公路隧道软岩大变形及支护施工技术

何成素

(中铁建云南投资有限公司，云南 昆明 650000)

1 工程概况

木寨岭公路隧道位于甘肃省岷县梅川镇，采用分离式结构，进出、出口分别设置为削竹式、端墙式。左线长15 221 m，右线长15 163 m，设置3条施工配套斜井装置，并基于现场通风条件采取针对性的纵向射流通风措施，以此改善隧道内部的施工环境。此外，配套照明、消防及监控设施，提供基础条件保障。隧址穿越多条折皱、断裂构造区域，隧道主要以炭质页岩、板岩为主，隧道部分段落炭质板岩段存在高地应力、大变形特征，遇水易崩解软化，围岩稳定性极差，缺乏足够的自稳能力，是施工中的主要干扰因素。

2 公路隧道软弱围岩变形特征

1)软岩隧道变形的持续时间较长，产生的塑性变形量较大。

2)围岩变形的流变特征突出，时间效应和空间效应均较为明显，产生的变形量持续积累，难以有效收敛，因此有垮塌的风险。

3)软岩对卸荷松动、施工震动的抵抗能力不足，加之隧道开挖等环节的扰动性影响，将加剧围岩的变形量。

4)隧道围岩变形具有并发性，例如出现拱顶下沉、边墙收敛、隧道坍塌、喷射混凝土开裂，环、纵向裂缝，拱架内鼓、扭曲等问题，明显加大工程施工难度，潜在诸多质量隐患和安全隐患。

3 公路隧道软岩大变形支护施工技术

3.1 大变形体征

木寨岭隧道自2016年7月以来，大部分地段出现大变形，最大变形达1 062 mm，最大变形速率达150 mm/d，喷混凝土剥落，拱架扭曲，初支结构破坏严重。对于大变形段进行了大范围拆换拱架，局部地段甚至多次拆换，10个月仅完成开挖支护200余m。

3.2 变形成因及影响因素

1)岩性的影响因素。该地段炭质板岩板状构造，变晶结构，主要成分砂质、钙质、炭质、铁质等，含石英细粒，裂隙、节理发育，遇水易软化，微膨胀。炭质板岩的力学特点及微膨胀性，导致隧道开挖形成临空面后，岩体易发生塑性变形而挤入隧道，加大支护结构的荷载，从而诱发大变形。

2)支护参数对变形的影响。现场实践证明，在符合大变形岩性特征地段采用常规支护参数的结构大都发生了大变形现象，经现场试验采用加大刚架型号、优化断面形式等加强措施后，变形控制情况有较大改善，部分地段由于变形持续发展突破限值后，经采取套拱或拆换拱架等措施后大多趋于稳定。

3)地下水对变形的影响。由于地下水在软岩中的出露会加速岩体的崩解，迅速降低其承载力，因此地下水发育软岩地段变形速率和变形量都较大，地下水对变形影响显著。

4)施工工艺的影响。施工过程中，初期支护施工工艺也是变形控制的影响因素之一，拱架安设不平顺、连接不牢固、超挖及锚杆、喷射混凝土等都会对变形发展起到推波助澜的作用。

综上所述，大变形产生的原因由多种因素组成，可以总结如下：①高地应力、软岩是挤压性变形的内因；②施工扰动是挤压性变形的外因；③支护强度不足、施工工艺控制不力是产生挤压大变形的直接原因；④挤压现象实质是一种变形速率快、收敛速率慢的岩体非线性流变，黏塑性变形导致岩体长期强度值降低；⑤高地应力软岩应力扩容膨胀是挤压变性的重要组成部分，而软岩物化膨胀加剧了隧道挤压变形；⑥水的弱化作用不可忽视。

3.3 施工过程控制

结合前期斜井及正洞变形段实际情况，根据现场试验及科研阶段成果，针对支护参数、施工工艺控制、工法等进行了分阶段调整与优化，以避免侵限，杜绝拆换。支护参数在斜井工程实践和试验研究中逐步优化。

第一次：I18拱架全环设置，系统锚杆3.5 m，喷射混凝土23 cm，超前小导管4 m，仰拱45 cm，C35钢筋混凝土。炭质板岩多为薄层，强风化，局部中厚层，岩体破碎，褶皱扭曲，局部渗水，I8型钢拱架应用初期变形基本可控，随着斜井深入及地质恶化变形逐渐增大。本段平均变形161.63 mm，最大变形378.81 mm(K0+250—300)，72个量测断面中收敛变形大于150 mm的断面有37个，占51.39%。初支拱架封闭成环，局部围岩较差地段采用I20b型钢拱架，及时封闭变形为150～200 mm，加强监测，及时注浆，增设锚杆变形>200 mm，增设套拱。

