高速公路软弱围岩隧道施工风险控制及关键技术

吴 帆

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

0 前 言

软弱围岩由于岩体结构松散，完整性较差，且强度低、水理性能差，易饱水失稳，在地表水的浸润冲刷下易发生变形破坏，诱发边坡失稳，进而造成塌方、冒顶，严重影响到隧道施工质量甚至威胁到人员的安全[1-2]。鉴于此，有必要明确具体的施工风险，并采取有效的处理措施，应用合理的施工技术提高隧道工程的建设品质。

1 工程概况

某在建高速公路线路全长24.95 km，全线桥隧比达40.17%，沿线地形复杂多变，隧道施工区域存在不良地质情况。根据钻探、物探及地质调绘，隧道区地层岩性由新至老为第四系图层的坡残积及燕山期的花岗岩组成。其中，隧道进出口段围岩属Ⅴ级软弱围岩，其组成岩土体为坡残积砂质黏性土层，碎块石及全风化花岗岩。

2 软弱围岩条件下的隧道施工风险

2.1 开挖方式

软弱围岩隧道施工难度较大，现阶段的可选方法较多，包含台阶法、中隔壁法、爆破法等。其中，光面爆破是隧道开挖中较为主流的方法，但其在实际应用与操作时具有局限性，主要体现在以下两个方面。

1)围岩受损严重。通过高能量的炸药而实现爆破，在短时间内将产生极为强烈的冲击力，导致岩石失稳并破碎，虽然可以形成特定的隧道断面，但其周边的岩石也将受到影响，围岩的自稳能力随之下降。既有研究表明：爆破对区域内岩石的损伤程度较高，其性能指标较爆破前将下降10%～30%，且随着岩体与爆体距离的减小，其对应的损伤更为明显。

2)普遍存在超挖现象。经过爆破处理后将形成临空面，受到软弱围岩自稳能力不足的影响，导致岩体发生不同程度的坍落，易出现超挖现象。此外，爆破用量不合理、爆破工艺不科学等问题屡见不鲜，在此条件下展开爆破作业均容易引发超挖问题[3]。隧道超挖将带来多重负面影响，既增加了施工成本，又影响到隧道施工质量，使初期支护背后形成空洞，若该处的围岩未得到可靠的支护，伴随使用时间的延长，该部分围岩极容易失稳甚至坍塌，对现场施工人员的安全造成严重的威胁。

2.2 初期支护

初期支护有助于维持隧道的稳定性，但在实际应用中存在局限之处：首先，施工单位未能根据工程需求配置足够先进的施工设备；其次，施工工艺依然停留在传统层面，施工期间易产生安全隐患，使施工全程处于高风险的状态。

1)系统锚杆。系统锚杆是构成初期支护体系的关键部分，可有效支撑围岩并发挥出加固的作用，适用于层状围岩等多种地质条件。

锚杆施工的细节较多，各环节均容易出现质量问题，例如垫板安装不到位、搭设角度明显偏离设计要求、锚杆尺寸不合理等。出现此类问题的原因主要源自于两方面：一是施工人员忽视锚杆的作用，认为锚垫板安装以及锚杆尺寸的控制无关紧要；二是锚杆施工设备的技术性能难以满足实际施工需求。

2)网喷混凝土。纵观我国的高速公路隧道建设状况，网喷混凝土施工中普遍使用到钢筋网片，网格间距以15～20 cm居多，具体如图1所示。实际施工结果表明，网喷混凝土施工过程中的主要问题包含两个方面：一是初期支护与围岩难以紧密贴合，结构间形成空隙；二是混凝土的施工质量欠佳，主要表现为混凝土性能不达标、喷射工艺不合理等。

图1 网喷混凝土

对于初期支护背后形成空洞的情况，除混合料性能欠佳的基础原因外，还与施工工艺具有紧密关联，网片主要设置在钢架外侧，通过焊接手段实现与钢架的稳定连接，其难以实现与初喷混凝土面的有效粘结。此时，混凝土在网片上凝结且总量逐步增加，钢架与岩面空隙在尚未完成喷射作业时便已经处于堵塞的状态，此时初期支护背后缺乏密实性，严重时将形成空洞[4]。对于混凝土施工质量方面的问题，其主要原因为：①施工选择的是小型喷射机且普遍以干喷工艺为主，人工操作过程中难以精准把控工艺参数，喷射风压、喷射角度等易偏离设计要求；②干喷过程中需掺入适量的速凝剂，但其掺入时间不合理，导致速凝剂在运输途中便发生强烈作用，与水泥等相关材料产生反应，运抵现场的混合料均匀性明显不足。

