浅谈软岩大变形隧道施工技术

何艳维

（中铁五局集团第一工程有限公司 湖南长沙 410117）

浅谈软岩大变形隧道施工技术

何艳维

（中铁五局集团第一工程有限公司 湖南长沙 410117）

隧道作为地下建筑物，其施工受地质条件影响很大，因此针对不同的地质条件采取合适的施工方法在隧道施工中显得尤为重要。本文通过施工实例，介绍软弱围岩大变形隧道的开挖、监控量测等施工技术。

软岩；大变形；隧道；三台阶法；监控量测

隧道施工中，针对不同的地质条件采用合适的施工方法是施工顺利进行的关键。软弱围岩大变形隧道由于其特殊的地质条件，施工难度较大，施工风险高。笔者根据自身参与施工的十天高速公路安康段明垭子隧道的施工实践，就其施工方法及监控量测技术作简要介绍。

1 工程概况

十（堰）～天（水）高速公路安康段明垭子隧道位于陕西省安康市石泉县境内，为左右线分离双车道隧道，左线长4944m，右线长4980m，洞室间距约40m，最大埋深320m，隧道净宽10.25m、净高5m。隧址区位于秦巴低山区，断裂构造和褶皱构造都极为发育，致使不同地层岩石受强烈变形改造，工程地质条件十分复杂，围岩主要为泥化炭质板岩及变砂岩夹灰岩。

2 施工方法

明垭子隧道前期采用两台阶法施工，隧道掘进100m后，进入软岩段，变形开始急剧发展，出现喷射混凝土开裂剥落，钢架扭曲变形、断裂等现象，单日最大水平收敛达131.93mm。初期支护受变形影响，全环侵入隧道净空，最大侵限厚度达175cm。变形发生后，为抑制变形，我单位及时调整施工方法，采用三台阶法施工。最终达到了控制变形的目的，顺利完成了隧道施工。

2.1 原施工方法

隧道前期采用两台阶法施工，台阶长度约40m，上断面采用简易台架钻爆开挖，下断面两侧错开开挖，仰拱及填充距掌子面约60m，二衬距掌子面约100m。由于台阶长，支护封闭时间长，不利于控制变形。

2.2 调整后施工方法

为抑制变形、缩短支护落底时间、使支护尽早封闭成环，我单位对施工方法进行了调整，采用三台阶法施工，施工纵向示意如图1。

图1 明垭子隧道三台阶施工纵向示意图

采用三台阶施工时，三台阶同步开挖，上台阶预留核心土，中、下台阶两侧错开2m开挖，仰拱及填充采用仰拱栈桥分段施工，距掌子面约40m，二衬距掌子面约70m。

2.2.1 开挖支护方法

采用钻爆法开挖，YT28型风动凿岩机钻眼，光面爆破，挖掘机扒碴，装载机装碴，自卸汽车运碴。机械设备配置见表1。

表1 明垭子隧道三台阶开挖机械设备配置表

2.2.2 循环时间及进尺

根据围岩情况和支护参数，确定循环进尺和各工序作业时间如下：

（1）Ⅴ～Ⅵ级围岩

围岩软弱破碎，稳定性差，型钢间距50cm，仰拱初支封闭成环，循环进尺1m，各工序作业时间安排见表2。

表2 Ⅴ～Ⅵ级围岩工序循环时间安排表

表2中除加粗工序外，其余工序均与加粗工序平行作业，不占用循环时间，每循环总时间14.5h。

（2）Ⅳ～Ⅴ级围岩

围岩较破碎，稳定性较差，型钢间距75～100cm，仰拱不施作初期支护，循环进尺1.5～2m，各工序作业时间安排见表3。

表中除加粗工序外，其余工序均与加粗工序平行作业，不占用循环时间，每循环总时间11.5h。

2.2.3 支护作业

明垭子隧道主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，采用超前小导管，工字钢支撑、挂网锚喷初期支护。

表3 Ⅳ～Ⅴ级围岩工序循环时间安排表

（1）超前支护

超前支护小导管采用凿岩机钻眼送管，注浆机压注水泥浆。

原设计小导管单根长度4.5m，搭接长度＞1m，外插角20°。由于隧道围岩软弱、破碎，小导管因外插角的关系，在下一环小导管施工时，前一环小导管与开挖轮廓线的距离达1.1m以上。此时小导管的预支护作用大大降低，甚至出现小导管与开挖轮廓线间的围岩全部坍落掉块。为更好地发挥小导管的预支护作用，通过优化设计将小导管单根长度调整为3～3.5m，每循环均施工。实践证明，调整后的小导管预支护作用明显提高，有效避免了围岩坍落掉块。

