软弱围岩条件下隧道开挖支护施工研究

2023-10-29李道红杨志刚

运输经理世界 2023年19期

关键词：围岩隧道工程

李道红、杨志刚

（新疆路桥建设集团有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

由于地质环境和地形地貌的复杂性以及设计、施工技术水平的限制，隧道工程建设过程中所面临的问题也日益突出。其中，软弱围岩条件下隧道开挖支护施工难度大、风险高是当前亟待解决的难题。因此，对该领域进行深入探究具有非常重要的现实意义。

1 软弱围岩条件下隧道开挖支护的原则

在软弱围岩条件下隧道开挖支护施工中，需要秉持一定的基本原则，以取得更理想的施工效果。具体来说，需要遵循以下原则。

1.1 充分发挥围岩自承能力

在隧道开挖过程中，应尽可能减少对周围岩石体的扰动和破坏，同时保证其能够承受来自外部环境的各种力量，确保整个工程项目可以顺利地向前推进。因此，在实际的隧道开挖过程中，必须采取相应的措施来加强对周围岩石体的加固处理，并合理利用围岩自身的承载力，以达到更好的效果。

1.2 坚持“早进晚出”的基本原则

由于软弱围岩具有稳定性较差和强度较低等方面的特点，如果采用传统的爆破方法或者其他方式进行施工，很容易导致严重的后果。为了有效避免这些问题的发生，应该遵循“早进晚出”这一基本原则。早进晚出原则，在《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）和《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）中都有提及，主要是对洞口位置施工提出的要求，指出隧道洞口段围岩一般较为破碎、地质条件差，要保持早进晚出，减少对洞口段岩体的扰动。具体来说，要延长洞口和隧道的长度，在接近山体之前开挖隧道洞口，实现“早进”；在隧道离开山体后再设置出洞口，实现“晚出”。归纳起来即为“未到山体之前先进洞，尽量远离山体后再出洞”。

1.3 重视超前地质预报

在隧道开挖过程中，准确预测地质情况十分重要。通过超前地质预报技术，可以及时发现可能存在的不良地质现象，如断层、溶洞等，从而提前制订相应的应对策略，做好相关防护措施，避免安全事故。另外，超前地质预报也有助于优化支护结构的设计参数，使支护结构更加科学、合理，进一步提升整个工程项目的安全性[1]。

2 软弱围岩条件下隧道开挖支护施工技术

进行隧道工程的设计和建设时，需要综合考虑地质环境、地形地貌等因素。其中，软弱围岩是一种常见的不良地质现象，其稳定性较差，容易导致隧道出现坍塌、变形等问题。为了保证隧道工程的安全可靠运行，必须采取科学合理的措施加强隧道开挖支护工作。

在软弱围岩隧道建设过程中，为了保证其安全性和稳定性，需要采用合适的支护方式。目前常用的支护方式主要包括超前支护、初期支护以及二次衬砌。其中，超前支护是指对隧道前方地质情况进行预测并采取相应措施来确保隧道结构的稳定性。初期支护是针对已经成型但还未承受荷载作用的隧道结构，通过施加预应力锚杆、钢筋网片等材料提高其承载能力。二次衬砌是在一次衬砌之后再添加一定厚度的混凝土形成的永久结构体，可以有效地防止隧道出现变形或者裂缝等问题。

由于不同类型的隧道所适用的支护方式不同，因此需要结合工程的具体情况，以及工程环境的特点，如地质构造、地下水位等因素进行判断，进而选择最适宜的支护方式[2]。

2.1 超前支护技术

在软弱围岩条件下隧道开挖过程中，由于其地质环境较为复杂、岩石松散等原因，可能会出现坍塌事故。而使用超前支护技术，可以有效提高隧道结构体的稳定性，避免坍塌事故。目前常用的超前支护技术主要包括管棚法、小导管法以及大管棚法等。其中，管棚法是最常见的一种方法，具有操作简便、成本低廉、效果显著等优点。

2.2 初期支护技术

在软弱围岩条件下隧道开挖过程中，通常会采用初期支护技术来确保隧道结构体的安全性。初期支护技术主要包括锚杆支护、喷射混凝土支护以及钢拱架支护等。其中，锚杆支护是应用最广泛的一项技术，不仅具有支护效果好、适用范围广等特点，还可以大大降低工程造价。

2.3 二次衬砌技术

除了初期支护，软弱围岩隧道的开挖还会涉及二次衬砌技术。二次衬砌技术主要用于解决隧道后期可能产生的沉降、裂缝等问题。与一次衬砌相比，二次衬砌更注重防水性能和耐久性，对施工质量的要求也更高。

2.4 超前预加固法

超前预加固法是指通过对掌子面前方一定范围内的地质情况进行分析和研究，采取相应措施提前加固地层，为后续工作提供必要的支撑力和保障。这种方法可以大大提高隧道开挖后初期支护结构的承载能力和稳定性，从而保证整个隧道工程的安全性和可靠性。

2.5 短台阶留核心土法

短台阶留核心土法适用于断面较大、埋深较浅且地下水位不高的隧道。其基本原理如下：首先，将上台阶部分开挖至设计要求的位置；其次，按照设计要求修筑拱部衬砌结构；最后，逐段向下开挖并及时封闭成环。该方法具有施工简单、操作方便等优点，但也存在着一些缺点，如初期支护变形大、沉降量难以控制等。