第二次：I20b拱架全环设置，拱部：3.5～4 m，Φ22 mm组合中空锚杆，边墙：3.5～4 m，长4 m、Φ22 mm全长粘结型砂浆锚杆，C35钢筋混凝土。炭质板岩，弱风化，薄层，局部中厚层，岩体破碎，地下水发育，最大涌水量25～26 m3/h。炭质板岩遇水后力学性能大幅下降，围岩极易发生变形、坍塌、掉块。(K0+350—450)段初支以I20b型钢为主，水平收敛变形超150 mm的段落长达105 m，二次支护段落长84 m，前期变形发展迅速，经二次支护后变形基本得以有效控制。

第三次：H150拱架全环设置，拱部：长4 m、Φ22组合中空锚杆，边墙：长4 m、Φ22全长粘结型砂浆锚杆C35钢筋混凝土。随着隧道埋深增加，围岩压力进一步增大，同时出现泥化夹层，导致围岩整体稳定性降低。以全环H150型钢拱架为主，平均变形271.43 mm，前期，斜(K0+550—600)段变形超150 mm段落长165 m，套拱段长50 m，变形基本可控；进入斜145～070斜后，变形呈增大趋势，经采取加强措施后变形仍未有效控制，套拱长度60 m。

第四次：HW175型拱架全环设置，间距0.5～0.8 m，拱部：长4 m、Φ22 mm组合中空锚杆，边墙：长4 m、Φ22全长粘结型砂浆锚杆C35钢筋混凝土。斜(K1+210-790)副联段以炭质板岩为主，弱风化～强风化，局部夹砂岩，褶皱扭曲，局部有黑色软泥夹层及渗水鉴于前段大变形，采用正洞断面进行模拟试验。由于临近正洞，地质极差，施工过程中变形仍较大，平均变形达379.77 mm，最大变形726.44 mm斜(K1+310—400)，局部拆换拱。通过该试验段，对早高强混凝土、深孔锚杆等变形控制措施进行了试验，并取得了较好效果，确定了正洞软岩段支护参数以HW175型钢拱架为主的总体思路。

经过几个阶段的调整与优化，变形控制逐渐由前期的“被动抗”转变为“主动控”，大部分地段的变形得到了较为有效的控制，施工生产也逐步稳定。

3.4 隧道支护

3.4.1 支护形式

1)加强锁脚及锁固。施工中上台阶变形最大，往往呈现出初期变形快的特点，导致上中台阶拱架连接困难，进一步加剧变形发展。上台阶拱脚初期变形为变形控制的重点，必须加强锁脚，必要时可增至2～3组(2根/组)

2)锁固锚杆。由于拱脚处经锁脚锚杆约束，致使该处应力过于集中，往往出现拱架节点破坏，因此，同时设置拱架锁固锚杆于拱架连接板之间，并固定于拱架上，使拱架受力更趋均匀，避免拱架节点处因应力集中而破坏。

3)径向注浆。鉴于炭质板岩或板岩原状地层可注性不强，开挖后仅施作注浆管，据变形情况适时注浆补强，达到较理想的效果。通常大变形地段，将其纳入工序根据变形等级管理，在变形达到一定程度时适时注浆，既具有一定的可注性，又可最大程度遏制变形。

4)长锚杆。结合松动圈测试及施工实践，大变形地段采用7 m长自进式锚杆，以加强拱架与围岩的连接力，与拱架、锁脚、注浆等措施共同形成初期支护体系。一般设置于边墙位置，双线隧道必要时设置为锁脚锚杆，水平向下打设。采用自进式，工效较低，对施工影响大，通过锚杆钻机调研及改装，在木寨岭隧道2#斜井进行了试验，工效得到了一定的提高；统筹安排工序作业，可与立拱与锚喷平行作业，尽量减少对施工的影响。

5)临时横撑。施工中严格按变形控制标准适时施作，使受扰动围岩在横撑的约束下尽快完成应力调整达到新的平衡，同时为其他补强措施争取时间，避免拆换，拆除前应进行注浆补强。

6)工法、工艺控制。考虑到H175型钢重量大、两台阶施工时间长等因素，现场开挖以三台阶为主，台阶长度5 m左右，必要时上台阶预留核心土，可做到快封闭。工序化注浆，注浆补强纳入工序管理，在上、中台阶拱架安设后施作边墙径向注浆管，既避免了后期钻设注浆管无作业平台的困难，还能保证注浆作业及时进行。

3.4.2 二次支护施工时间的选择

软岩隧道二衬施工时间的选择尤为重要，通常在围岩应力、塑性区及变形速率趋于稳定后施工二次支护结构，原因在于此时围岩的膨胀变形在前期已经经过充分的释放，围岩所具备的承载力无明显损失，整个围岩的稳定状态相对较好(进入等速蠕变阶段)。可根据隧道表面位移监测数据而定，根据数据做出判断，待表面位移速率趋于平缓时施作二次支护。

