高海拔地区公路隧道工程软弱围岩开挖支护施工质量控制要点分析

张新明

（中国水利水电第十二工程局有限公司 浙江杭州 310004）

为防止隧道塌陷对公共设施及民众造成伤害，在隧道开挖作业实施期间必须要做好支护工作，特别是隧道施工范围有软弱围岩地区的工程项目，支护工作的作用更是不言而喻［1］。我国许多隧道因地形条件恶劣，地表软弱堆积，风化严重，围岩软弱，在施工中不易形成承拱，严重影响隧道安全和施工质量［2］。在具体施工中，要按照隧道技术要求进行支护施工，才能确保隧道的稳定性和安全性，使隧道施工质量得到显著提升，为后续工程竣工投入使用提供基本保障。本文以高海拔地区公路隧道工程——大雪山隧道工程为例，对其软弱围岩区段的支护工作开展情况进行分析，为工程顺利实施提供帮助。

1 工程概况

1.1 隧道工程简介

大雪山隧道位于滇川藏边界的云南省香格里拉中甸县，洞室净高8.5m×6.5m，起止桩号K125+830～K12 7+950，长2120m。该隧道的垂直坡度大约与地面形成30°的夹角，入口设计高度为3931.23m，出口高度为3977.61m，隧道最大深度为453m，在K126+926 处。该隧道的最小埋设深度在14m左右。该隧道的入口和出口附近没有道路，交通不便。

该隧道位于构造侵蚀剥蚀的高山上，穿越山体最高标高4409m，隧道入口处3944m，相对高差465m。该隧道的走向与K127 处的山脊线方向呈60°左右的夹角，隧道进出口的斜坡坡度相对平缓，一般为15°～25°。植物生长程度低。在隧道建设中，环保问题也应受到重视。

1.2 工程地质与水文地质状态

1.2.1 地层岩性和地质钻探

据实地考察，隧道区的岩性特征以云母片岩为主，其主要成分为绿泥石、绢云母，灰绿色或银灰色，变晶结构，片状构造，岩层产状存在一定差异，层面多呈舒缓波状。

1.2.2 B址区内地质构造

该隧洞区位于青藏高原南东缘，属于滇藏地槽区。构造活动主要是由南北向和西北向的构造系统组成，虽然也有东北向和东西向的断层，但它们大多都是小规模的，除了一些东西方向的断层以外，还有大量的南北向断层是由西北向或南北向断层的衍生产物。

由于隧道两侧山体的构造作用，出露岩体节理裂缝极多，节理裂缝发育导致隧道的稳定性较差，使其后续应用的安全系数大幅下降。利用赤平法对隧道入口天然岩质和已开挖的岩石边坡的稳定性进行了分析，如图1所示。

图1 隧道入口斜坡赤平投影图

1.3 水文地质条件

1.3.1 地表水

根据现场水文地质资料分析，该段峡谷常年有水流，主要是山顶冰雪融水。隧道进、出口均位于斜坡中、低矮处，其分布高度较高，入口和出口附近的低洼区域具有很大的断面，因此正常排水不受隧道施工影响。在暴雨过程中，须重视地面水流对隧洞的侵蚀和破坏，建议采用统一排水系统。

1.3.2 地下水

（1）种类及特征。

隧址区的地下水主要有两种类型，分别是基岩裂隙水和第四系疏松孔隙水。

基岩裂隙水主要产于基岩的风化裂隙、节理裂隙、岩层层面、破碎带和裂隙中，水量的多少取决于风化裂隙、节理裂隙、断层构造发育和储水状况，其特征是：没有连续统一的自由水面，不均匀，多为网状、脉状、枝状，储水量相对少，且随季节的不同而有很大的变化。在隧洞开挖时，局部洞段的围岩会出现“滴漏”或“线性”渗流，这对隧道施工没有太大的影响，但会对隧道结构的稳定性产生一定的影响（由于衬砌会改变储水状态）。

第四系孔隙水：以潜水形态存在于滑体和周围的第四系孔隙水，由大气降雨供给，沿斜坡向前缘移动，局部在堆积前缘或地形发生急剧的变动，以下降泉的形式露出地表，井泉流量较小，水流动力不稳定，区内有3 个下降泉，流量在1～4L/min。第四系孔隙水主要分布在各主要河段，以中粗砂、砂质粘性土和碎石土为主，属于冲洪积物，具有丰富的地下水和良好的渗透性能。在靠近河道的地方，由于地下水丰富，砂层对区间陇道开挖和排水的影响较大。

该隧道位于高山侵蚀地形中，穿越大雪山中部，经勘测数据分析，该隧洞不属于全饱和带，但有部分洞区可能位于地下水季节变化区。因此，在开挖过程中，部分洞口会出现涌流，必须采取相应的保护措施。

（2）补给、径流、排放条件与动力特性。

补给条件与动力特性：隧址区为裸露岩溶区。由于补给渠道多为纵向裂缝，因此，补给量因季节的不同而不同，且供给模式通常比较集中，但不太稳定。

径流条件与动力特性：隧址区属厚层缓斜带，其径流状况良好。根据纵向分带性，可以将径流划分为四大循环带：①含气带；②地下水季节变化带；③完全饱和带（处于水系排水系统）；④深层循环带（不受邻近水文网直接影响）。除垂直方向的水流动力分带外，在水平方向上也表现出明显的分带性。当接近山谷时，水流条件越好，越接近分水岭，水位越高，水动力条件越差。地下径流的横向和纵向的运动特点是：压流与气流共存，渗流与层流、素流共存，且相互作用的因素之间由于一方发生变化也会导致另一方产生变化。

