软弱围岩公路隧道开挖支护施工过程研究

谷广来

摘 要：公路隧道在穿过软弱围岩地带时更容易发生变形失稳破坏等现象。因此，选择合理的开挖支护工法，对隧道施工时的安全性以及围岩的支护控制效果都具有重要意义。以某公路工程项目隧道施工为例，介绍该隧道软弱围岩变形机理以及表现形式，分别为变质岩、松散泥岩、砂质岩泥。从施工准备、围岩加固、初期支护、二衬支护等方面入手，分析软弱围岩变形控制施工技术的应用。实践工程案例表明，加强软弱围岩变形控制，改进施工技术，可提高变形控制效果。

关键词：软弱围岩；变形控制；公路隧道；初期支护；超前管棚

中图分类号：U455                                 文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）10-0014-03

0 引言

随着高速公路网络向地质条件复杂的地区转移相关的隧道工程，在实际施工中可能會产生变形问题，影响工程质量，还会威胁工作人员的生命安全。在隧道工程的建设中，要根据工程的具体情况，对施工工艺和管理方法进行科学的选择，还要对施工人员的整体素质进行全面的提升，以防止在公路上出现软弱围岩的变形问题，优化整体施工效果，为社会经济发展奠定坚实的基础[1]。

1 工程案例

某公路工程项目隧道为软弱围岩，主要包括变质岩、松散泥岩、砂质岩泥等。该公路项目所在地区雨季持续降雨，容易导致浅埋段受到地表水的严重影响。不仅如此，隧道内围岩渗水流量处于不稳定状态，无法开展相应的防水操作。观察发现，该软弱围岩遇水后，容易发生液化变形，且隧道区域内地质构造比较复杂。该工程项目隧道情况见表1。

2 软弱围岩变形机理及表现形式

2.1 变质岩

该公路工程隧道千枚岩表现为灰黑色，岩体较为松软，而且力学性能比较差。隧道开挖容易使岩体出现较大程度上的扰动，尤其是临空面扰动幅度更大，此种状况下可能导致围岩发生变形，并且变形是在初支施工后。根据该工程情况，经过研判，认为岩体变形过程为：蠕变→突变→垮塌。

2.2 松散泥岩

总结隧道工程施工经验发现，对于松散软弱围岩来说，其结构力学比较差，并且与变质岩相同，隧道开挖掘进，也会对其造成严重影响。基本表现为隧道围岩结构可能会发生移动现象，造成隧道洞壁形成临空面[2]。而隧道支护作业之前软岩临空面可能产生扰动、变形，造成隧道坍塌变形等。

2.3 砂质岩泥

地质勘察结果显示，该公路工程项目隧道富水段分布中风化-强风化砂质泥岩。在隧道洞身开挖后，观察渗水方向集中流向水压力比较小的临空面，并且形成水通道。在这种情况下，砂质泥岩逐渐发生软化、液化反应，导致围岩力学性能显著降低，造成隧道临空面发生收敛性变形。如果不对变形进行有效控制，很有可能导致隧道直接坍塌。

3 软弱围岩变形控制技术的应用

3.1 施工准备

隧道项目作业阶段，需要对软弱围岩结构变形进行严格控制，应提前结合项目实际做好各项准备工作，采取一系列有效措施加固围岩，并及时组织相关人员开展超前支护。对该隧道周围围岩特点进行详细分析，根据实际情况正确开挖方式，最大程度降低隧道开挖掘进时对围岩的扰动，减少软弱围岩损伤[3-5]。

在隧道施工前，充分利用TSP、超前地质预报，结合开挖面情况，对软弱围岩相邻段落地质特点进行分析，并结合分析结果，指定软弱围岩加固方式，明确支护具体施工方法。为进一步保证施工安全性和稳定性，在开展软弱围岩处理时，开展全过程动态管理，加强施工管理，并且密切监控软弱围岩变形情况，以此来确定支护形式。根据施工现场情况，对软弱围岩特性进行总结，将总结结果与围岩变形监测记录一并反馈给设计单位，及时对施工设计参数以及施工方案进行科学调整。

