高速公路浅埋软弱围岩隧道施工技术研究

摘要 浅埋软弱围岩隧道埋深浅，自稳能力差，在软弱围岩处修建浅埋隧道，冒顶、坍塌等问题常有发生，容易影响围岩的稳定状况。为了降低浅埋软弱围岩隧道施工风险，提升施工质量，对高速浅埋软弱围岩隧道进行分析，结合云南省境内某隧道阐述施工技术要点，重点讨论围岩测量、地表预加固施工、大管棚施工支护和防变形、坍塌施工技术等方面的内容，以提升浅埋软弱围岩隧道施工水平。结果表明，在浅埋软弱围岩隧道施工中结合应用地表预加固和大管棚施工支护，实现了围岩的超前支护，保证浅埋软弱围岩隧道施工稳定性。

关键词 高速公路;浅埋软弱围岩;隧道施工

中图分类号 U455.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）11-0163-03

引言

浅埋软弱围岩隧道受水文地质条件、不确定性、开挖方法和支护措施等方面的影响，极易发生塌方，造成事故的发生，影响施工总体进度和安全。对于浅埋软弱围岩隧道施工要采取针对性的施工方案和支护措施控制围岩变形。根据高速公路实际施工情况以及具体施工过程中的相关要求来提升浅埋软弱围岩隧道的施工质量，能够进一步提高高速公路隧道的施工水平以及抵抗施工安全风险的能力。

1 软弱围岩及软弱围岩隧道地质特征

围岩是发生应力状态改变的隧道围岩土体。围岩的强度受本体结构、结构面强度、岩石强度、水、地应力等多种因素的影响，分为坚硬和软弱两类。参照《公路隧道设计规范》[1]，软弱围岩属于Ⅴ、Ⅵ级围岩和一部分Ⅳ级围岩，指承载力低、结构破碎、裂隙发育的围岩。软弱围岩隧道具有以下地质特征：

（1）强度低、稳定性差。此种围岩一般为软质岩地层，包括页岩、泥岩、片岩、炭质岩等，开挖暴露后易風化且遇水易软化，受内应力效应的影响发生塑性变形。

（2）结构面软、易滑塌。结构面黏结强度低，一般是受结构面切割破坏的块状岩体中，开挖后产生滑移和坠落等变形现象。

（3）受施工扰动敏感度高。软弱围岩强度低，隧道施工开挖会显著影响围岩扰动程度，尤其是浅埋软弱围岩，极易波及地表，甚至导致坍塌等后果。

（4）破碎松散、黏结力差。由于岩土体结构破碎，黏结力差，导致开挖后成拱，极不稳定，仅靠摩擦效应和胶结作用容易发生坍塌冒顶。通常为土层、岩体全风化层、挤压破碎带等构成的围岩。

（5）变形时间长。软弱围岩的蠕变性使其在受到开挖干扰后的持续一段时间变形。围岩的“自稳时间短、易坍塌”特征主要取决于工程本身的地质性质，在施工过程中一旦施工方法或辅助措施不当，极易产生较大变形甚至失稳破坏[2]。

2 浅埋软弱围岩隧道施工案例分析

某隧道位于云南省镜内，此处地理结构复杂，整座山呈馒头状，山顶较为开阔，呈平台状，两边进出口则为陡峭的斜坡，且受到严重侵蚀。进洞口段表层为灰褐色粉质黏土、含碎石亚黏土，前、后半段围岩分别为弱风化泥质粉砂岩和强风化泥质粉砂岩，这种岩层的节理裂层非常发育，需要填充泥沙和应用软弱手法;到出洞口段时，岩石主要为弱风化泥灰岩及灰岩，属于较软岩类，岩体易破碎。此地正处于发育的断层中，内部岩体杂乱，开挖后极易产生崩塌现象。针对该现象，工作人员用大管棚超前支护，高速公路隧道设计为四车道上、下行分离式，隧道净高5.8 m，在洞顶处的深埋，最深可达85 m，最浅是19 m。搭配合理的施工工艺，有效防止了山体坍塌和地下水污染，保证了施工安全。

2.1 围岩测量

合理利用测量方法对整体高速施工起到重要作用。

（1）让施工人员深入了解围岩的基本结构，增加工程施工科学性。

（2）为后续的支护施工提供科学的依据，提升支护的稳定性以及合理性。

（3）在测量数据基础上，促使支护结构受力均匀。

（4）对支护体系的稳定性以及安全性进行全面的评估。在围岩测量时，对围岩的收敛以及地表出现的下沉等情况进行全面分析，并利用专业的测量设备获取科学的数据，以有效解决实际隧道施工过程中产生的裂缝[3]。

