软弱围岩浅埋隧道开挖支护施工关键技术

许兆勇

（中交第四航务工程局有限公司，广州510290）

1 工程概况

228 国道苍南龙沙至岱岭段工程，沿线共建设3 个分离式双向双洞隧道，单洞总长约4 100m。各隧道的地质条件各异，围岩等级不尽相同，分别为Ⅱ级、Ⅳ级和Ⅴ级。考虑到施工现场V 级围岩的特殊性，拟通过预留核心土的方法组织开挖作业。同时，城门隧道和岱岭隧道洞口处还应设计超前大管棚支护，设计的具体位置为隧道进出口明暗交界处。设计时需要用到的材料有φ108mm×6mm 热扎无缝钢管、丝扣长度≥15cm的厚套筒等。其中，前者的规格为节长2m、3m、6m，后者的规格为114mm×6mm，且纵向搭接长度≥3m。

2 水文地质概况

2.1 自然地理条件

隧道建设区域属丘陵地貌，沿线地形存在较明显的起伏，植被茂密。山体起伏较大，高程在64.96～81.76m，相对高差约168m。地表水较发育，集中在洞身K22+330 周边，属山润溪流，自西向东在K22+330 附近折向南从丘陵流向平原，枯水季节，流量较小；丰水季节，溪水流量较大。

2.2 地质构造及地震

现场地质构造单元较为复杂，为华南褶皱系浙东南褶皱带之温州—临海拗陷的温州—泰顺断拗之上，区域大断裂主要有2 条：温州—镇海大断裂和松阳—平阳大断裂。据地质调查隧道区断裂构造不发育。

2.3 水文地质条件及评价

从含水组地层岩性、水动力性质等角度展开分析，可将隧址区的地下水分为2 类：（1）松散岩类孔隙水，集中在丘陵山体表部以及局部坡麓地带，该部分地下水的覆盖岩性以含碎石粉质黏土、含黏性土碎石居多，厚度不均，富水性差，通过大气降水和基岩裂隙水2 种途径实现雨水的补给，基于此特点，地下水存在较明显的时段性，雨季迅速向低洼处排泄或补给。（2）基岩裂隙水，以风化带网状裂隙水为主，集中于丘陵深部。风化带网状裂隙水的富水性由岩性、地形地貌、风化程度与风化带厚度及植被发育程度等因素决定，一般含水性、透水性较差。隧道区水文地质条件较简单，水量总体较为贫乏，隧道开挖有可能出现滴水或淋雨状出水的现象,瓦窑岗隧道单洞涌水量424.03m3/d。

2.4 工程地质条件

隧址区为丘陵地貌，覆盖层厚度较薄，以残坡积的含碎石粉质黏土为主。下伏基岩的岩质坚硬，绝大部分为白垩系下统朝川组含角砾凝灰岩。

3 围岩变形预测

3.1 无支护下围岩变形预测

考虑无支护的施工工况，利用模型展开计算与分析，以确定具体位移变形量。结果表明，缺乏支护措施时，围岩变形现象明显，具有不收敛以及持续变形的特征，加之内外部因素的共同作用，存在隧道坍塌的风险。

3.2 仅有初期支护下围岩变形预测

初期支护用shell 单元模拟喷层支护、cable 单元模拟锚杆，型钢钢架经折算后由等效混凝土模拟。初期支护为C25 喷射混凝土且厚28cm；φ22mm 砂浆锚杆，长4.5m，间距lm×lm；H175 型钢，间距60cm。未设置超前支护。

经计算可知，拱顶超前变形量为68mm，期间所产生的总量为226mm，占比约37.1%。结合现阶段的行业规范，对于大跨度、特大跨度隧道而言，施工过程中Ⅴ级围岩的拱顶下沉量应稳定在200～300mm，同时，须保证超前变形量在该值的20%～30%。经对比分析后发现，围岩超前变形量超过该标准，为解决此问题，须辅以超前支护措施。

3.3 超前支护下围岩变形预测

在前述所提初期支护条件的基础上进一步采取超前支护措施，以最大限度地控制超前变形量。材料方面主要有φ108mm×6mm 热扎无缝钢管、丝扣长度≥15cm 的厚套筒。再次展开计算与分析，得知拱顶超前变形量为42mm，相比于全变形量（198mm）占比为21.2%，满足要求。

3.4 变形控制对策

以开挖和支护2 个环节为立足点，分别对围岩的变形采取控制措施。开挖环节采取三台阶七步开挖法，尽可能地阻止围岩荷载的释放；支护环节以大管棚超前支护为主要手段，以免出现大范围的超前变形现象。在隧道开挖期间按如下流程完成各项工作：

