浅埋软弱围岩隧道施工技术要点

曹传辉

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 300222）

0 引 言

随着隧道建设的规模日益增大，地域跨度变广，各地的水文地质情况差异大，一些浅埋、围岩极软弱、掌子面容易失稳的隧道施工不良现象增多［1－6］。在浅埋软弱围岩隧道修建过程中，选择合适的施工方法确保工程安全建设和提高经济效益是现阶段的一个重要研究方向，国内外学者已对其开展了研究，并取得了一些成果［7－9］。本文以鄂北砂岩和粉砂质泥岩浅埋隧道为研究对象，选择合适的技术方案，并对施工要点进行重点分析，提出穿越断层区时采用竖井改斜井的方案，结合数值模拟与监测数据，验证方案的适用性，从而保证其良好的施工效果。

1 工程概况及施工难点

湖北省鄂北15标段（桩号K158＋120～K174＋670）隧道全长16.55km，穿越地层的岩性以砾粉砂岩等为主，其中含砾粉砂岩和粉砂质泥岩岩石强度低，遇水易软化。隧道上覆岩层厚度为20～65 m，隧道埋深浅，围岩的完整性和稳定性差，在桩号K170＋580处穿越F4断层。围岩类别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，其中Ⅴ类围岩段长度为10.65km，占隧道总长度的64.4%，Ⅳ、Ⅴ类围岩总计约占总长度的70%，属于浅埋软弱围岩。

2 软弱围岩隧道的施工方案

2.1 施工方案选择依据

浅埋软弱围岩隧道基本以新奥法为指导原理，采取超前支护、钢架、径向锚杆、网喷混凝土等快速有效的支护［10－13］。施工方案制定原则可简单概括为“管超前、预注浆、多循环、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”。根据现场工程地质条件拟定施工方案，后期对穿越过程进行及时准确的监控量测，依据监测数据进行方案调整。

2.2 施工方案确定

隧道底部纵坡为1∶11 000，沿程输水流量为20.2m3·s－1。为满足工期和质量要求，横断面采用马蹄形，过水断面净宽5.8m。以Ⅴ级围岩为例，隧道Ⅴ级围岩长10.65m，开挖尺寸为7.4m×7.4 m，净空尺寸为5.8m×5.8m，初期支护采用复合式支护：喷射混凝土（厚度20cm），设置系统锚杆（Φ22＠1.0m，锚杆长4m），挂钢筋网（Φ8＠15×15 cm），架设钢拱架（I16型，间距50cm）。二次衬砌为全断面设置，底板厚80cm，边顶拱厚60cm。进行隧道内施工设备选型时，应以保证结构稳定和设备可进出为原则，综合考虑施工工期、施工强度、工序安排、地形特征、运输方向、运送长度、开挖工程量等因素，确保施工均衡有序。

2.3 施工技术要点

2.3.1 超前地质预报

在隧道工程施工中，对于复杂地质情况的预测不可避免地会存在误差。通过地质超前预报的方法可以对隧道掌子面前方地质情况进行及时准确的预报，从而预防隧道塌方、突水等潜在的灾害性事故发生。工程采用表面雷达法和TSP法探测工作面前方、侧壁20～30m深度以及掌子面前方的地质情况，判别不良地质体的位置及规模，推测地下水的大致富水程度、围岩完整程度等。通过雷达测试观测到掌子面前方K160＋424～K160＋404段围岩节理发育发现，岩体整体性欠佳，裂隙水较少。此处围岩设计为Ⅳ级围岩，围岩实际情况与设计基本吻合。

2.3.2 开挖方法

Ⅳ、Ⅴ级围岩段总长度为11.39km，占隧道总长的68.8%，施工中极易发生坍塌事故，不宜采用TBM工法施工。工程采用短台阶法开挖，先开挖上断面，并对顶拱进行适当支护后再进行下断面落底，开挖采用光面爆破技术。爆破作业施工顺序依次为：画断面轮廓线、钻眼爆破、清理危岩、出渣、补炮、出渣、初期支护、下一轮循环。