2.2 地表预加固施工

采用实验筛选注浆的热轧无缝钢管，呈梅花形布置。注浆孔间距1.8 m，注浆终压为2.4 MPa，浆液选用纯水泥浆，浆液地表扩散范围半径1.2～1.7 m，水灰比为0.75∶1.00。工艺流程按照平整场地、注浆孔位放样、钻孔、清理钻孔、注浆管安放、堵塞注浆孔口间隙、注浆顺序逐步开展操作。注浆采用从外钻孔向内部进行，钻孔注浆量22 L/min，每排注浆孔交替注浆，并且缓慢提升注浆设备压力，达到方案设定压力后，稳压10 min，保证浆液在土壤渗透流动时间，确保浆液完全渗透到土壤中，从而实现加固地表结构的目的。

2.3 隧道开挖技术

工程采用短台阶七步开挖法开始挖掘。由于短台阶七步开挖法工序间平行作业，有效利用空间资源，对围岩封闭时间短，降低了软弱围岩的变形收敛，确保工程的连续性及安全性。台阶长度4 m，仰拱距离掌子面25 m，二衬距离掌子面50 m。围岩浅埋段将监控量测点间距控制在5 m一组，开挖后及时布点，5 h之内完成起始读数。开挖12 h之内完成其他数据监测读数，初始读数的采集要≤24 h，而且该数据的采集需要在下一个循环开挖之前就全部完成。比较设计中的数值与实际监测到的数据，并绘制出随着时间变化，隧道台阶法周边收敛及拱顶沉降测点布置图的变化变形量或应力变化的曲线图。根据曲线图预测整体状况是否会出现变形等情况，合理地调整支护方案或施工方案[4]。

2.4 大管棚施工步骤

大管棚支护应用于软弱地层，利用打入的钢管注入浆液，使用的浆液必须有压力，达到足够凝聚时间，浆液能够扩散到钢管的四周，待浆液开始胶结后，促使管棚周围岩体固结，提高整体岩层的承受力，起到承重保护的作用，具体工艺流程见图1。

2.4.1 确定钻孔位置

施工选取两台地质钻井机同时从拱脚向拱顶、拱顶向另一边的拱脚进行作业施工。在开始施工之前，工作人员已经事先确立了测量放样点，并且确定了导向管的倾角，钻机只需要依照自身的管道倾角方向，固定在放样点上，然后依据导向管的角度确立自己的角度，促使钻杆线与开孔角度相同，实施钻进[5]。

2.4.2 钻孔

为了防止坍塌，保证孔的质量，钻孔要先奇数孔，后偶数孔。孔的直径为130 mm，以便顺利安装标准108×6 mm钢管。钻孔之前应将扶直器套在钻杆上，防止钻孔时上下颤动，保证孔的笔直。在连接钻具的时候，一定要选取材质一样的工具，保证连接处的强度、刚度和韧性，整个施工过程中，连接套的壁厚应≥10 mm。在钻孔过程中，时刻使用测斜仪测量角度保证钻孔方向。开始推进时，要控制推进力度，每推进40 cm就要退管清孔，退管清孔使用2.5 m长的标准43 mm岩芯管，将碎渣彻底清净。当钻进深度达到2 m后，提升钻进压力加大钻进速度。

2.4.3 顶管

在奇数孔打好后，顶管施工作业要及时进行，避免不及时进行顶管作业造成的崩塌问题。顶管施工采用无孔钢管注浆，同时，偶数孔同步安装无孔钢管进行注浆[6]。在对偶数孔进行安装注浆的过程中，检查奇数孔的泥浆情况，及时补充，加固围岩。采用跟管钻进，使钻孔与安装钢管都在同一时刻完成。

2.4.4 管棚注浆

管棚注浆是整个工序的核心环节，直接关系着整个岩体的承受力。注浆通常是两端同时进行，浓度逐渐增大，其中注浆要采用分段注浆的方式，先对偶数孔注浆。在注浆前，要先在现场某一处进行实际实验，根据实际效果和之前的数据相结合，调整以得到最合适的参数，在注浆后，要及时检查结果，随时观察孔内的浆液量和注浆压力。当每一个的孔内注浆都达到标准后，管棚注浆才算完成。

2.5 排水技术措施应用

不同的水位情况和施工情况，需要采取的排水技术存在的差异较大，施工单位要针对不同的水文條件采取不同的排水技术措施，合理防水、排水，确保隧道施工顺利开展，具体见表1。