3 软弱围岩条件下的隧道施工风险控制措施

3.1 洞口施工控制

1)隧道进洞施工应严格遵循“短进尺，小循环，早锚喷，强支护，快封闭”的原则，及时施作洞门及其排水系统。通常采用短台阶或超短台阶法施工，先施工上台阶，凡能用十字镐、风镐进行人工施工的情况不允许爆破。需爆破时，可采用由隧道中心掏槽分段起爆，严格控制药量并人工风镐修边，控制超欠挖，减少对围岩的扰动。

2)隧道洞口预加固措施一般有两种：一是地表预加固，主要措施有锚网喷支护、地表注浆、地表锚杆、抗滑桩、锚索等；二是洞口正面围岩预加固，主要措施有超前长管棚注浆、超前小导管注浆、掌子面封闭等[5]。在此强调几种常用的预加固措施的施工质量控制重点：一是锚网喷支护施工质量控制，钢筋网必须与锚杆焊接，且钢筋网须用点焊焊成整体，喷混凝土时必须保证钢筋网保护层厚度满足设计要求；二是地表注浆预加固施工质量控制，按照设计孔位开孔，严格控制孔口位置偏差，注浆工程中监控注浆压力变化，注浆结束前采用最大注浆压力闭浆一段时间，一般可取10 min左右，并及时封堵注浆口。

3.2 洞身施工控制

软弱围岩隧道洞身开挖的不利因素多、难度大，必须加强质量控制，隧道洞身开挖质量控制有两个方面：一是软弱围岩隧道在开挖前必须用地质雷达、超前小导坑等方法做好超前地质预报工作，同时做好预加固、预支护等辅助施工措施；二是隧道开挖断面的尺寸要符合设计的要求，软弱围岩变形较大，需根据计算及实测施工数据预留变形量及支撑沉落量，防止出现净空不够的情况。

3.3 突水处理

洞内环境错综复杂，突水极容易造成安全事故。对此，需通过防水和排水相结合的方式加以处理。以涌水量为分析依据，采取相适应的封堵和疏排措施，配套完善的应急装备，以便在发生突水问题时及时处理。

3.4 防排水措施

初期支护作业时采取防排水措施，在支护的外侧设Φ50 mm的环向排水盲管，统一采取环向间距5 m的方式，数量为2根。下台阶拱脚初支外侧选择的是Φ100 mm双壁打孔波纹管。仰拱底部为Φ100 mm的PVC横向排水管，该部分在三通的作用下实现与纵向排水管的紧密连接，以便将水及时引导至中央排水管。

3.5 防坍塌技术措施

以隧道施工条件为立足点，严格按照“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭”的原则有序组织施工；以施工需求为导向，编制切实可行的专项方案；施工前做好技术交底，各环节施工期间加强质量管理。

3.6 监控量测措施

隧道内的各结构都要维持稳定的状态，为验证支护结构的应用效果，需做好对隧道的监控量测工作，通过此途径掌握真实可靠的信息。监控量测工作内容包含两部分：一是必测项目，指的是日常施工中需要落实到位的各项监控量测项目；二是选测项目，在此方面并未做出强制性规定，主要根据施工需求合理选择。监控断面宜布设在距洞口5、10、20 m处，各自的断面数量均为3个；设置好监控断面后，以4 m为间隔依次布设沉降点，但要注重边坡开挖界限的监测，其左右两侧均要布设1个沉降点；提高监测频率，以便及时掌握实际施工情况，且尤为关键的是隧道开挖期间的监测工作，必须依据规范落实到位。全面整理量测内业资料，以所得结果为依据展开回归分析，将其作为日常生产的指导。

3.7 供风、供水、供电和照明措施

隧道内部应具有良好的通风条件，在进口处布设空压机房，向内部提供高压风。配置Φ219 mm的钢管并将其作为高压风管使用。洞顶处可修建高压水池，以满足日常施工的用水需求，但必须做好水质检测工作。洞内给水管道选择的是Φ80 mm钢管。隧道施工机械较多，日常施工用电量较大，为确保用电安全，选择的是三相五线制供电机制。洞内照明器具选择的是高压钠灯，间距设为30 m。

4 结束语

高速公路软弱围岩隧道的施工条件和地质情况特殊，在该处组织隧道作业时容易出现安全隐患，若施工处置不当会造成隧道变形、坍塌等问题。因此，在应对软弱围岩隧道施工风险时所采取的控制措施和关键技术尤为重要。施工单位需要以现场实际情况为立足点，编制科学、合理的施工方案，采取有效的控制措施，精心组织每个环节的施工，全面控制隧道施工风险，进而建设出高品质的隧道工程项目。

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