软弱黄土公路隧道超欠挖控制研究

（甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 绪论

软弱黄土公路隧道具有断面大、地质复杂、地基承载力差、围岩稳定性差等特点。软弱黄土隧道根据围岩等级分为Ⅴ、Ⅵ级，其围岩稳定性差，施工安全风险较大[1]。软弱黄土公路隧道施工技术要求高，须制定合理的施工组织设计，确保工程安全、质量、进度目标的实现[2]。

软弱黄土隧道通常采用分部开挖方式，主要有台阶法、环形开挖预留核心土法、单侧臂导坑法、双侧壁导坑法等[3]。通常采用人工配合机械开挖的方式，常用的开挖机械有挖掘机、破碎锤、装载机等，先用机械开挖出隧道的轮廓线，再人工进行岩面修理。不同于钻爆开挖，此种开挖方式的质量受地质条件、人、机械等多方面的影响较大，因此隧道开挖断面的超欠挖较难控制。

隧道超欠挖控制是隧道施工中的一大难题，直接影响工程的质量和经济效益[4]。隧道超欠挖不仅造成人力、机械、财力的巨大浪费，还降低了围岩稳定性和工程质量，延误工程进度。超挖部分回填大量混凝土，影响工程的经济和社会效益。因此，严格控制隧道超欠挖是隧道工程施工质量及成本控制的重点[5-6]。

超挖不仅增加出渣量、衬砌工程量和回填工程量，增加工程造价，同时局部的过度超挖会引起应力集中，影响围岩稳定性；而欠挖因侵占了结构空间，直接影响支护结构厚度，会带来工程质量问题，产生安全隐患，处理起来费工、费时，影响工期，且处理时开挖轮廓不易控制，容易引起更大超挖。因此，必须保证开挖质量，为围岩的稳定和支护创造良好条件[7-8]。

在软弱黄土隧道开挖过程中要坚持“严禁欠挖、尽量减少超挖、安全第一、质量有保障、进度合理、成本受控”的原则。本文主要从以下几个方面探讨造成软弱黄土隧道超欠挖现象的原因。

1 设计上的不完善

1.1 地质勘测过于简略

设计图纸给出的围岩特征描述过于简略，实际施工中围岩与设计描述有出入。某些地段实际围岩状况较好，但依旧采用等级更高的支护参数和较大的预留变形量，不仅造成人力、机械、原材料的大量消耗，而且加大了围岩扰动的范围，增加了超挖的概率。而在某些地质较差的地段，却依旧采用较低等级的支护参数和较小的预留变形量，开挖过程中很容易出现局部掉块，造成严重超挖，局部超挖容易造成钢拱架应力集中，发生不均匀沉降，出现衬砌厚度不够和不均匀现象。

1.2 锚杆设计方案不合理

在软弱黄土隧道锚杆施工中，钻孔作业不可避免地引起围岩的二次扰动，引发围岩局部严重掉块，造成较大的超挖。其中，超前小导管和系统锚杆的施作会引起全断面围岩的二次扰动，出现大面积掉块。对于超前小导管的设计，在围岩自稳性较好的段落，应减少其数量；对于围岩稳定性差的地段，应尽量减少数量，采用“短进尺、强支护”策略。在软弱黄土隧道中设计系统锚杆须谨慎，在确保锚杆受拉的情形下才可考虑，对于松动范围较大的隧道，不宜设计系统锚杆。在围岩稳定性较差的地段，应通过增加锁脚锚管的数量、长度来取代系统锚杆的设计。

2 对超欠挖认识不足

隧道施工过程中，无论施工队还是项目部对施工进度的重视程度远高于施工成本控制，这与隧道工程本身的特征有关。在任何一个项目标段，隧道工程通常被作为一项控制性工程，因此在施工组织设计中对工期的安排比较紧凑。为了追求施工进度，长期形成了“宁超勿欠”的思想。开挖时，为了避免后续钢拱架安装进行人工二次清理岩面造成的时间损失，通常较设计轮廓线有较大的超挖范围。