隧道穿越F4断层时存在断层带突水的可能，为保证工程工期，降低施工风险，采用以斜井支洞作为施工通道的方案，沿线布置6个斜井支洞，斜井采用城门洞型，净空尺寸为宽6m、高6.5m。以1号斜井为例，其总长为446.92m，明线段长139.08 m，隧道段长307.84m，起点高程为156.00m，终点高程为116.85m，综合坡比8.76%，隧道明线段路宽7m。斜井洞口段土石方采用机械明挖，无法明挖的可用风镐、潜孔爆破等方法开挖。

2.3.3 初期支护结构

工程初期支护控制措施分为洞身段超前支护、洞身段系统支护等。洞身段系统支护时，隧道内部先进行断面检查，岩面清理后初喷混凝土封闭；分段分片复喷射混凝土至设计厚度，按先墙后拱、自下而上的顺序进行。洞身段超前支护时，超前小导管采用自制台架，人工风枪钻孔后机械注浆［14－16］。隧道进、出口50m范围内采用管棚法支护。管棚施工时采用长2m、厚1m的C25混凝土套拱作为导向墙，然后预埋Φ133无缝钢管作为管棚导向钢管。

2.3.4 二次衬砌

围岩洞段先施工底板，底板混凝土紧跟开挖面，再施工边顶拱衬。根据各类别围岩洞段分布情况，Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段衬砌工作面分为进口施工段、1＃斜井上下游施工段、2＃斜井上下游施工段、3＃斜井上下游施工段、4＃斜井上下游施工段、5＃斜井上游施工段，各施工段长度在564～1 800m。底板使用栈桥带底拱台车，边顶拱衬砌使用全断面液压钢模台车，如图1所示。

3 软弱围岩稳定性分析

图1 边顶拱台车、底拱台车

软弱围岩隧道地质及岩体的整体强度比地应力弱时，围岩失稳。采用 MIDAS／GTS数值计算软件，选取Ⅴ级围岩段建立平面模型，分析采用台阶法施工时隧道围岩、初期支护及二次衬砌的受力、变形情况。围岩和初期衬砌采用平面四边形或实体单元模拟，初期支护和锚杆分别采用梁单元和植入式桁架单元模拟。围岩开挖的破坏准则采用Mohr-Coulomb准则，其他仅考虑弹性状态。初始地应力场只考虑自重应力，不考虑构造应力。地层沉降位移主要发生在施工部位附近，拱顶部位为主要下沉区域。整个施工过程中，各地层沉降等值线基本呈对称分布。每步施工引起的最大沉降量均发生在隧道中心线处。上台阶支护后，拱顶沉降量占总沉降量的66%，下台阶支护后沉降基本完成。喷射混凝土时，内力基本呈对称分布。二次衬砌施工时，拱腰处出现最大轴力107.2kN。开挖完成后，拱脚处出现最大弯矩3.28kN·m。施工过程中，应确保轴力突变处锁脚锚杆的施工质量，并对拱脚部位喷射适当增厚的混凝土。锚杆轴力均不大于8kN，其中两侧锚杆轴力较大，最大锚杆轴力位于拱脚部位，轴力为1.04 kN。二次衬砌在拱脚部位应力集中，最大拉应力为6.7kPa，最大压应力为87.3kPa，符合设计要求。

通过现场对拱顶沉降和净空水平收敛的测量计算，可知沉降值并没有随时间急骤增长，且整体变形逐渐趋于稳定，变化规律基本与数值模拟计算结果相同，说明施工方案作用良好，浅埋段围岩支护效果较好。

4 结 语

（1）隧道穿越粉砂岩和泥岩等围岩强度低、遇水易软化的地层时，施工存在局部失稳、掉块、坍塌等复杂工程地质问题，合理安排开挖、初期支护及永久衬砌等施工工序可有效降低施工扰动影响。

（2）隧道穿越断层时，采用改竖井为斜井的方案，MIDAS／GTS数值计算结果显示，施工过程中地层沉降位移基本呈对称分布，上台阶支护后，拱顶沉降量占总沉降量的66%，下台阶支护后沉降基本完成；内力分析表明，喷射混凝土时内力基本呈对称分布，初支支护后，拱腰处出现最大轴力与弯矩，现场监测发现沉降与变形整体趋于稳定，验证了施工方案的有效性。