软岩大变形隧道施工技术研究

翟镇宇 全海龙

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

1 工程概况

河南济源至山西阳城高速公路济源段位于太行山南麓，总体呈南北走向，路线全长约19.7 km，晋豫两省交界处济源市王屋镇西坪乡镇牛角洞是该高速公路的起点，向北与山西省阳城至蟒河高速公路交接，向南经过经济源市大峪镇、承留镇、王屋镇。跨省道312后，项目终点在济源市大峪镇庙前村，设庙前枢纽互通与长济高速相接。沿线经过焦树坪隧道、太行隧道、张庄隧道道、桃园岭1号隧道、桃园岭2号隧道、秦岭山隧道、张河隧道。

2 软岩大变形原因分析要素

2.1 地质因素

（1）软岩泛指松、散、软、弱岩层的总称，软岩的主要特点为风化和造面切割的影响明显、胶结程度不高、孔隙度较大和强度不足等，岩层中富含丰富的膨胀性黏土类矿物。在隧道工程中，影响变形特征的因素软弱围岩占比较大，对工程地质性质起决定作用，现场开挖后的自稳性不高，其显著的特点为易坍塌和自稳时间不足。在隧道挖掘施工的过程中，前支撑隧道洞身的围岩被全部转移，使洞壁出现临空的状态，对围岩应力位移变化造成严重影响，洞壁和围岩逐渐向隧道净空方向出现变形[1]。

（2）围岩受到外界因素影响以后，体积增大，使膨胀力变强，改变膨胀岩的性质。炭质灰岩是隧道变形断围岩的主要组成成分，其中包含丰富的绿泥石和蒙脱石，吸水后体积快速膨胀，在围岩膨胀压力作用下，初支上产生巨大变形。

2.2 设计因素

设计的支护参数是为了各种围岩在理论应力状态下的有预案准备，在开展施工的过程中，外界附加的影响因素会对软岩造成严重的干扰，影响最突出的因素是地下水，水岩耦合作用的程度受赋存量大小的直接影响，承受压力超过工程设计初支限度会导致变形，水岩耦合作用力大于最大压力会造成初支严重变形[2]。

2.3 施工因素

（1）施工给围岩造成的扰动。

开挖施工时使用机械设备会产生对围岩的扰动，岩体整体结构受力，使围岩应力重新排列，形成全新的自我稳定平衡状态，构成特有的应力拱圈[3]。以软岩隧道特点和可塑性屈服破坏能力的大小为基础，获得自稳平衡状态所要达到的拱圈半径要求，使隧道初支承受荷载压力值较大。

（2）围岩变形不易掌握。

围岩变形不易掌握，开挖方案与围岩性质不匹配，控制变形效果更差。选择开挖工法的前提是符合现场地质条件，通常在施工的过程中将安全放在第一位，从简单逐渐向复杂过渡，科学管控挖掘施工的顺序和范围。仰拱和上、中、下台阶交叉施工时挖掘施工属于较复杂的情形，受施工工序较长的影响，不能及时形成施工闭环，初支的变形时间变长。

（3）围岩风化。

围岩风化不利于施工进程，封闭施工滞后会使施工风化的问题更严重。围岩被揭露以后，岩面得不到及时封闭，在水和空气的影响下，软岩的风化速度不断加快，使松动圈的范围不断拓展，降低围岩的强度。初支的封闭成环出现滞后的情况，对承载力的发挥造成严重的负面影响。

3 控制软岩大变形的方法

从太行隧道软岩变形的特点和原因出发，反复研究项目部的实际施工情况，将施工给围岩造成的干扰降到最低，使围岩自身的承载力发生改变，合理管控施工工序作业时间，加快封闭成环的速度，积极采取有效的措施，制定有效的处理办法，较好地控制软岩的变形程度[4]。

3.1 超前地质预报

施工现场的地质情况与预期差异较大，实际挖掘施工的地质情况与施工图纸间存在差别，使施工方法和施工措施发生改变。在开展施工工作前，落实超前地质预报工作，超前地质预报将超前钻探、物探和地质素描等方法进行全面利用，显著提升地质情况的准确性。在断层洞段和破碎带做好长、短钻孔施工工作，详细了解隧道前方的地质情况，重点关注地下水的发育情况，不可盲目开展挖掘施工作业，避免造成重大事故。

3.2 降低施工扰动力度，提高围岩的自稳性

在开展施工作业时，将诱发围岩变形的因素控制在最小范围内，使围岩变形程度得以有效控制。具体操作方法可以采用超前大管棚、超前帷幕注浆、超前小导管等预先安装，达到固定稳定的性能，主动加固处理软弱破碎富水段围岩。使用环形预留核心土台阶工法处理自稳性差、易破碎围岩，采取的主要方法为封闭成环和短进尺，为尽量降低开挖施工对围岩的扰动，开挖方案选取扰动最小的铣挖法施工法。

