软弱围岩小西库隧道工程的开挖及支护施工工艺

韩 飚

（中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500）

0 引言

软弱围岩的特点为具有较强的易变性，胶结性较差，孔隙率非常大。在隧道施工时，要科学选择工程技术方法来加固软弱围岩。在挖掘隧道时，加固软弱围岩后，隧道上部土石结构的重力不会给四周岩体造成影响，使得隧道的安全性和稳定性得到保证。在软弱围岩工程项目特点的影响下，应结合隧道工程项目的具体情况开展支护和挖掘施工任务，出台具有较强实用性的技术方案，以确保隧道工程项目施工取得良好的效果。

1 工程简介

1.1 工程概述

本文以北京市密云区小西库隧道工程为例，该隧道左幅起讫里程为ZK12+990.000～ZK13+472.000，全长482 m，右幅起讫里程为YK12+988.184～YK13+480.000，全长491.816 m。其中ZK12 +990.000 ～ZK13 +105.000，ZK13 +460.000 ～ZK13 +472.000，YK12 +988.184 ～YK13 +025.000，YK13+465.000～YK13+480.000 段为明挖地段，该段围岩为Ⅴ级浅埋地段，隧道小里程明洞ZK12+990.000 ～ZK13 +105.000，YK12 +988.184 ～YK13 +025.00 段开挖土石方约为56 250 m3，出口明洞ZK13 +460.000 ～K13 +472.000，YK13 +465.000 ～YK13+480.000 段开挖土石方约6 870 m3，见表1。

表1 小西库隧道工程K12+988.184～K13+480.000 概况

1.2 施工控制要点

1）隧道进洞前要做好洞顶及洞口防排水系统。防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。

2）初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15 d 左右，有条件时应尽量缩短闭合时间。

3）仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面控制在35 m（规范要求为40 m），铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。

4）二次衬砌距仰拱宜保持2 倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于35 m。

5）在满足作业空间和台阶稳定的前提下，尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在5 m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3。

6）隧道周边部位应预留30 cm 机械开挖，其余部位宜采用爆破开挖，必须采用弱爆破，不得超挖。施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。

7）中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为3 m。

2 开挖及支护施工应遵循的原则

1）应做好规划方案，选取适宜施工的挖掘软弱围岩工艺，防止由于操作不规范而破坏围岩的稳定或降低围岩强度。

2）应在软弱围岩变形量可承受的范围内进行挖掘作业，禁止超过承载值，防止造成严重变形。

3）工程项目部需要安装测量监控设备，在挖掘过程中随时查验项目进展情况，如发生错误操作应及时进行修改[1]。

4）以爆破开挖为主，必要时辅以人工、机械开挖。

5）弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护。

6）其他分部平行开挖，平行施作初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环。

7）仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系。

8）施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全。

9）完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。

3 软弱围岩隧道开挖方法

3.1 全断面开挖法

全断面开挖法应以设计轮廓为依据，使用一次性完成爆破成形施工任务的修建衬砌施工法。具体的适用范围为：①Ⅰ级～Ⅳ级围岩，Ⅳ级围岩使用全断面开挖法时，围岩在全断面开挖指导初期支护前的时间段里，围岩的稳定性需达标；②拥有自制作业台架、钻孔台车或高效机械设备的围岩施工项目；③隧道长度和施工区段长度需满足施工的标准，能够使用大型机械设备开展施工任务[2]。

3.2 台阶法

在使用台阶法时，上半断面应最先挖掘施工，挖掘施工达到一定长度以后，对下半断面继续挖掘施工，上、下半断面一起施工。依据台阶长度，划分为超短台阶、短台阶和长台阶等形式。在实际施工的过程中，应结合工程项目的具体情况选择施工方法。使用台阶施工法的项目应满足以下条件：①对初期支护形成闭合断面的时间进行管理，围岩性能越差，闭合时间就会越短；②上断面施工使用的机械设备对施工场地的要求比较严苛。如果围岩的条件较好，还应充分考虑机械设备的使用性能，以显著提升工程项目施工的经济性和实用性。