3.2 围岩加固

针对软弱围岩变形控制，其要点在于切实提升软弱围岩自支护能力，并采取必要保护和加固措施，对软弱围岩的软化、液化、变形等进行控制。该工程项目在开展施工过程中，结合隧道围岩特性，对开挖工艺进行选择。

根据现实情况，重点选用三台阶预留核心土工法。隧道开挖进尺为一榀钢架间隔距离，台阶长度控制在洞跨的1.0～1.5倍，若是台阶长度设计比较短，则可能无法保证其力学性能符合规定基本要求，从而造成上台阶围岩与掌子面出现变形等问题[6-8]。预留的核心土面积不能低于开挖面积1/2。通过“人工+机械设备”的方式完成隧道开挖作业，以降低爆破开挖施工对围堰结构造成的扰动。

待开挖至地质条件相对较差的位置，需要结合实际情况采取科学、可行的加固处理措施，通常选择大管棚或是小导管技术完成公布超前支护处理。在进行软弱围岩加固时，采用多种加固方式，进一步控制软弱围岩塑性变形，包括全断面深孔注浆、超前管棚注浆、超前小导管注浆等。超前管棚注浆加固施工如图1所示。

3.3 初期支护

施工发现，该工程围岩、初支局部收敛变形比超过规定范围，结合局部软弱围岩状况，如果加强初期支护的整体强度，可能对施工进度造成影响，并且增加施工成本投入。为此，根据该工程实际情况，选择局部补强措施，严格控制局部变形问题的出现。在力学性能表现比较差的围岩位置预留适宜的变形量，尽可能避免围岩结构初期支护出现变形侵线问题。软弱围岩结构经过加固处理之后，也可能会发生沉降等现象，导致整体结构依然有变形的可能。发生以上问题的根本原因为初期支护刚度比较低，整体受力不均匀。针对上述情况，该工程采用以下3项措施进行辅助处理。

3.3.1 强化支护刚度

为避免隧道软弱围岩发生变形，保证初期支护刚度是关键措施，不仅能够控制变形，还能加强结构稳定性[9]。此项目采用降低钢架间距、提升初期支护厚度以及选用大支护钢架型号等措施，以显著提升初期支护整体刚度。

3.3.2 优化锁脚锚固

合理提升锁脚小导管长度，使初支锚固系统可以穿越软弱围岩，与稳定围岩進行锚固。此项目中增加了锁脚小导管长度，也增加了小导管使用数量，把原有的小导管更换成钢花管，其直径φ为80 mm，并针对薄弱环节和注浆作业采取一系列的质量控制措施。

3.3.3 扩大拱脚

增加拱架支撑点和面积，分散拱压力，保证初期支护整体受力均匀，尽量避免支护沉降。扩大拱脚时应保证拱脚本身的强度，如果扩大拱脚造成支护结构受力破坏，则无法发挥其作用。

3.4 二衬支护

一般情况下，软弱围岩经加固、初期支护后，在二衬时无需再进行补强。该工程施工时，考虑到软弱围岩二衬施工需要紧跟上一个施工环节，时间上存在不足，在无法判断软弱围岩和初期支护总体效果的情况下，决定采取加强二衬支护对强度的措施，从而进一步强化整体结构的安全性。

3.5 解决软弱围岩变形的常见措施

3.5.1 发挥信息化施工的作用

超前地质预报+监控量测是目前公路工程隧道项目建设中比较常见的信息化施工措施。通过对超前地质预报的合理利用，有利于提前对围岩的具体变化情况进行反馈和处理，以此来保证围岩变更处理效果的强化。如果隧道正经历断层的破碎带，在断层的破碎带之前，及时采取针对性的措施进行围岩预加固处理，以避免围岩出现变形问题。以监控量测的方式，可以对施工过程中的实际情况进行客观合理的评价和分析，主要是针对洞内外进行观察，以实时的监测数据为基础，对围岩的具体变形情况进行反馈。

3.5.2 适当增加预留变形量

在设计阶段，必须要对地质情况进行客观合理的分析和判断，尤其是在施工环节，要对围岩的设计以及具体开挖情况进行对比分析，加强对监控量测的重视程度，对拱顶的下沉以及围岩内部位移等情况进行处理。结合实际情况，对其进行适当的调整和优化，保证初期的支护预留变形量得到提升，避免由于侵限的影响而导致初期支护拆除。