2.6 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法是一种较为先进的隧道开挖支护技术，它不仅可以大幅度减小隧道开挖时对周围环境造成的影响，还可以更好地控制隧道的变形量。施工时先将左右两侧的隧道分别开挖成形，待达到设计要求的位置，再将中间部分的隧道分成若干个小洞室进行开挖支护作业。双侧壁导坑法具有施工速度快、效率高、质量可控等优点[3]。

2.7 环形开挖留核心土法

环形开挖留核心土法与上述几种方法相比，虽然比较传统，但其效果却非常显著。其基本原理是先将隧道整体沿纵向分为多个环形区域，然后在每个环形区域内进行开挖支护作业。环形开挖留核心土法不仅可以很好地控制隧道的变形量，还可以降低工程成本，因此被广泛应用于各种类型的隧道工程。

总的来说，在软弱围岩隧道施工中，应针对不同类型的软弱围岩地质条件，选择合适的支护方式进行开挖。例如，当遇到破碎带较多、节理裂隙发育较为严重的情况时，应采用更加牢固的支护方式，如钢拱架+喷射混凝土联合支护形式。当面临软土层较厚、地下水位较高等不利因素时，则应加强排水固结措施，并适当增加仰拱长度，以确保结构整体安全可靠。

各种支护方式不是孤立存在的，它们往往会相互结合使用，形成一个完整的支护体系，共同承担荷载作用。因此，在确定支护方案时应综合考虑各个方面的因素，力求做到最优化设计。

3 软弱围岩条件下隧道开挖支护施工的控制

进行软弱围岩条件下隧道开挖和支护时，需要采用一系列合理有效的措施来保证工程的安全性[4]。其中最为重要的是要对围岩的变形情况进行实时监测，并及时采取相应的措施进行调整。

3.1 超前地质预报及监控量测技术

软弱围岩隧道的施工过程中，由于其地质环境复杂多变，因此必须通过先进的手段对前方的地质情况进行准确预测。这就要求在实际操作中，充分利用各种探测设备对掌子面前方的地质情况进行全方位、多角度的观测，以便更好地指导后续的施工作业。同时，针对不同的地质情况，需要制订出相应的应对方案。

例如，在遇到断层等不良地质现象时，可以采用预留核心土法或短台阶法等方法进行处理；遇到软土地质时则需采用加固注浆等措施进行处治。

3.2 复合式衬砌结构体系

随着科技水平的不断提高，越来越多的新型材料被应用到隧道建设领域，包括钢筋混凝土管片、钢拱架以及锚杆等。这些材料不仅具有较高的强度和刚度，而且能够很好地适应不同地质环境的需求，使隧道整体的稳定性能得到大幅提升。使用这些材料时，一定要严格按照相关规范标准进行安装和固定，否则可能会影响隧道的受力状态和使用寿命。

3.3 软弱围岩条件下隧道开挖支护施工监测

进行软弱围岩隧道的开挖和支护时，实时监测是必不可少的环节。通过监测数据，可以及时发现问题并采取相应措施加以解决，从而保证工程的安全性。

3.3.1 监控量测内容及方法

在软弱围岩隧道工程中，监控量测是一项非常重要的工作，能够为后续的施工提供准确可靠的依据，保证隧道工程的安全和稳定性。监控量测主要包括地表沉降、洞内位移、钢拱架应力等多个项目。其中，地表沉降是最基本也是最容易获取的监控量测指标之一。而洞内位移则需要采用专业的测量设备进行观测。

3.3.2 监控量测频率与控制标准

进行软弱围岩隧道的监控量测时，应该按照一定的频次和要求进行操作，以保证监测数据的准确性和有效性。一般来说，每个断面或部位的变形速率都不应超过0.2mm/d，否则需要加强监测力度或者改变支护方式。同时，应该根据不同的围岩类型制订相应的控制标准，以确保施工安全。针对不同类型的围岩，应该采取不同的支护方式。例如，当围岩等级为Ⅳ级时，应该采用加强衬砌等手段进行支护；当围岩等级为V 级时，则必须立即停止施工，并进行加固处理。

3.3.3 监控量测成果分析

完成一次完整的监控量测后，应该对所得到的数据进行整理和分析，以便更好地了解隧道结构的稳定性及其变化规律，并为后续的决策和管理提供可靠的依据。应该先计算出各个参数的平均值、标准差等统计量，以便对数据进行初步的分析和比较。然后，可以绘制出图表，如水平位移曲线图、竖向位移曲线图、钢拱架应力分布图等，以直观地展示监测数据的变化趋势和分布情况。

3.4 其他辅助措施

除了上述提到的主要内容，在软弱围岩隧道工程中还需要采取一些辅助措施，以保证工程的顺利进行和施工安全。例如，进行爆破设计时，应该充分考虑周边建筑物的保护问题，尽可能减少对周围居民生活和生产所造成的不利影响。另外，在通风排水系统的设置上，应该结合具体情况进行科学规划，确保风流畅通，防止积水过多导致边坡失稳等问题。