3.4.3 隧道支护注意事项

1)开挖后随即初喷混凝土，严格控制开挖间距，从而封闭围岩。随后，按照要求将锚杆、钢筋网及钢架设置到位，再以分层的方式复喷。

2)各系统锚杆处均配套合适尺寸的钢垫板，并以焊接的方法将其与钢筋网、钢架稳定结合于一体，提高整体稳定性，避免偏位。

3)有效处理钢架接头，避免接头布设在同一截面钢架拱部节点受力薄弱处。

4)施工中充分考虑各向异性，针对薄弱部位做补强处理，提高整体稳定性。软弱围岩的变形以及受损最初见于某处或多处，后续将由于控制不当而向周边扩展，从而破坏整个支护体系的稳定性。因此，隧道开挖后随即加强地质检查，对岩体变形破坏的主要因素做出判断，识别隧道应力集中的区域，再对此类部位采取加强支护措施，消除应力集中所造成的不良影响。

5)注浆也是隧道施工中的重点环节，在完成注浆作业后可借助浆液封堵围岩裂隙，消除水的渗漏通道，以免因渗漏水而破坏软弱围岩的稳定性。针对活动断裂带，处理时可采取帷幕注浆的方法，使得围岩堵水加固效果突出。

3.5 大变形控制关键技术

坚持“以抗为主，控放结合”的原则，木寨岭隧道以大刚度的H175型钢拱架为主，结合围岩地质变化适度调整拱架间距和预留变形量，按照变形管理等级，适时施作注浆补强、长锚杆、锁脚与锁固锚杆、临时横撑等各项控变措施。

1)结合量测数据分析与地质情况预测变形发展，按照变形控制工艺要求及时施作各项措施，并对变形趋势异常之处提高管理等级，以此提高支护刚度来降低隧道位移。

2)拱部钢管棚注浆加固地层并超前支护，拱墙设系统长锚杆，锚杆采用加长中空注浆锚杆，必要时采用长预应力径向锚杆；掌子面正面喷射混凝土封闭，架设全环钢架、挂网喷锚加强支护，采用锚、注、喷一体化围岩加固-支护系统，设底部横撑或临时仰拱，提高隧道抗挤压，抗变形的强度。严格按超前及初期支护设计进行施工。

3)加大预留变形量。为了防止喷层变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时加大预留变形量，另外采取了不均衡预留变形量技术[1]。

4)施工支护采用“先柔后刚、先放后抗、刚柔并济”原则，使初期支护能适应大变形的特点。

5)及时封闭仰拱特别是仰拱初支，是减小变形、提高围岩稳定性的措施之一；另外加大仰拱厚度，增大仰拱曲率，也有利于改善受力状况。

6)根据隧道始终存在顺层偏压的特点和顺层岩层施工力学行为分析，确定地质顺层情况下岩石倾角对隧道稳定性的影响，采取了不均衡预留变形量技术，不对称支护措施，短进尺，微震爆破开挖，防坍塌。强支护，快封闭，仰拱紧跟对稳定支护的作用很大，保持仰拱、二次衬砌紧跟，尽量缩短仰拱、二衬到掌子面步距。采用间隔空眼、微差爆破技术以及左右侧不均衡装药爆破技术，尽量减少对围岩的扰动[2]。

7)全过程实施施工地质超前预报工作。综合应用超前钻孔探测、TSP203地质预报系统等多种方法，从地层特性、结构面特征、围岩应力、地下水四个角度切入，系统性分析各自对隧道稳定性的影响。对于可溶岩地段断层、高压富水地段等性质较为特殊、脆弱性较强的部分则加大探测力度，准确掌握实际情况[3]。对于高地应力软弱围岩，规范探测方法、准确分析，进行围岩级别的判定与修正，根据所掌握的信息判断围岩级别的具体特征，据此组织设计工作。

8)加强围岩监控量测。以软岩变形监测数据为主要的分析对象，综合考虑围岩的特性以及变形特征，建立具有适用性的围岩变形管理基准作为工作的引导。从监控量测数据出发，判断隧道的稳定程度，同时基于数据做动态化的设计，确保成型的设计方案与现场地质条件相适应，在监控量测数据发生变化后适时调整设计参数。

4 结 语

软弱围岩地质条件特殊，加强处理具有必要性。通过本文有关工程实例的分析，提出了软弱围岩大变形的基本特点，并阐述了实际施工中应注重的关键支护技术要点，希望本文内容可以给类似工程提供参考，以此充分保证公路隧道施工安全，在此前提下达到提质量、增效率、创效益的效果。

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