软弱围岩浅埋偏压四车道公路隧道安全施工技术

摘 要：在软弱围岩区域施工，会面临围岩软弱、埋深较浅、地质存在偏压力等问题，对施工技术要求较高。文章结合四车道公路隧道施工案例，确定隧道施工方案，阐述隧道施工方法，旨在保障隧道施工安全、提高隧道施工质效。研究建立隧道监控量测体系，监测施工期间地质结构变化，做好隧道施工支护技术，确保隧道施工安全性，减少潜在安全隐患。

关键词：软弱围岩 浅埋偏压 公路隧道 安全施工

四车道公路跨度较大，隧道施工难度增加。开挖期间遇到软弱围岩，容易出现坍塌、沉降等问题，若不做好支护和监测工作，容易引发工程质量问题，甚至会造成严重的安全事故。因此，结合公路隧道施工地质情况，需要在设计方案中明确施工难点、重点，采用适宜的支护结构，为隧道施工创造良好开挖条件，保障施工过程安全性，使隧道工程质量符合要求。

1 工程概况

某四车道公路全长5.18km，设计车辆行驶速度为80km/h，单车道宽度为3.2m，隧道开挖应以满足驾驶人员视距110m以上基本要求，隧道弯曲处最小半径为1000m，长度满足40m以上基本要求，纵坡满足3.5%以上要求，坡长要求控制在400m左右。隧道开挖量在147m以上，工程量为5012m，属于特长隧道项目，数量为2座，标号分别为A隧道和B隧道。其中B隧道中存在漏斗区，项目施工难度较大。设计方案中明确具体施工工期，要求在35个月内完成项目的建设，且严格控制生产安全，避免安全事故发生。隧道所处区域为两山夹结构，施工区域地形起伏变化比较大，存在岩溶发育结构，山脉陡峭。山体内存在大量的孔隙水，围岩埋深为4.2m，地质内存在偏压力，导致整个隧道施工区域存在沉降、塌陷安全隐患。具体隧道工程实际情况如表1所示。

2 隧道施工方案设计

A标段隧道总体长度达到2854m，左洞和右洞开挖量均比较大。标段内穿越山体存在富水围岩，地质结构软弱，存在瓦斯等气体。隧道位于山体中间区域，与顶部、底部的距离分别为62m和48m，开挖进洞难度比较大。隧道内存在水流冲刷情况，稳定性比较差，开挖口区域存在偏压情况，洞口区域容易产生滑坡、落石等情况，安全风险比较高。为确保A标段隧道开挖施工安全性，设计应用超前水平钻、红外线探水施工方案，利用地质雷达获取地段内的地质结构情况，采用钻孔引排的方案改变水流动，使用注浆方案加固围岩，隧道顶部区域加强支护。

B标段的隧道施工长度在2018m左右，围岩等级为 Ⅳ级、Ⅴ级，岩体结构为页岩，岩体的稳定性比较差，部分区域存在渗漏情况，局部存在碎岩掉块现象。B标段隧道穿越富水区域，进口地表位置为斗状，存在盆地，具有汇水功能。顶部区域存在暗河与偏压力。设计B标段隧道开挖使用超前支护、预注浆方案加固地质结构，进口段减少开挖进尺量和爆破炸药的用量，避免对地质结构稳定性产生影响。

分析两个标段隧道内的实际情况，存在软弱围岩和偏压现象，存在稳定性较差、抗压强度低、易塌方的现象，在受到应力时出现形变现象，使得围岩出现位移的情况。因此，在隧道施工方案的设计期间，应做好施工方案的设计和围岩隧道开挖过程中的风险评估。在隧道施工方案中，根据围岩情况选择合适的加固支护方式，使用锚杆、喷锚、钢架等，增强围岩的稳定性，同时设计分段开挖方案，控制施工面积的同时，减少围岩失稳的可能性。施工期间，设置合理的围岩监测点，实时监测围岩变化情况，识别潜在的安全风险，控制施工工艺参数。

3 隧道安全施工技术应用

3.1 有限元模型构建

公路隧道开挖地质结构复杂，使用有限元模型模拟地质结构情况，将勘察所得地质结构属性输入到FLA3D有限差分软件中。首先根据实际隧道的几何形状和尺寸，在有限元软件中建立隧道的三维几何模型，隧道的轮廓、截面形状、支护结构等。随后，为隧道及周围岩体、支护结构等材料赋予合适的材料参数，如弹性模量、泊松比、抗压强度等，以描述它们的力学特性。完成后，设置模型的边界约束条件和荷载条件，以模拟实际施工过程中的外部作用力和约束情况。对模型进行网格划分，将其分解成小单元，确保在每个单元内可以准确地描述应力和变形的分布。

模型单元使用混合离散方案，将原本的结构转化为六面体单元，对应常应变的四面体，进行地质结构的应力变化计算。模型中闭合曲面的流量与该曲面所包围的空间区域之间的关系使用高斯公式表示，具体计算公式如下：

（1）

公式（1）中的表示结构体积，表示面积，表示法向分量，表示线性分布规律的速率分量，表示常量，表示高斯模型，表示第i个单元j节点的空间区域，d表示直径。利用有限元模型，模拟隧道的实际情况，识别岩体结构中的地质变化情况，将Mohr-Coulomb塑性理论运用到地质结构参数的计算和选择之中，输入初始地应力数值，模拟开挖和支护情况。隧道开挖前地应力处于平衡状态，开挖后地应力平衡偏移，偏向力对地质结构产生影响，并沿着自由度方向达到新的平衡。模拟开挖和支护过程，采用超前注浆、超前锚杆支护方案，建立支护体系结构，并在初期支护完成后进行二次衬砌施工。在模型中预设不同材料属性的特征，建立开挖及支护的力学模型，调整具体的工艺参数，以确保地质结构稳定性为前提，做好隧道开挖施工风险的预控工作。