2.6 防变形、坍塌施工技术

浅埋隧道施工常见事故包括变形、坍塌、冒顶，事故的预防需要结合实际的情况，相应的技术措施如下：

2.6.1 加强监控量测并跟踪调整

围岩的变形随时发生，因此应采取监控量测指导下一步施工，在变形异常段位施作临时套拱，加做径向注浆，加固措施控制变形，稳固周边围岩，确保施工安全。监控量测要及时埋点，并量测初始读数，获取到的量测数据用工程类比法分析，并及时根据分析数据调整支护参数，及时调整预留量满足要求[7]。

2.6.2 强化超前地质预报

利用超前地质预报探明前方的地质情况，特别是地下水量较大的隧道，超前预报进行超前排水在施工中尤为重要，也是确保隧道安全、稳定、快速施工的先决条件。项目部配备地质预报专业人员，施工中采取TSP、地质雷达进行长距离探测、探测结果采取长钻孔进行钻探验证、在开挖过程中加以超前钻孔短距离验证确认。把探测作为第一道工序强制执行，项目部在实际施工过程中不管设计是否施作，超前水平钻全部都进行超前钻施作。

2.6.3 严控拱顶易溜塌段措施

由于拱顶容易溜塌，掌子面开挖进尺控制在1榀钢架距离，并且及时进行封闭，围岩开展双层小导管、中管棚的超前支护。

2.6.4 控制隧道开挖的变形

根据前期的监控量测以及超前地质预报数据，及时调整预留变形量。隧道开挖后容易产生变形，通过采取调整工字钢的型号、喷射混凝土的厚度、钢架的间距以及二次衬砌等防控控制。

2.6.5 施作过程中掌子面的塌段防护

掌子面不断向前推进经常会发生坍塌，为防护掌子面塌段应增设长度大于5 m的探水小导管，当掌子面发生大面积渗水，应该进行提前排放水，并在掌子面每次循环开挖面喷射5～10 cm厚的混凝土层。

2.7 处理涌水技术

根据已开挖段软弱富水带情况及地质预报成果，结合隧道区域地质构造、地形地貌特征以及软弱带的成因及特点，综合分析预测未开挖施工段软弱富水带的工程特性，包括水文地质条件、物质组成、分布规模，避免在隧道开挖中造成突泥涌水、坍塌地质灾害。利用超前钻孔和加长超前小导管作为超前排水管排水，超前钻孔排水可以有效降低掌子面到达前的地下水位，减少掌子面的渗漏水，确保掌子面开挖施工。对于富水地段，采用帷幕注浆措施加固前方围岩[8]。

3 结论

由于浅埋软弱围岩的水文地质条件差，隧道施工过程中会发生安全事故，通过该案例施工结果可知在浅埋软弱围岩隧道施工中结合应用地表预加固和大管棚施工支护，增加了围岩结构的强度，并且重视施工过程的排水处理，提升边坡的稳定性，实现围岩的超前支护，保证浅埋软弱围岩隧道施工稳定性。隧道穿越粉砂岩和泥岩等围岩强度低、遇水易软化的地层时，施工过程中会发生局部失稳、掉块、坍塌等工程地质问题，合理安排开挖、初期支护及永久衬砌等施工工序可有效降低施工扰动影响。浅埋软弱围岩隧道施工难度系数高，安全影响因素多，在今后的施工过程中务必充分掌握围岩地质特征，严格要求施工作业的规范性，采用先进的施工技术，确保施工安全。

参考文献

[1]吴帆. 高速公路软弱围岩隧道施工风险控制及关键技术[J]. 四川建材， 2020（12）： 171-172.

[2]付涛. 软弱围岩条件下的公路浅埋隧道施工技术研究[J]. 四川水泥， 2020（5）： 292+278.

[3]史晓涛. 浅埋偏压软弱围岩隧道施工控制数值研究[D]. 合肥：合肥工业大学， 2020.

[4]金树坤， 李揽月. 高速公路浅埋软弱围岩隧道施工技术探讨[J]. 建材与装饰， 2020（12）： 263-264.

[5]刘钊， 王杰， 熊世洲. 高速浅埋软弱围岩隧道施工技术核心探索[J]. 工程建设与设计， 2019（17）： 247-248+251.

[6]朱孟照， 吴灵灵. 软弱围岩地质山区高速公路隧道施工技术难点分析[J]. 交通世界， 2019（24）： 120-121.

[7]周美华. 高速公路浅埋软弱围岩隧道施工技术分析[J]. 交通世界， 2019（21）： 78-79.

[8]张进贵. 探析高速公路软弱围岩双跨连拱隧道施工工艺[J]. 现代物业， 2018（4）： 226.

收稿日期：2022-03-16

作者简介：赵虎（1986—），男，本科，中级工程师，研究方向：公路工程。