软弱围岩大断面隧道开挖支护施工技术及应用

林航

（核工业华东建设工程集团有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

随着城市化建设进程不断加快，交通基础设施得到进一步完善，公路规模也逐渐复杂化。其中，隧道工程施工是公路施工中的重点和难点。隧道工程施工受地质因素影响较大，其中软弱围岩大断面开挖施工的难度和危险系数更高。因此，施工前需要掌握软弱围岩地质的特征，了解大断面隧道开挖支护施工技术的相关要求，并制订高可行性施工方案，以推动后续施工的有序开展。

1 工程概况

以海沧疏港通道工程C 标段施工为例，系统化分析和研究开挖支护施工技术和具体施工方法。工程基本情况如下：施工路线长度为1.625km，包含互通隧道、道路土建工程项目。C 匝道设计为两车道分离式隧道，设计速度为40km/h，隧道单洞限界10.5m，行车高度界限5m，结构设计安全等级为一级。C 匝道工程开挖方法包含短台阶法、长台阶法、全断面法等，并采用超前锚杆支护方法。通过实地勘察和查阅相关资料可知，施工地点位于低山丘陵地带，最高点海拔322.83m，隧道段地表水较为丰富，地下水依据水理性质、特征可分为孔隙裂隙水、基岩裂隙水。

2 工程施工风险

施工单位经过详细研究招标文件与实地考察后，发现该工程施工存在一些重大挑战，如构建大断面、开挖支护施工质量控制等都具有一定的难度，同时隧道工程存在大量交叉作业内容，且作业空间有限，对施工组织的顺利推进构成了挑战。此外，由于该工程作业地点附近分布着大小不一的采石坑，隧道出口段极有可能发生地质灾害。如果隧道围岩拱顶稳定性较差，可能会增加施工事故的发生率。此外，隧道中段施工会穿越花岗岩地层，该地层岩体严重破碎，加之受地下水影响，使得施工风险性显著提升。

为有效应对上述工程问题，提高软弱围岩大断面隧道开挖支护施工技术的运用效果，必须加强对前期测量工作的重视。具体包括标定测量仪器、导线点闭合控制等工作，并编制完整的超前支护地质勘探报告，为开挖支护作业提供可靠的资料。另外，在大断面隧道施工过程中应采用双侧壁导坑开挖法，设计完整的初期支护方案，并根据工程任务量严格控制隧道爆破炸药使用量[1]。

3 隧道开挖支护施工方案

由于隧道被花岗岩全面覆盖，围岩等级为Ⅱ～Ⅳ级，岩质坚硬，可优先采用光面爆破方法。根据工程项目设计文件，选用全断面法、双侧壁导坑法、CD 法等开挖方式。在隧道爆破作业方面，应委派专人对围岩基本情况进行动态化监测，并结合围岩状态变化特征，针对性地制订和选择施工方法[2]。

在隧道支护阶段，应增设锚、网、喷初支系统，并利用超前小导管、锚杆支护系统进行超前支护作业。对于框架支撑，可以选择型钢钢架、格栅钢架。C 匝道施工喷射C25 普通混凝土。

隧道开挖支护施工流程如下：先进行交叉口段支护，利用高精度仪器测量，再按照施工图纸开挖洞身，之后进行初期支护。其中初期支护作业流程为：开挖洞身并排险—喷射混凝土—钢筋网施工—超前支护—锚杆作业—检查并验收工程质量—混凝土喷射—完成隧道开挖支护。若遇到特殊情况，可根据施工现场情况调整初支施工顺序，设计局部注浆段。此外，进行隧道二衬混凝土施工时，应在拌和站集中拌制混凝土，利用6～8m3混凝土搅拌车进行运输。

