软岩隧道初期支护设计与施工技术研究

杨 丽

（山西省公路局，山西 太原 030002）

0 引言

隧道施工现场的软岩缺乏自稳能力，加之隧道施工的扰动作用，可能存在变形破坏甚至塌方等隐患，若缺乏行之有效的控制措施，还易诱发大范围的安全事故。为在安全的环境中高效完成隧道的建设工作，可从软岩特性出发，采用合理的初期支护措施，提升围岩的稳定性。本文就软岩隧道初期支护的设计与施工技术进行分析研究。

1 工程地质概况

1.1 隧道工程简介

某标段重点工程为黄岩隧道，隧道左线里程为ZK17+083～ZK20+375，全长3292m；右线里程为K17+085～K20+350，全长3265m，其中Ⅲ级围岩580m，Ⅳ级围岩3550m，Ⅴ级围岩2427m，Ⅳ级和Ⅴ级围岩占隧道全长的91.2%。黄岩隧道为标段内最长隧道，也是本标段项目的控制性工程，该隧道主要施工内容包括主线隧道、人行横通道、车行横通道、洞内路面、配套附属设施等。隧道进出口的便道较长，地势陡峭，不易修筑，场站建设难度较大。

1.2 工程地质条件

隧道围岩主要以奥陶系中统上马家沟组（O2s）灰岩、白云质灰岩以及奥陶系中统下马家沟组（O2x）泥灰岩、含白云质石膏岩和灰岩为主。围岩中的含白云质石膏岩强度较低，取样试验软化系数为0.78，饱和抗压强度试验结果12～20MPa，为软岩或较软岩，稳定性较差。隧道围岩岩性变化大，围岩整体破碎。隧道内水文地质较为简单，主要水文控制因素为地形起伏、风化壳厚度以及隧道埋深等。

2 软岩隧道初期支护设计思路与设计方案

2.1 初期支护设计思路

根据隧道围岩的具体情况，初期支护主要采用打设锚杆和喷射混凝土联合支护的方式。局部围岩性质明显较弱时，采用打设锚杆加钢筋网和喷射混凝土联合支护的方式，设计完善的支护结构体系，强化支护效果。喷锚支护结构稳定性好，可承受源自于围岩的变形压力，提高围岩的自承能力，维持围岩的稳定性。但喷锚支护存在特定的适用范围，需根据现场施工条件适时优化支护方案，例如喷锚支护在软弱破碎严重的Ⅴ级围岩中缺乏可行性，为确保开挖后早期支护结构有足够的刚度，可采用钢筋格栅加喷锚支护的综合支护方案，其中钢筋格栅可抵抗岩石塌落，维持围岩的稳定性，并承受冲击荷载，避免围岩过度变形。

2.2 初期支护设计方案

在本标段隧道施工中，采用“中空注浆锚杆+药卷锚杆+砂浆锚杆+钢筋网片+型钢钢架+喷射混凝土”的初期支护方案。根据开挖进度及时施作初期支护，尽快封闭围岩，以防围岩长时间在环境中暴露而松弛剥落。于洞外构件加工厂提前加工初期支护所需的钢架、钢筋网、锚杆，钢架构件进场后由人工安装成型并挂设钢筋网，于现场适配风洞凿岩机，用于打设锚杆，待各类基础构件均设置到位后，用湿喷机喷射混凝土。

3 软岩隧道初期支护施工技术分析

3.1 初期支护施工流程

初期支护施工流程如图1所示。

图1 初期支护喷锚工艺流程图

3.2 初期支护施工技术要点

3.2.1 锚杆施工技术要点

（1）药卷锚杆施工技术要点。

本标段隧道SFH5a和SFH5b段，锚杆均采用Ф25药卷锚杆，具体布置形式根据围岩不同纵向和环向间距均不同，严格按照设计图纸要求进行施作。

药卷锚杆严格按设计要求进行施工，于围岩上确定锚杆孔位，设置清晰的标记；根据孔位测放结果安排钻机就位，调整好钻机的作业姿态，使钻机按照特定的钻孔角度进行钻进作业。围岩较完整时，沿着与开挖轮廓线垂直的方向钻孔；围岩完整性欠佳、节理较发育时，沿着垂直于岩面的方向钻孔，同时还需做到与岩层面保持垂直。在保证锚杆间距无误的前提下，视现场钻孔情况调整锚杆孔位和方向，尽可能避开裂隙以及软弱夹层。钻孔期间加强对孔位、钻孔深度、钻孔方向各项指标的检测与控制，钻孔后清理孔内杂物，检查成孔质量，不达标者及时安排补钻。检查孔达到标准后，装入药卷，安插锚杆。