3.2 便道修建

按照公路隧道建设相关标准要求，结合隧道项目所处区域内的地质实际分布情况，以保障施工安全、施工效率为依据，科学做好便道的修建作业。便道内路面使用水泥稳定碎石+混凝土沥青，厚度为25cm，其中沥青铺设厚度为5cm，设计便道的行驶速度为30km/h，纵坡参数控制在12%以内，连续纵坡的长度控制在300m左右，便于开挖建设过程中的清运、设备输送等工作。支路便道的设计长度达到400m以上，原本存在便道和错车道150m，新建栈道的长度达到250m以上，B标段内的便道长度达到1200m，内容包括地方道路和新建道路。其中，错车道宽度为6m，长度达到25m以上。

3.3 隧道开挖支护

隧道开挖和支护是隧道工程项目建设的核心，亦属于容易产生安全隐患的关键区域。在隧道开挖施工期间，由于A隧道洞口区域的复杂性和特殊性，需要避开雨季开挖作业，从左洞开始进洞施工作业。按照隧道开挖施工流程，在明暗交界处开始施工作业，使用坡面防护方案，设置排水沟，利用超前管棚注浆加固方法。在开挖前，在隧道区域内搭设管棚结构，使用钢管搭设稳定的支撑框架，在管棚内开始开挖作业。管棚搭设钻孔深度在3m左右，孔距为1.5m，孔口角度控制为3°左右，采用单排钻孔方案。钻孔完成后铺设预埋管，控制围岩顶板区域。在地层内钻孔的同时，将特定的水泥浆液材料注入孔位之中，在岩体内逐步扩散，形成稳定的支撑体系，起到加固岩层和土体的作用，加固单孔注浆量控制在35kg左右。具体管棚支护如下图1所示。

完成支护后进行开挖，A标段隧道区域开挖期间，在进洞80m后，增设车横通道，随后进行右洞的穿越。期间使用便捷通道，运输渣土，在右洞内分层填筑，设置偏压墙、抗滑桩。偏压墙沿着边坡区域设置，抵抗岩体的侧压力，避免边坡区域出现土体滑动的情况。偏压墙使用钢筋混凝土结构。抗滑桩设置在边坡的下部，通过竖直桩体的抗拔和摩擦阻力来防止土体滑动。抗滑桩采用钢筋混凝土，承载能力和抗滑稳定性良好。管棚搭设使用预制钢材料，中间设置连接筋，安装期间严格控制误差在0.5cm以内，沿着中线调整，使用混凝土垫块缩小间隙。调整完成后，按照下、上、左、右的顺序，进行混凝土湿喷操作，旋转湿喷半径为15m，蛇形长度控制在3.5m左右。完成支护后，组织进行通道面的掘进贯通处理，掘进使用台阶法进行作业，逐层分阶段开挖，减小开挖面积，降低地下水渗流和地表沉降的风险。开挖作业期间内，台阶长度控制在10m左右，上半断面超前参数为18m，从左侧进洞，向右侧掘进。

B标段地下水较多，开挖前布设截水沟，使用潜水泵排水，采用预留核心土法进行环境开挖，开挖期间同步做好边坡防护作业。在初期支护完成，仰拱进行回填操作后，执行二次衬砌施工方案，进行模板搭设和钢筋安装，然后浇筑混凝土，最后进行养护处理。开挖期间，根据洞口的特点，采用长管棚施工方案，开挖核心土体进洞，配合衬砌、回填方案，进行反压明洞开挖后方，其间控制仰坡的高度在18m左右。

3.4 隧道开挖质量监测

公路隧道开挖作业期间，布设监测点，监测围岩的应力变化情况，判断是否产生沉降等现象。监测内容包括围岩的位移情况、压力变化情况、衬砌内力变化，共计设置断面的数量为4个，监测点之间的间距控制在8m左右。监测点位内布设安装传感器设备（位移计、压力计）等，进行隧道开挖时的相关参数获取，具体测点的测量公式如下：

（2）

公式（2）中的表示压力，表示设备的标定系数，表示频率，i表示荷载，0表示初始状态。结合公式和传感器设备反馈的测量结果，确定隧道内的偏应力变化情况及位移情况，并依据《隧道监控量测技术规程》文件中的要求，确定变化结果是否处于标准范围内。具体量测结果如表2所示。

根据量测结果可知，围岩压力稳定在0.4MPa至0.7MPa之间，整体稳定性良好。在衬砌逐步硬化后，内力稳定在-18.5MPa内，衬砌支护的效果良好，能够保障施工过程中的安全。

3.5 安全预警机制构建

隧道施工期间建立预警机制，根据监测结果变化采用不同的应急措施。安全预警共计分为三个等级，变形速率处于5mm以内，且初期支护完好，位于三级预警阶段，可正常施工。二级预警则监测变形速率在10mm左右，持续情况超过2天，进一步加强监测，出具书面报告，可继续施工。一级预警下，监测位移形变连续3d超过10mm，初期支护开裂，则暂停施工，加强支护。

4 结论

综上所述，保障软弱围岩浅埋偏压公路隧道安全施工的要点是支护技术的应用，科学的支护方案设计对于保障隧道施工安全有着积极作用，可减少施工期间的地质沉降、地表坍塌等问题产生。为确保施工过程中消除安全隐患，应该做好整个开挖过程中的地质变化监测和施工质量监测。本文研究通过构建有限元模型的方式，模拟隧道的实际情况，根据数值模拟结果，优化开挖方案，有效保障了施工过程的安全性和施工质量。

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