4 软弱围岩大断面隧道开挖支护施工方法

4.1 超前支护施工技术要点

现阶段，在软弱围岩大断面隧道开挖支护施工过程中，超前大管棚、超前小导管支护方式的运用较为广泛。

超前大管棚支护方式适用于断层破碎、洞口堆积等工程，施工时选择长度在10～100m 之间、直径在7～75.9cm 之间的钢管，具体规格可根据工程实际情况选定。基于软弱围岩的特性，施工过程中必须掌握超前大管棚支护技术的要点，并设置循环管道及管棚作业区域。然而，随着隧道大断面的增加，开挖难度会大幅提升，若采用扩挖断面方法，会增加工程资金投入和任务量[3]。为解决以上施工难点，应根据工程基本情况，采用无工作间管棚技术，正确操作顶进器。

运用超前小导管技术时，支撑设备的设置是关键。此外，施工人员需参考相关标准和规定，科学配比浆液，并重点观察浆液初凝时间。在注浆期间，施工人员需持续搅拌浆液，以避免浆液沉淀，再由专业技术人员检查泵机状态。施工中要求砂浆标号超过M20，并进行配合比试验，参考试验结果调整配合比和注浆压力，其中泥浆压力应在0.5～1MPa 之间。超前小导管施工工艺如图1 所示。

图1 超前小导管施工工艺

进行超前小导管施工时，技术人员要严格遵守工程控制标准，合理控制工艺参数。在材料方面，应优先选用无缝钢管，并将双侧布置成梅花形；超前管棚应选择10m 钢管，最佳搭接长度为200cm；浆液应选择纯净水泥砂浆。钢管直径、壁厚匹配如表1 所示。

表1 钢管直径、壁厚匹配表

在前期准备阶段，需按照设计标准精准标注循环小导管孔位，再利用风钻进行钻孔作业。之后将小导管送入孔内并穿过钢架，在钢管尾部漏出适宜长度，以满足钢架焊接作业要求。另外，超前小导管插入和孔口密封处理也是重点。应利用特殊顶头将小导管顶进，顶进长度不超过管长的90%。之后将胶泥麻筋经缠箍后堵塞在末端管口。

进行顶进作业时，应保证管口不变形，以免影响焊接质量。进行注浆作业前，要仔细检查导管密封性，防止后期漏浆。进行注浆作业时，需将管棚注浆水灰比控制在0.6～1 左右，并加入适量氯化钙。达到终压15min 后且进浆量未达到终量，即可停止注浆。此时应立刻封堵管口，避免浆液倒流。相关参数计算公式如下：

浆液扩散半径计算：

单根导管注浆量计算：

总注浆量计算：

式（1）～式（3）中：L0为导管中心间距；n 为围岩空隙率；l 为导管长度；A 为注浆范围岩层体积；a 为浆液填充系数；β 为注浆材料损耗系数。

4.2 交叉口加强段施工

根据相关资料可知，工程C 匝道围岩等级为Ⅱ级，故支护结构采用ZD4 型衬砌类型，并采用全断面控制爆破方式，其中具体预留变形量根据实际情况确定，以保证不影响结构厚度和内部空间为准。隧道洞内交叉结构受力复杂，需要采取合理措施加固围岩，将托梁作为载体进行钢架支顶作业，以打造安全的施工环境。另外，进行交叉口加强段衬砌类型支护施工时，C 匝道开挖作业需在横洞支护稳定后开展，并增设竖向支撑和横梁。支护成型且处于封闭状态后，按照全断面开挖方案内容完成后续作业[4]。

4.3 ZD4 型衬砌断面施工

进行大断面隧道开挖支护施工时，需深入分析隧道作业地点和围岩特征，确定混凝土喷射厚度等参数，制订完整的支护施工方案。采用超前支护技术时，混凝土喷射厚度应为20cm，并采用长度为3.5m的中空注浆超前锚杆，钢筋网规格为φ6.5，环纵向间距1m×1m，纵向间距100cm。进行ZD4 型衬砌断面设计时，采用台阶法作业方式，台阶长度控制在1～5B之间，其中B 为洞宽。具体施工流程如下：测量放线—超前锚杆注浆、提前支护—上下台阶开挖支护施工—铺设底部浇筑—展开二次衬砌。