（2）中空注浆锚杆施工技术要点。

本标段隧道SF5a和SF5b段，锚杆均采用Ф25中空注浆锚杆，具体布置形式根据围岩不同纵向和环向间距均不同，严格按照设计图纸要求进行施作。

中空注浆锚杆制作不低于设计要求，且所有锚杆端头均设置垫板，锚杆注浆达到设计要求，垫板采用A3钢。中空注浆锚杆与药卷锚杆钻孔要求一致，施工方法基本相同，只不过药卷锚杆清孔后先装入药卷再安插锚杆，而中空注浆锚杆是清孔后先安插锚杆，再进行锚杆注浆。但需注意以下事项：第一，施工现场存在软岩时，可能会因岩体注水过多而导致围岩面失稳甚至滑坍，为此需环向隔开一定距离隔孔钻进，减小钻孔产生的扰动作用；第二，按照配合比取用材料，保证原材质量和用量的合理性，浆液随拌随用；第三，止浆塞打入孔口的深度不少于10cm，周边孔隙在排气结束后用快凝水泥砂浆封闭，避免浆液经由缝隙窜出；第四，注浆压力应严格按照设计要求，注浆饱和。

（3）砂浆锚杆施工技术要点。

本标段隧道SF4b和SF4c段，锚杆采用长度为3m的Ф22早强砂浆锚杆，环向间距100cm×120cm，纵向间距120cm×120cm。

钻孔前，根据设计图纸确定锚杆孔位，在围岩上设置清晰的标记；安排钻机就位，调整钻机的姿态，保证钻孔角度的合理性。钻进范围内存在裂隙或软弱夹层时，在不影响锚杆间距的前提下对锚杆钻孔和方向进行调整，以便钻进作业的顺利进行。钻孔过程中加强检查，加强动态管控。钻孔期间产生的粉尘及其它杂物将堆积在孔内，钻孔完成后及时清理干净，并检查锚杆孔径、孔深、钻孔方向，某项或多项指标不满足要求时尽快安排补钻。确认各钻孔均无质量问题后，向其中灌注砂浆。注浆遵循连续性原则，由于材料供应中断、注浆设备异常或其它原因导致中途间歇时间超过30min时，用水润滑灌浆罐及管路，避免装置内的浆液发生固结。灌浆采取压力注浆的方法，孔口压力不超过0.4MPa，注浆管与孔底的距离保持在5～10cm。根据浆液灌注进度缓慢拔出注浆管，注浆结束后，随即将配套的锚杆安插到位。

3.2.2 钢筋网片施工技术要点

于洞外加工厂制作Ф8@20×20和Ф8@25×25两种类型的钢筋网。钢筋原材料需经过冷拉调直处理，使用钢筋前检查表面是否存在油污、裂纹、锈蚀等杂物，做好清理、除锈等相关准备工作，确认无误后方可投入使用。

现场安装时，采取焊接的连接方法，搭接长度取1～2个网格。根据受喷面的形态调整钢筋网，保证两者的间隙始终不超过3cm。钢筋网与锚杆稳固连接，确保喷射混凝土时无偏位现象。混凝土喷射初期，喷头与受喷面保持较近的距离，喷射完成后，成型的钢筋混凝土保护层厚度不小于5cm。喷射期间遇到混凝土被钢筋网卡住的情况时，需及时清理，以免影响喷射施工的顺利进行。

3.2.3 型钢钢架施工技术要点

（1）施工工艺流程。

型钢钢架施工集多道流程于一体，如图2所示。

图2 型钢钢架施工工艺流程图

（2）型钢钢架加工要点。

在洞外规划加工厂钢板作业平台，在此平台上放出钢架的大样图，焊接短钢筋以形成钢架加工大样，再向其中置入提前弯制成型的钢架单元。钢架加工涉及到较多的焊接作业，需统一由具有资质的焊工负责，焊接后不出现裂纹、虚焊等问题。每结束一榀钢架的加工后，转至平整、稳定的地面试拼，要求平面翘曲＜2cm、拼装误差不超过±3cm。待开挖完成或混凝土喷射结束后，将成型钢架架设到位。

（3）钢架架设要点。

底脚处的杂物需被清理干净，以便平稳安装钢架。钢架的垂直度误差不超过±2°，钢架间距、横向位置和高程的偏差均不超过±5cm。在开挖面以外的区域拼装钢架，相邻两节钢架用螺栓连接，保证连接的紧密性与稳定性。钢架底脚置于坚实且平整的基础上，钢架之间按设计纵向连接，布设到位的钢架尽可能与围岩紧密贴合，确认钢架布设位置无误后与锚杆焊接至一体。多步开挖施工时，为避免拱架下沉，在拱脚部位打设锁脚锚杆，强化支护效果。钢架与围岩间存在不同程度的间隙，以喷射混凝土的方法做填充处理，经过混凝土喷射作业后，钢架不可裸露至外界。