（3）地下水影响。

该隧道水文地质状况十分复杂。通过对工程地质调查数据的分析，认为该隧道围岩不属于水文网络排水全饱和带，但由于地下水会受到季节影响产生些许变化，从而使有部分洞区的地质性质有所改变。在开挖过程中，部分溪段会出现涌流，严重影响隧道的建设。在设计时，要充分考虑外部水压对项目的负面影响，并采用疏、导、排等方法降低外水压力对工程的影响。

2 高海拔地区公路隧道工程软弱围岩开挖支护施工的主要方法

2.1 台阶法

台阶法是由一次开挖全剖面法发展而来，它通常是将整个开挖到支护前期的围岩维持在一个稳定状态的一种重要施工手段［3］。台阶法按台阶长度可划分为长台阶法、短台阶法、超短台阶法。在实际工程中，应综合考虑两个因素：一是在初期支护形成封闭段的时间上；二是在围岩条件不佳时，要缩短封闭时间。而在开挖、支护等工程中，对施工场地的要求是：设备和场地的比例。对于软弱围岩，应以前者为主，后一项为重点，以保证工程的安全；对于总体较好的围岩，重点是如何使机械的效率得到最大限度的发挥。

2.2 全断面开挖法

全断面开挖法是按照公路隧道施工的设计要求，在一次爆破成形后，采取锚固和二次衬砌的施工工艺［4］。全断面掘进法适用于整体良好的I～Ⅱ级围岩［5］。同时，在施工现场，全断面开挖法的实施需要大量的机械设备，并确保隧道与工程区段的间隔。通常，机械设备之间的间隔不能少于1km，否则难以获得较高的经济效益。

3 高海拔地区公路隧道工程软弱围岩开挖支护施工要点分析

3.1 掘进机开挖施工要点

在公路隧道施工中，常用的是盾构法、TBM 法，在软土地层中，一般采用盾构法，而在岩性地层中，TBM法是最常用的。根据围岩的单抽抗压强度和耐磨性等因素，对软质围岩进行掘进，既能保证围岩的稳定，又能防止崩塌，对围岩的影响较小。而在公路隧道施工中，掘进机的施工方式多为两级台阶法，其开挖深度要根据工程地质情况和掘进机的选用来决定，台阶长度通常为长阶梯，地质情况较差的隧道，可以采取中长阶梯法或短阶梯法。

3.2 钢架施工要点

钢架由工厂下料分节焊接而成，以确保各节段的弧度和尺寸满足设计要求，各节的端部采用焊盘，接头之间用螺栓固定。钢架安装时，要对其内部形态结构进行严格的控制，并留出一定的沉降量，避免对衬砌的净空造成破坏，钢架与围岩之间的空隙必须采用喷射混凝土，以确保与围岩紧密结合，并控制围岩的变形；采用纵向连接筋将两列钢架之间的连接钢筋圈相间隔1m，从而构成整体受力结构。

3.3 大拱脚钢架设计施工要点

采用正步法施工时，为了保证正台阶结构的稳定性，在正台阶拱脚处设一个大拱脚，大拱脚高1m，宽0.5m。大拱脚钢框架施工是在上一步开挖后，利用风镐进行人工修凿，使拱脚支立成型后，进行早期支护［6］。根据施工现场的实际情况，在进行大拱脚施工的过程中，其钢架支护结构的选择尤为重要。对于该工程项目而言，由于黄土地区具有良好自稳性，但薄层岩体等地质条件不理想，可采用正阶梯法进行开挖，确保正台阶开挖的扩孔工作具备充足的时间，做到及时支护，以防止围岩的崩塌。

3.4 喷射混凝土施工要点

在隧道开挖后，应尽快对围岩进行封堵，采用喷水混凝土喷射机分段、分层喷浆，并及时进行养护。然而，在实际工程中，由于隧道施工中开挖断面并不平滑，增加了喷射混凝土的施工难度，并增加了喷射混凝土的工作量。因此隧道施工时，应在喷浆之前，先用石棉板、木板等材料对凹坑进行封堵，再进行喷射混凝土，从而节省喷浆材料，降低喷砂作业的工作量［7］。

4 高海拔地区公路隧道工程软弱围岩开挖支护施工管理

4.1 施工现场管理

在公路隧道工程施工中，要强化施工组织和管理，重点是强化施工的安全。施工期间需要进行爆破、钻孔、喷射混凝土、运输等作业，在施工过程中会产生大量的有毒气体和粉尘，因此，为确保施工作业人员的生命健康，必须对其进行通风，以确保施工现场的新鲜空气供应，减少有害气体、粉尘，确保施工作业人员在安全的条件下进行施工，加快施工进度。

4.2 施工风险管理

在隧道建设中，要特别注意对施工的风险进行控制，通过科学、成熟的技术、先进的设备，以防止地质灾害、地质灾害、有害气体和高温惯性事故等发生。在确定了风险项目和对其进行细致的风险评价后，就可以根据各种理论与实践经验相结合的方式规避和控制隧道建设中的各种风险，最大限度地减少和控制安全事故，从而有效地减少工程造价，使隧道工程的施工质量得到保障［8］。

5 结语

总而言之，隧道工程是国内公路建设中非常重要的工程项目，其对国家整体建设水平具有很大的参考价值，因此必须投以更多的精力。在实际施工中，由于隧道围岩具有不稳定的可能性，会对隧道的施工产生很大的影响，要提高隧道的施工质量，就需要对隧道的支护作业加以重视。在开工之前必须详尽了解隧道的围岩结构、地质等基本条件，明确支护地点、方式、技术等要素，并结合实际情况选取最佳的施工方案开展作业，从而有效提高隧道结构的安全性能。