施工期间，上台阶每循环进尺大于2m，下台阶每循环大于1.5m，左右侧开挖支护间隔距离应为2～3m。上台阶拱架拱脚采用垫木，下设钢垫板的临时支撑，下台阶开挖后，及时将拱架连接，以便及时封闭受力。另外，依据软弱围岩监控测量结果，调整和优化开挖预留变形量，修正支护参数，确保洞室的安全性和稳定性。铺设钢筋网时，需依据岩层特征，适当调整铺设方向和具体位置，并通过焊接方式连接格栅钢架钢筋，以提高连接的牢固性。

4.4 台阶法开挖技术

参考C 标段围岩特征与具体设计标准，采用隧道台阶法开挖施工技术时，下台阶两侧开挖深度应大于10m，还应严格管控台阶长度，并将其分成三种类型，具体为：微台阶，长度3～5m；长台阶，长度≥50m；短台阶，长度5～50m。

通过勘察隧道内地质环境、断面大小、施工设备储备情况等，可将微台阶长度控制在2.5m。搭设上台阶钢拱架时，为防止初期支护变形，应采取扩大锁脚锚管、拱脚等方式[5]。上台阶混凝土喷射强度超过设计强度70%，才可展开下台阶开挖作业，且施工过程中需观察其他结构的稳定情况。若岩体处于不稳定状态，应适当减小进尺长度，或者分开进行台阶两侧挖设作业。下台阶作业阶段，初支钢架应处于顺接平直状态，并确保螺栓连接牢固紧密。另外，隧道开挖施工时，应根据现有工程资料，利用相关公式计算隧道开挖方量，针对性地制订施工方案，以避免出现重大安全事故。相关计算公式如下：

梁段计算：

弯道计算：

T 形交叉计算：

式（4）～式（6）中：V 为开挖方量；L 为梁段长度；b 为基线宽 度；σ 为开挖 断面积；θ 为角度；R1 和R2 为半径。

4.5 双侧壁导坑法施工技术

该工程C 匝道大断面隧道施工采取双侧壁导坑法施工技术，先分别开挖隧道两侧导坑，再展开初期支护，随后分别开挖其他位置。施工期间，施工人员可根据围岩变化情况调整双侧壁导坑施工内容。对Ⅳ～Ⅴ级围岩设置临时支撑体系时，随着施工的不断深入，导坑逐渐变成完全封闭状态；Ⅱ～Ⅲ级围岩，参照仰拱回填面，通过临时支撑设施使导坑与回填面高度一致。施工作业流程如下：施工前期准备—量测隧道地质—拱部超前支护，按顺序完成注浆作业—侧壁、中槽超前小导管支护，分别从两侧入手挖出导坑，初次喷射混凝土—拆除临时支撑设施—支护表面处理—拱墙复合衬砌[6]。

此环节施工重点如下：第一，开挖作业前应检查隧道排水情况，挖设符合要求的排水沟，确保积水能够快速排出。第二，进行排水沟铺砌抹面施工，避免钢支撑体系严重软化。第三，重视测量、监控工作，技术人员应实时掌握围岩状态，根据监测数据和测量数据，不断优化支护参数，适当调整工程施工方案，具体监测内容如表2 所示。第四，进行围岩开挖作业时，应优先采用无爆破作业方法，灵活运用人力资源和机械设备，充分保证地层的稳定性。

5 结语

随着时代的快速发展，隧道工程规模不断扩大，其中软弱围岩大断面隧道工程开挖支护难度高，因此需要施工团队深度解读工程资料，利用现代化仪器设备勘察工程地点，了解工程施工主要影响因素。同时，应立足工程基本情况，选择合适的支护方式和开挖方法，如台阶法、双侧壁导坑法等，以进一步强化软弱围岩的承载能力，为后续施工提供坚实的保障。