3.3 环形开挖留核心土法

1）环形开挖进尺应保持在1 m 以内，核心土的面积应为整个断面面积的1/2。

2）开挖施工开始后，及时完成喷锚支护施工和钢架支撑安装施工，使用钢筋将相邻的钢架连接起来，根据施工要求完成锚杆锁脚施工。

3）如果围岩的地质条件较差，自稳时间较短，在开挖施工前，需要完成超前支护施工。

4）下台阶和核心土开挖施工时，需要在上台阶施工完成后，且喷射的混凝土设计强度达到70%以上时，方可施工。

3.4 中隔壁法

中隔壁法简称CD 法，其在软弱围岩大跨度隧道施工中发挥着十分重要的作用。需先挖掘隧道一侧，在中隔壁设置好后，再挖掘另一侧隧道。中隔壁法的主要适用范围为老黄土隧道（Ⅳ级围岩）地段、双线隧道Ⅳ级围岩深埋硬质岩地段。

3.5 交叉中隔壁法

在软弱围岩大跨隧道施工时，交叉中隔壁法（简称CRD 法）施工能够取得最佳的效果，隧道一侧挖掘施工结束后，接着完成中隔壁和横隔壁施工任务，再对另一侧隧道施工，完成横隔板施工任务。如果使用短台阶法施工，掌子面的稳定性很难得到保证，最好选择使用分部尺寸小的交叉中隔壁法，从而使施工效果达到最佳[3]。

4 开挖法施工

4.1 超前地质探测

地质条件复杂地段：①地质素描：每个循环进尺2 m；②超前水平钻5 孔，距离30 m～60 m，30 m一循环，搭接长度5 m；③超长炮眼17 孔，距离5 m，2 m 一循环；④地质雷达（25 m 一循环，搭接5 m）；⑤TSP203，长度100 m，搭接长度10 m；⑥综合分析超前地质预报的岩溶、地层岩性等地质条件信息，对地质复杂程度分级和预报方案进行调整，结合建设单位的相关标准完成相应手续的办理工作。

地质条件较复杂地段：①地质素描：每个循环进尺2 m；②超前水平钻3 孔，距离30 m～60 m，30 m 一循环，搭接长度5 m；③超长炮眼12 孔，距离5 m，2 m 一循环；④地质雷达（25 m 一循环，搭接5 m）；⑤TSP203，长度100 m，搭接长度10 m。

地质条件中等复杂地段：①地质素描：地质条件一致的地段每隔30 m 开展一次地质素描工作，地质条件发生改变的地段，开展地质素描的周期为一个循环；②超前水平钻1 孔，距离30 m～60 m，30 m一循环，搭接长度5 m；③超长炮眼8 孔，距离5 m，2 m 一循环。

地质条件简单地段：①地质素描：地质条件一致的地段每隔50 m 开展一次地质素描工作，地质条件发生改变的地段，开展地质素描的周期为一个循环；②超长炮眼3 孔～5 孔，距离5 m，2 m 一循环。

4.2 监控量测

1）监控量测分必测项目和选测项目两类。使用新奥法修建的隧道属于必测项目；结合围岩性质、隧道挖掘方式和隧道埋置深度确定的项目属于选测项目。必测项目：洞内外观察、净空收敛、拱顶下沉。浅埋地段地表沉降选测项目：围岩压力、锚杆轴力、孔隙水压力、水量、纵向位移、明挖段边坡位移、喷射混凝土内力、钢架内力。

2）在确定净空变形量测断面间距时应综合分析围岩级别和隧道埋置深度等信息，Ⅱ级围岩50 m、Ⅲ级围岩30 m、Ⅳ级围岩10 m、Ⅴ级围岩5 m。

3）净空变形量测应在每次开挖后尽快进行，初读数应在开挖后12 h 内读取，不得超过24 h，而且在下一循环开挖前，必须完成初读数。

4）隧道拱顶下沉和水平收敛速度保持在5 mm/d 不变时，掘进施工停止，找到问题的具体原因，采取切实可行的措施解决问题。

4.3 上部弧形导坑开挖

拱部超前支护后施工，对上部弧形导坑使用环向挖掘的方式处理，将核心土预留好，核心土的长度要保持在5 m 左右。上台阶开挖：每循环进尺Ⅴ级围岩不应大于1 榀钢架间距，开挖后立即初喷3 cm～5 cm 混凝土。及时架设钢架、锚网系统，在钢架拱脚以上30 cm 高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°架设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。上、中、下台阶预留核心土开挖：各个台阶的开挖进尺与循环进尺相同。挖掘隧底：每个循环的开挖长度要保持在3 m 左右，开挖施工结束后，及时开展仰拱初期支护施工任务，一个开挖循环施工结束以后，及时完成仰拱施工任务，仰拱每次施工长度不得超过3 m，以满足公路工程施工安全技术规范的要求。