3.5.3 支护参数的合理设置

针对具有软弱性特征的变形围岩地段来说，在针对隧道支护处理时，要以抗为主，禁止使用先放后抗的方式。处理变形问题时，必须要保证型钢支护结构的刚度强度达到标准要求，尤其是在短时间范围内可以逐渐形成相对比较高的承载力，对于比较大的围岩应力也可以起到有效的预防效果。对围岩进行小导管或者是中空注浆处理时，对各种不同类型的措施进行合理选择和利用，可以起到良好的加固处理效果。

对于浅埋的隧道来说，需要对地表注浆加固措施进行合理利用，促使破碎的围岩固结成块，还可以改善围岩自身的物理力学性质，提升围岩自身的强度，强化其承载力以及稳定性，更为重要的是可以将新奥法在其中的应用作用充分发挥出来。

新奥法主要是指对围岩自身承载力的不断强化，即针对隧道的掌子面开挖处理之后，围岩可以实现应力释放的根本目的，在其出现一系列变形状态之后，可以维持在平衡状态，尤其是柔性支护可以为结构的稳定性提供保证。如果隧道处于浅埋或者是软弱围岩状态下，其自身的围岩承载力过低，很难形成良好的自承载力。所以在初期支护过程中，应当尽量选择高强度、刚度也比较大的型钢支护结构，这样才能够保证支护效果。

3.5.4 及时变更施工工法

对于多数特长的隧道施工来说，洞口位置处的围岩相对比较差，对其进行处理时，经常会选择利用开挖的CD法或者是CRD法进行进洞处理。进洞之后如果经历了相对比较长的一段地段，就表明该地段的围岩相对比较良好。所以在具体施工过程中，应使用全断面或是台阶作业方法，结合项目实际情况，科学设计施工环节。隧道断层破碎带位置施工时，需要立足于实际，合理更换施工技术方法。尤其要注意隧道围岩变形问题，采用建立临时仰拱方法或预留核心土方法，实现开挖作业段隧道围岩结构的增强处理。

针对隧道两侧比较大以及水平应力过高等情况，可以根据实际要求，对直型的临时仰拱进行合理设置。针对下沉或者是软土地基隧道来说，可以对弧型的临时仰拱进行合理设置。结合目前提出的要求，对型钢制作而成的仰拱进行合理设置和利用，避免其在使用时出现弯曲变形等问题，为其使用的稳定性、可靠性提供保证。

4 结束语

公路隧道施工软弱围岩区域施工难度大，在施工前要对施工现场地质条件进行详细调查，结合调查结果对围岩特征、变形发展进行分析，并对围岩进行超前加固。在此基础上，制定更加稳妥的施工方案，完善施工现场管理，加强施工工艺流程的监督，避免擅自更改施工设计方案。

参考文献

[1] 金理强，代绍海，张新尚，等.基于灰色-马尔可夫链的软弱围岩隧道施工期围岩变形预测研究[J].公路交通科技：应用技术版，2019，150（10）：247-251.

[2] 胡鹏，宋浪，张红义.白马隧道软岩大变形机理及长锚杆变形控制效果评价[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：248-255.

[3] 崔光耀，祁家所，王明胜.中义隧道片理化玄武岩段大变形控制技术研究[J].中国安全生产科学技术，2020，16（10）：117-122.

[4] 廖烟开，郭德平，刘志强，等.隧道周边应变与挤压因子法在隧道围岩大变形预测中的应用[J].现代隧道技术，2020，57 （4）：24-30.

[5] 许兆勇.软弱围岩浅埋隧道开挖支护施工关键技术[J].工程建设与设计，2021（4）：156-158.

[6] 黄文，殷会博，刘洪雨，等.洞内管棚在软弱围岩浅埋隧道中的应用[J].交通世界，2020（35）：105-106.

[7] 郭勇.软弱围岩非爆破开挖小净距隧道施工步距合理性分析[J].交通世界，2020（33）：96-97.

[8] 李银兵.软弱围岩公路隧道开挖支护施工过程研究[J].中国高新科技，2018（10）：80-82.

[9] 万继志.浅埋软弱围岩大跨度隧道双层初期支护施工技术[J].筑路机械与施工机械化，2015（10）：70-73.