3.3 开挖短进尺，初支快速封闭成环

在施工的过程中控制好单循环挖掘长度，单循环挖掘长度保持在1榀拱架以内。

单循环作业时间缩短后，围岩变形的时间效应减少，每循环挖掘结束以后，封闭工作较为关键，将厚度5 cm左右的混凝土浇筑到岩面上，使岩面与空间的接触时间减少，有效回避围岩风化崩解现象。详细分析监控量信息时，仰拱浇筑和初支封闭成环施工结束后，初支变形速率降到最低。

3.4 动态调整支护参数

现阶段应按照设备分析结果，详细分析隧道前期已经挖掘施工区域监控量监测变形数据信息发现，最为有效的方法是放大预留变形量，特别是防止初支侵限和变形控制。防止初支在封闭成环前留有较大空间造成变形，应科学调整预留变形量，落实事先预留工作。对局部洞段存在的不对称变形情况进行详细分析，使用左、右侧不均衡性预留变形量的方法可以取得最佳的效果。

以初支变形曲线和时间为基础，以上导变形最快速率为参考，将预留量扩大到1 m左右，下导预留量控制在0.5 m左右，上导预留量上调到0.6 m左右。产生径向剪切应力引起的变形是由围岩对初支结构，应适时降低减缓周边围岩影响。在开展施工任务时，使初支的环向和纵向刚度满足设计标准，科学调整支护参数，使“后抗”性满足设计标准。不断提升初期支护的环向刚度，封闭成环时使用1榀/0.5 m和Ⅰ25a，将Ⅰ14型钢增设在钢架连接位置处，使其连接效果不断增强。

3.5 使用径向注浆加固围岩

支护完成一次循环后，完成径向注浆加固工作，使岩石空隙被浆液全部填筑严实。径向注浆加固围岩可以使浆液与围岩连接在一起，改善岩体的受力结构，使围岩更稳定，塑性变形区域的厚度比径向加固的拱圈半径大。全面分析仰拱下卧层软弱基础的条件，仰拱范围包含在径向注浆环向范围内。使用Ф42 mm钢花管充当注浆管，间距设置1 m，呈梅花形。正常软岩变形段的径向保护拱圈半径长度设置4.5 m，极软弱围岩、富水段的有效半径设置7 m左右，根据不同地质情况酌情设定有效半径。

3.6 强化锁脚及脱空处理

钢架锁脚锚管深度、根数、对设角度和尾端与钢架连接节点等是影响软岩大变形的主要因素，与隧道作业空间的因素相比，使用长度6 m、Ф76 mm的钢管充当锁脚锚管，对收敛变形和初支沉降起到积极的促进作用。

在挖掘软岩的过程中，四周围岩的自稳能力较差，经常会出现初支拱背脱落或滑落、掉块的情况，为了有效控制软岩松动圈范围扩大。采用混凝土填充方法完成钢拱架背后或顶部的空腔施工，快速形成初支结构与四周围岩共同形成的作用力拱圈。

3.7 做好监控量测工作

软弱围岩隧道安全施工进程的探视镜为监控量测技术，监控量测可以保证软弱围岩隧道安全施工和结构稳定性。监测断面对该隧道共计设置的位移量测项目数量为5个，即仰拱隆起、墙腰收敛、拱脚收敛、拱腰收敛和拱顶下沉等，在设置断面时，断面的间距设置为5～10 m。

渗漏水情况较严重时，可以适当增加数量，初支施工完成4 h后布置埋设点，在12 h内读取初始数值，每天对比此监测数据，增大实时监测频率，确保围岩的变形始终保持在正常的状态，为后续支护参数和施工安全奠定坚实的基础[5]。

3.8 加大新设备投入的力度

在太行隧道施工时，第一次将超前地质支护遇到的问题包含在工序管理的范围内，在检测超前钻孔详细探测前方围岩的赋水情况和地质情况时，使用的主要设备为先进的卡萨格兰地C6XP-C多功能钻机，其数据有效性直接决定工程的质量。

C6XP-C多功能钻机可实现多种超前地质施工勘测，对隧道中不同地质环境下的高压旋喷、锚杆、锚索及岩石取样。钻注一体和超前管棚支护施工以及超前地质预报发挥积极的促进作用，其显著的特点为钻进施工效率较高、施工长度较长以及功能强大等，对围岩加固施工和软岩大变形隧道超前探孔施工起到积极的促进作用。在机械臂湿喷台车的辅助作用下，显著提升混凝土喷射施工的效率，使围岩施工快速完成，将人工作业的范围降到最小，提高施工安全性。

4 结语

当前，我国公路建设取得长足进步，能够有效解决软岩大变形问题。在施工过程中，应根据实际情况选择合适的支护参数和施工方法，可以有效地控制围岩变形，从根本上保证隧道施工的质量和安全性。