（2）初期支护

开挖后立即进行钢支撑、锚杆、钢筋网、喷射混凝土等初期支护施工。

3 监控量测方法

在隧道前期施工过程中，一直采用的收敛仪、水准仪等进行周边位移和拱顶下沉量测。但总结分析围岩变形后发现，由于上述方法工作难度大，与施工相互干扰，且量测数据为两点间的相对变形，难以反映某点的变形情况，不能为分析隧道的不均匀变形提供依据。针对明垭子隧道大变形的特点，为快速准确获得围岩变形数据，用以指导施工和调整支护参数，后期施工中，采取了全站仪无尺监测的量测方法。

3.1 全站仪无尺监测原理

全站仪无尺监控量测技术，其基本原理是利用全站仪测量各观测点位不同时段的三维坐标，再经过对比计算，得出各点的位移量或测点相对收敛值，准确、快速地为施工提供参考数据，如图2所示。

3.2 监测方法

全站仪无尺监测可根据现场实际情况采用自由设站和固定设站两种观测方法。

3.2.1 自由设站观测

自由设站观测是置镜任意点，通过全站仪机载的自由测站程序，后视2～5个（后视点点数上限随仪器不同规定有所差异）已知后视点，仪器程序会根据后视点观测值自动推求出置镜点的三维坐标及定向值，并将其设置至仪器中，然后再前视安设在隧道周边监控点上的反射片，测得各测点的三维坐标。再经过坐标转换或相对于隧道中线的坐标反算，可得出各测点的位移情况。这种方法的优点是可任意放置仪器，不影响隧道施工，仪器操作比较方便，但测站点的定位精度不易保证，从而影响最终观测点的精度，且多个后视基准点在隧道这种狭长的空间比较难以确定。

图2 全站仪无尺监测示意图

3.2.2 固定设站观测

固定设站观测方法是置镜已知固定点，后视另一已知点，人工输入置镜点的三维坐标、仪器高、棱镜高、后视方位角等参数至仪器中，然后再前视安设在隧道周边监控量测点上的反射片，从而测得各测点的三维坐标。观测数据处理计算与自由设站方法相同。这种方法的优点是后视基准点只需一点，定向比较方便准确。但每次测量要求进行对中并测量仪器高，其精度直接影响观测精度。明垭子隧道施工中采用的该种观测方法。

3.2.3 测量数据处理

每次测量后，及时整理量测数据，通过相互两点的坐标，反算出两点间的距离，两次测量距离的差值即为两点间的相对位移。同时可通过坐标转换，得出各点在隧道纵、横向及铅垂方向的三维位移，从而进一步了解隧道周边的不均匀位移情况。

计算出各位移值后，绘制位移—时间关系曲线，并进行数据处理和回归分析。

以位移-时间曲线为基础，根据位移值、位移速率等分析、评定围岩和支护的稳定性。判别初期支护的工作状态，支护特点并对初期支护进行安全评估。

通过综合分析、评价及时修正设计、调整支护参数，对施工及时提供建议和措施。

所有的数据处理可编成计算机程序，或使用与全站仪配套的相关处理软件进行处理，以提高处理效率和计算准确性。

3.3 仪器设备配置

全站仪无尺监控量测仪器设备主要有：全站仪1台、棱镜及支架1套、反射片若干。

全站仪可根据围岩变形大小和测量精度要求选用，围岩变形较大，精度要求不是很高时，可选用测角精度2″，测距精度为2mm+2ppm级别的全站仪，当围岩变形较小，精度要求高时，可选用测角精度1″，测距精度为1mm+1ppm级别的全站仪。

棱镜和支架采用随机配送的棱镜或其它能满足全站仪精度要求的棱镜即可。

反射片是一种具有回复反射性能的反射膜片，反射膜片由丙烯酸脂制成，大小可根据测距长度和观测条件等因素选择。现场使用时，在各测点处将钢筋锚入围岩内固定牢固，在钢筋外露部分焊接6cm×6cm的铁片，然后在铁片上贴反射片。

4 结束语

软岩大变形隧道施工进度及安全风险高，选用合适的施工方法可有效降低风险，确保施工顺利进行。明垭子隧道施工中，采用三台阶法施工，有效缩短了支护封闭成环的时间，起到了“早封闭”的作用，很好地控制了围岩的变形发展。同时通过无尺监测技术快速准确地获取围岩变形数据，并据此指导施工，及时调整支护参数，达到了采取与围岩情况相匹配的支护结构控制变形的目的，确保了施工安全。施工过程中Ⅴ、Ⅵ级围岩平均月进尺＞75m，Ⅴ级围岩最高月进尺达125m，以上技术的应用取得了良好的施工效果。

[1]何磊，杨斌，王更峰，陈仕猛.高地应力软岩隧道施工动态控制与优化研究.现代隧道技术，2011，2.

[2]黄伟钊.大断面软弱围岩隧道三台阶法施工.筑路机械与施工机械化，2008，5.

[3]高军，赵运臣.隧道变形监测新技术的应用研究.西部探矿工程，2001，3.

U455.49

A

1673-0038（2015）52-0280-03

收稿日期：2015-11-17

何艳维（1980-），男，工程师，本科，主要从事公路工程施工工作。