第1 步，上部弧形导坑开挖：以拱部超前支护工作落实到位且无质量问题为前提，环向开挖上部弧形导坑，开挖施工期间预留核心土，长3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。以初期支护钢架间距为参考，合理控制开挖循环进尺，不宜超过1.5m，经开挖作业后组织混凝土初喷施工，厚度控制在3～5cm。对于上台阶的开挖，要求其矢跨比＞0.3，且在开挖后组织喷、锚、网系统支护作业，利用加工成型的构件架设钢架，于拱脚以上30cm 的位置设锁脚锚杆（下倾角30°），经焊接后与钢架稳定连接，再复喷混凝土，直至其满足设计厚度要求为止。

第2 步、第3 步，左右侧中台阶开挖：以初期支护钢架间距为参考合理控制开挖进尺，不宜超过1.5m，高度3～3.5m。在左右侧台阶开挖时要求其错开量达到2～3m，初喷混凝土厚度3～5cm，在完成喷、锚、网系统支护作业后对既有钢架采取接长处理措施，于拱脚以上30cm 的位置设锁脚锚杆（下倾角30°），经焊接后与钢架稳定连接，再复喷混凝土，直至其满足设计厚度要求为止。

第4 步、第5 步，左右侧下台阶开挖：开挖内容与第2 步、第3 步一致，不再赘述。

第6 步，上中下台阶预留核心土：经台阶开挖后，若无质量问题则及时设置仰拱初期支护，分段长度4～6m。

第7 步，隧底开挖：加强对各循环开挖进尺的控制，以2～3m 为宜，经开挖后若无误则设置仰拱，分段长度宜为4～6m。

4 大管棚施工

大管棚结构体系中，基础材料包含φ108mm×6mm 热扎无缝钢管，套筒（要求其丝扣长度≥15cm）等。其中前者规格为节长2、3、6m，后者的规格为114mm×6mm，且纵向搭接长度≥3m。管棚的前后两端分别设置15cm 的锥头和10mm 的加强箍。根据施工要求，管棚结构组成包含无孔钢管和有孔花管2 类。

4.1 搭设钻孔平台钻机

考虑到钻机施工的安全性和便捷性要求，组织明洞拱部土质的开挖时，采取环形开挖的方式，预留的核心土高度为暗洞开挖外轮廓线以下1.0m。将核心土作为钻机基本平台，通过脚手架的搭设完成钻机高度的调整。钻孔从拱顶开始向两侧同时作业，逐渐从高位孔转向低位孔，从而使核心土平台高度也相应降低。

平台所在的地基应具有稳定性与平整性，加强脚手架的连接，以免在钻机运行期间出现不均匀下沉、偏位等质量问题。

4.2 钻机

直径为φ127mm 的钻头能够大大提高钢管的安装效率。当岩质较好时，施工人员可以一次成孔。若钻机运行期间存在塌孔、卡钻等异常状况，需随即补浆，再恢复至正常钻进状态。

钻机运行初期阶段维持低速低压，待成孔达到10cm 后，综合考虑钻机运行稳定性以及现场地质条件合理调整。钻进施工期间利用斜测仪检测，及时掌握钻机的位置，以便调整偏差。同时，施工人员可根据钻机钻进的状态评估孔的质量。若钻进施工期间钻机发生故障，需由技术人员展开分析，探明成因后再采取针对性的处理措施。钻孔施工遵循先高后低的原则，按照先奇数孔、后偶数孔的顺序依次钻进。钻进期间产生的各项数据均要得到完整的记录，作为质量分析的依据，给洞身开挖提供引导[1]。

4.3 清孔验孔

孔口的清理可通过地质岩芯钻杆及钻头反复进行，在确保孔径、孔深符合要求的情况下确保孔内畅通，不会出现堵孔情况。孔内的钻渣则可以通过高压风从孔底向孔口清理。钻孔的检查通过全站仪、测斜仪等工具进行，检查的内同包括孔深、外插角以及倾角等[2]。

4.4 安装管棚钢管和注浆

施工人员对丝扣进行加工，并钻设和布置注浆孔，接着进行棚管顶进施工。

1）压浆前做好准备工作，例如，清理孔道、湿润孔壁。冲洗完成后利用不含油的压缩空气对孔内积水进行处理。

2）压浆使用BW-250/50 型注浆泵。压浆的实际压力达到设计要求后持续稳压注浆20min 以上。

3）注浆施工选择的是水灰比为1∶1 的水泥浆，初压0.5～1MPa，后续逐步增加，终压2.0MPa。

4）注浆结束后，施工人员及时关闭现场的设施，并对管内的浆液进行清理，向钢管内注入M30 水泥砂浆，在其固结后可提高管棚的刚度和强度。

5 结语

综上所述，浅埋软弱围岩隧道的施工环境复杂，施工期间易产生诸多安全隐患，轻则影响施工质量，重则诱发安全事故，造成不可估量的损失。因此，理解并正确应用相关施工技术很有必要。本文以软弱围岩浅埋隧道的施工条件为立足点，重点对其开挖支护施工关键技术展开探讨，希望能为同类型施工提供经验上的借鉴和理论上的支持。