5 喷射混凝土支护

5.1 支护准备工作

第一，清除作业面。为了确保支护作业安全平稳地开展，需要对岩石面上出现松弛和破碎的地方使用清洁工具进行清除。对软弱围岩隧道的施工，需创建一个适宜的作业环境，因在对软弱围岩进行清除工作时，利用水压冲刷出现破损的岩石时会产生围岩吸水的情况，所以为了保证工程的质量，必须对现有冲刷方式进行调整，需要借助高压吹风机实现围岩面的清洁。

第二，混凝土掺合料的选取与制作。由于所调制混凝土质量关系到支护作业最终的质量，所以在进行配置混凝土的过程中，需遵循实验室给出的水灰比来加入原料，确保水灰比为1.5∶1，如果水泥选择P·O42.5 作为主要原料，则需要在调制期间加入适量的30 μm 超细水泥，还需添入一定量的添加剂，例如增强剂等，确保混凝土和岩石要严实吻合，将支护作用发挥到最大。除此之外，如果围岩出现大面积的渗水，则需要及时布设排水管，确保将渗水全部引流至其他地方，避免由于渗漏问题而造成更大的损失[4]。

5.2 支护技术要点

在进行支护作业时，选取螺旋移动的技术工艺，按长度划分喷射作业面，其区域应＜6.0 m，严格遵循“自下而上、逐次向上”的喷射方式，喷射设备与岩面距离为1.0 m 时效果最好。第一次的喷射厚度要通过喷射位置进行设置，应根据工程实施方案开展作业，确保初喷和复喷的厚度都没有超过可允许范围的最大值，初喷厚度要限制在4 cm～6 cm，复喷厚度为6 cm 时，需等初喷终凝后再进行复喷，防止因没有终凝而减弱喷射效果。复喷的过程中，可利用喷壶将基面润湿，复喷作业完毕后需要对此区域进行保养维护，养护作业要符合规定标准，保证养护时间＞10 d。

5.3 锚杆支护

利用锚杆支护法开展作业，需先进行钻孔。将适合本工程的钻孔机架设到预定钻孔位置，正确修改钻机功率与钻头角度，保持钻头和隧道断面呈90°，然后开始钻孔。钻孔完毕后，需检查钻孔的质量，主要查看孔壁的完整度，钻孔倾斜率、深度等是否达标。如果存在质量问题，则需要重新确定新孔，并进行二次钻孔；如果质量合格，需将钻孔周围环境清理干净。

按照本工程的实际情况，锚杆支护作业使用三种锚杆：水泥砂浆锚杆、中空注浆锚杆、药包锚杆。其中水泥砂浆锚杆和中空注浆锚杆在支护作业时直接进行安装，难度较小。药包锚杆支护应根据操作程序进行，进行支护作业前，通过泡水的方式检查药包是否合格，禁止使用存在结块问题的药包。

6 结语

基于软弱围岩结构的自身特点，在隧道工程中碰到该类地质，需要专业人员仔细对地质软弱围岩结构进行勘测，在充分了解该岩土结构、水文状况的条件下，撰写科学合理的开挖和支护计划。除了对整个隧道的支护进行规划外，还应该特别关注重点部位的开挖作业和支护施工。在这些部位加强施工质量安全管理，可以尽可能地降低围岩变形和坍塌事故发生的概率，从而确保隧道的稳定性和安全性。在施工过程中，还需要统筹兼顾，以确保隧道的整体质量得到提升。这就要求施工人员在施工过程中，应始终关注围岩的状况，对施工过程中出现的问题及时进行解决，以确保隧道的施工质量得到有效控制，从而延长使用寿命。