3 施工过程中缺乏有效的管理

3.1 开挖作业管理不当

隧道开挖过程中无指挥者或者虽有指挥者但责任心差，任由挖机司机自由开挖，造成严重超挖的现象十分普遍。隧道开挖作业指挥者和挖机司机的技术水平和责任心直接决定着隧道开挖质量的好坏。在隧道开挖过程中，往往掌子面附近光线较暗，挖机司机受机械影响，存在一定的视觉盲区，需要开挖指挥者时刻用灯光来引导。因此，开挖过程中指挥者要集中注意力，引导挖机开挖，尽量减少超挖，确保开挖质量。对于挖机无法开挖的区域，进行人工修理。洞身开挖作业必须选用施工经验丰富的司机，以免新手造成较大的超挖损失。

3.2 开挖进尺不合理

隧道开挖掘进过程中，在未充分掌握围岩变化的情况下，盲目追求进度，单循环掘进榀数超设计的情形时有发生。如果遇到断层、夹层、新旧黄土交替处以及含水率突变区等，单循环进尺超设计，很容易造成大面积超挖。在黄土隧道开挖过程中，单循环进尺长度对超欠挖控制质量有一定的影响。下表是对甘肃省庄浪县南湖隧道（Ⅴ级黄土隧道）开挖榀数与喷射混凝土超量、作业时间统计。

表1 开挖进尺与喷射混凝土超率统计表

从表1可见，随着单循环掘进榀数的增加，初期支护的时间增加，且增幅变大，这主要是由于开挖进尺越大，超挖的风险越大，喷射混凝土作业时间大大增加；三榀开挖掘进喷射混凝土的超率最小。在一榀开挖作业时，由于纵向开挖距离较短，挖机很难准确地沿设计轮廓线开挖，容易造成局部的超挖与欠挖，欠挖可以在钢拱架安装前岩面二次修理时弥补，超挖只能用喷射混凝土填补。三榀开挖作业，对于软弱黄土隧道，围岩自稳性较差，且开挖持续时间较长，围岩暴露时间过长，易出现风化掉落现象，因此会造成较大超挖。

3.3 初期支护各道工序缺乏组织协调

初期支护作业包括隧道开挖，初喷混凝土，钢拱架安装，连接筋和网片焊接，锁脚锚管、系统锚杆、超前小导管打设，锚杆注浆，喷射混凝土。隧道施工常常是各道工序相互衔接，无间歇作业，各工序之间的衔接紧凑程度不仅影响工程的进度，还可能造成超挖。隧道开挖断面具有温度高、湿度高、风尘浓度大的特征，围岩暴露在空气中的时间越长，越容易受开挖断面环境的影响，加速围岩风化的速度，进而发生失稳，导致大面积的垮塌。因此，隧道开挖完成后要立即进行初喷混凝土，防止围岩进一步风化。初喷混凝土虽然能够暂时缓解围岩的恶化趋势，但是为了防止围岩发生较大的变形，必须提高初期支护各工序之间的衔接程度。鼓励相邻工序之间搭接作业，杜绝相邻工序间出现间歇现象，力争实现人工在空间和时间上的协调分配，为工程按期完工提高保准率，为安全施工提供保障。

3.4 缺乏有效的激励措施

成功的工程是项目部和施工队全体人员相互合作的结晶。为了更好地凝聚所有项目参建者，项目部应制定相应的激励措施。对于施工队，确定允许喷射混凝土超量，若超过限值，由施工队和项目部按比例承担，若低于限值，则按一定比例奖励施工队。项目部应建立全员参与的考核机制，定期表彰奖励对隧道超欠挖控制做出贡献的技术管理人员。

4 结语

公路软弱黄土隧道超欠挖直接影响工程的进度和经济效益，因此，如何控制超欠挖是一项重要课题。要控制隧道的超欠挖，首先要提高地质勘测的精确程度，优化设计方案，其次需提高对隧道超欠挖的认识，最后要通过施工现场有效的管理手段，提高超欠挖控制效果。

在施工过程中，可以使用先进的与隧道开挖轮廓形状相似的圆形切屑黄土设施，可以很大程度上避免开挖超量，也可以使用自行式液压钢拱架安装台车进行钢拱架安装，此台车可以在开挖面后方安全区域完成钢拱架的拼装，拼装可与岩面二次清理和初喷混凝土作业同时进行，大大缩短围岩暴露的时间，降低围岩失稳的概率，进而提高超欠挖控制质量。