前水平钻探30 m，加密钻探地质较差的地段，前后两循环孔应搭接5～8 m，并对常规地质素描及加深炮孔进行综合分析。

2.2 围岩监控量测

围岩监控量测贯彻隧道的整个施工流程，对量测数据分析处理后，预测围岩变形趋势，验证和修改设计支护参数，采取相应的施工措施，科学地组织和指导施工，保证隧道施工安全。通常每5 m设置一个大变形地段的观测断面，确保5个点/断面，变形数据异常时可适当加密观测断面。施工过程中注意监控量测数据的时效性及准确性，及时反映围岩及初支收敛情况，通过对数据的整理及分析，对可能的最值、变化速度进行回归分析预测，从而确定相应的支护参数及预留变形量。

2.3 开挖爆破

围岩自身存在一定的自支护能力，开挖本质是对围岩自支护能力的破坏，最重要的是保护围岩的自支护能力，预防掌子面崩塌，减少超挖，保证洞壁的平顺，从而达到减小后期初支变形的效果。

若对软弱围岩的地段进行全断面开挖，由于掌子面凌空面较大，容易引起溜塌事件，有塌方风险;若采用长台阶方法开挖，由于初支收敛速率较大，围岩挤压上台阶钢架造成收敛变形，会导致下台阶施工时上、下台阶连接处钢架不能合拢、密贴，破坏钢架整体受力结构。若采用台阶长度3～5 m的微台阶方法进行施工，及时开挖下台阶及仰拱初支，保证初支钢架及时成环，整体受力。

炸药采用乳化炸药，采用斜眼掏槽、周边眼光面爆破，连续装药结构、非电毫秒雷管起爆。机械钻孔使用凿岩台车进行作业，现场根据隧道实际环境和条件选配三臂风动凿岩机进行辅助钻眼。隧道爆破设计各项参数如下：

炮眼直径：对炮眼数目、凿岩生产率、单位耗药量和洞壁的平整程度等都会产生影响，该次选择38 mm。

炮眼间距：主控周边眼间距，控制在40 cm;掏槽眼控制在40 cm;辅助眼控制在60 cm;底板眼控制在50 cm。。

单位炸药消耗量：Ⅴ级≤1.00 kg/m³。由于软岩地质情况复杂，在施工过程中，每次爆破后应检查爆破效果，同时不断调整装药量，从而达到最优爆破效果。凿岩台车施工工艺流程如图2所示，凿岩台车钻孔步骤如图3所示。

2.4 加强初期支護结构

初期支护主要包括钢架、钢筋网、连接筋、锚杆、超前小导管、喷射混凝土等内容。初期支护施工时，必须保证各连接用钢处焊接牢固，使各构件连接成一个整体，共同支护围岩。

钢架主要分为格栅钢架、型钢钢架2种，其中格栅钢架柔性性能好，能密贴于围岩，能够较好地控制围岩松弛变形，适用于Ⅳ级及Ⅳ级以下围岩地段。但在软弱围岩地段，即Ⅴ级及Ⅴ级以上围岩地段，围岩本身松弛、易变形，格栅钢架的刚度不足以支撑围岩的应力释放，故采用型钢钢架，提高初支钢架抗扭曲能力。通过对前期现场采用I18、I20、I22型钢钢架施工情况来看，钢架抗扭曲能力相对较弱，初支钢架出现不同程度的扭曲、断裂，经过多次比选，最终采用HW175型钢制作初支钢架。

为有效控制变形，提高初期支护强度，通过施工中对不同初支结构形式试验，优化衬砌轮廓，本着“快开挖、快支护、快封闭的理念”，通过监控量测变形值及初期支护的损坏情况作出判断，形成最终施工方案。

钢架在钢构件加工厂制作，运至现场采用拱架台车拼装。加强支护初期的全环HW175型钢，使之在0.6～

1.0 m/榀设置钢架间距，预留20～35 cm变形量，基本能保证在预留变形量范围内初支变形达到稳定，不影响后期二次衬砌的施做。混凝土回弹量的减少能提高混凝土的质量、耐久度等，喷射混凝土采用早高强纤维混凝土，在保证混凝土的物理力学性能同时，改善工作环境。

2.5 初支补强

2.5.1 长、短锚杆的应用

长锚杆深入内部岩层控制深部围岩的变形，同时在另一方面形成整体作用，将短锚杆加固组合结构悬挂于深部的稳定围岩，进一步加强初支的稳定性。长、短锚杆组合支护系统中，采用ψ22低预应力树脂药卷的短锚杆，每根长4 m，每榀钢架8根，分别设置于上、下台阶左拱脚及右拱脚各一组。长锚杆采用ψ22让压式锚杆，每根长6 m，共计4根，施做于上、下台阶连接处左右各一组，加强钢架接头处的受力，保证钢架受力结构的整体性。

2.5.2 后补注浆

根据施工现场情况表明，初支开裂、变形最严重地段位于钢架上下台阶连接处。主要原因是该处位于上、下台阶分界处，连接采用螺栓连接及焊接，强度较钢架偏弱;其次，下台阶开挖时，该部位容易形成空洞，造成该处喷射混凝土不密实。通过后补注浆，对连接处不密实部位进行填充，同时对初支背后软弱破碎围岩进行加固，形成一个受力整体。后補注浆要求在不影响掌子面施工的情况下，一般滞后掌子面15 m左右施工，及时对上、下台阶连接板处设置3排φ42径向注浆钢花管，间距1.0×1.0 m（环向×纵向），梅花形布置，每根长2.5 m。采用1∶1的水泥浆液作为注浆材料，同时注浆压力控制在0.5～1.0 MPa。

2.6 质量控制

隧道位于高原地区，为减少人员劳动强度，多采用大机作业，提高了隧道施工质量，减少容错率，同时保证了高原缺氧的工人身体健康。软岩大变形地段施工在质量控制方面不容忽视，初支喷混凝土背后脱空、初支厚度不足、钢架接头连接不牢、钢架线型安装不顺直、锚杆长度不足等问题是引起初支变形的主要原因。采取优化爆破参数来控制开挖效果;利用测量复核制度，控制钢架安装定位，确保钢架线型;加强过程检查，确保锚杆长度和注浆效果;技术人员带班旁站监督施工，落实三检制度，确保工程质量合格。

3 结束语

在施工隧道软岩大变形地段中，科学规范地采取5步措施，即：超前地质预报、监控量测、开挖爆破、优化初期支护结构、初支补强，能有效控制隧道初支变形侵限，证明在高原施工隧道的措施是有效的，方法是正确的。在严重挤压变形、围岩软弱破碎的情况下，确保了工程进度，保证了施工安全，为后期隧道的施工提供了一个成功案例。

参考文献

[1]李沿宗， 尤显明， 赵爽. 极高地应力软岩隧道贯通段变形控制方案研究——以兰渝铁路木寨岭隧道为例[J]. 隧道建设， 2017（9）： 1146-1152.

[2]蔡涛. 白马隧道支护结构变形机理与支护技术及实践[J]. 铁道建筑技术， 2021（2）： 141-145.

[3]杜三虎. 运营隧道衬砌裂缝及厚度不足处理技术研究[J]. 工程机械与维修， 2021（2）： 54-56.

[4]刘成华. 蒙华铁路中条山隧道高地应力F7断层软岩破碎段施工技术[J]. 隧道建设（中英）， 2018（S1）： 161-166.