3.2.4 喷射混凝土施工技术要点

根据喷射施工要求在洞外拌制混凝土，运至现场后进行湿式喷射混凝土，此方法可减少混凝土的回弹量，保证喷射的有效性，同时避免混凝土喷射过程中产生过量的粉尘，对生态环境和施工人员的身心健康均较为友好。湿喷混凝土施工流程，如图3所示。

图3 湿喷混凝土施工工艺流程图

（1）喷射支护前，用高压风清理杂物，局部水量较大时加强引排水，以防水的混入而影响混凝土的性能。

（2）喷射前检查待使用的喷射设备，同时要求通风、照明等辅助设施均配置到位。

（3）为控制喷射混凝土的厚度，在岩面上打入钢筋，标出刻度。为避免超粒径的粗骨料被投入使用而引发堵管问题，拌和前进行过筛；细骨料到场后存放于指定位置，采取防雨措施，避免含水量异常。

（4）喷射机就位，于料斗上安装筛孔为10mm的振动筛，拦截超粒径的骨料。

（5）喷射混凝土时，开启计量泵后再送风，风压稳定在0.45～0.70MPa，风压过小将导致喷射动能不足，局部难以被混凝土有效填充，粗骨料由于无法进入砂浆层而脱落；风压过大，有明显的粗骨料回弹现象。喷射压力的控制遵循动态化原则，根据现场施工情况而定，但必须确保混凝土回弹小、易粘着、表面湿润且光泽。喷射方向与受喷面垂直，喷头与岩面方向垂直，喷射距离维持稳定。喷射角度可根据受喷面的情况灵活地调整，例如钢架、钢筋网覆盖受喷面时，可适当偏斜喷射，但不可小于70°。混凝土喷射以循序渐进的方式进行，单次喷射厚度不大于5～6cm。若喷射厚度过小，粗骨料易被弹回，影响喷射结构的质量；喷射厚度过大时，拱顶喷层与围岩面存在明显的空隙，密实性不足，或由于自重作用而导致局部脱落。分多层有序喷射，直至达到设计厚度为止，相邻两层的喷射间隔时间控制在15～20min。

（6）喷射作业分片进行，针对各部分采取质量控制措施。按照自下而上的顺序喷射，喷射料束呈“S”形运动。为保证喷射的有效性，先找平受喷面的凹陷部位，再以螺旋形运动的方式操控喷头，保证喷射面层的密实性与平整性。

（7）紧跟开挖掌子面进行混凝土的喷射，部分区域的围岩稳定性欠佳且围岩破碎时，为兼顾开挖有效性和围岩稳定性的要求，采取小药量松动爆破的方法，连续进行初喷、锚杆打设、钢筋网铺设、钢架布设、复喷等施工作业。钢架架设成型后，尽快喷射混凝土，通过钢架和混凝土的联合应用，有效发挥出支护作用。现场的围岩完整同时稳定性较佳时，先将初喷、锚杆打设、钢筋网铺设等工作落实到位，再开挖，随施工进程的推进，到达下一循环初期支护时再安排复喷，直至达到设计厚度要求为止。每层间隔为一循环时间，在下一次混凝土喷射时恰好可填充前一次爆破产生的裂纹，有效维持开挖的稳定性和安全性。

3.3 初期支护施工要求

（1）根据隧道初期支护施工要求做好基础设施的配置工作，包含消防供电、照明等设施，为正式施工打下良好的基础。

（2）全面清理边墙基底虚碴、基坑积水，避免混凝土干拌和物中存在积水。按设计要求控制边墙基底的埋置深度，维持边墙的稳定性，期间根据边墙施工进度适时完成基础扩大部分的施工（一次施作成型）。

（3）复合式衬砌施工前、初期支护基本稳定后，开始铺设防水层、顶埋排水管。混凝土浇筑时注重防护，以免防水层受损。

（4）衬砌施工应适时进行，具体根据支护布设情况和围岩稳定程度而定。开挖爆破时加强防护，确保已成型的衬砌结构不出现损伤。

4 结束语

综上所述，初期支护是维持隧道围岩稳定、保障施工安全的重要结构，设计人员和施工人员需予以高度重视，应根据围岩特性、隧道质量要求等选择合适的初期支护方案，有序施工，保证初期支护的有效性。实践证明，初期对支护结构合理科学的设计与实施，能营造出安全的施工环境，能确保隧道施工的顺利推进。