隧道软岩大变形施工技术研究

谭光辉

（江西省交通投资集团项目管理公司，江西南昌 330006）

0 引言

在现代交通和基础设施建设中，隧道作为重要的交通通道和地下工程，在连接城市、提升交通效率方面发挥着关键作用。然而，隧道建设往往面临复杂多变的地质条件，其中软岩地层的大变形性质成为一项显著挑战。软岩地层的高可塑性和易变形特点，容易引发隧道变形、塌方等安全隐患，严重影响施工进展和隧道的长期稳定性。因此，为了在软岩地层中确保隧道施工的顺利进行和安全运营，应加强对隧道软岩大变形施工技术的关注。对该项技术进行相关研究，并寻找出一种全面的解决方案，以便最大限度地减少软岩地层对隧道施工带来的负面影响[1]。

1 软岩大变形隧道工程概况

位于我国南方地区的某隧道项目在地质勘查阶段发现了严重的软岩地质情况，这为项目的建设带来巨大的挑战。通过对现场情况和各项数据的综合分析，工程团队最终决定采用软岩大变形控制技术来解决这一难题。该隧道项目的总长达13500m，最大埋深超过1000m，而隧道入口处地质特点复杂，呈三层系统板岩薄层板状结构，每层厚度不超过5cm，层与层之间的结合性较差，岩层强度也相对较低，同时还含有大量地下水，且岩层的走向与隧道的挖掘方向基本一致。

2 隧道工程变形特点

该隧道项目面临着严峻的软岩变形问题，这种问题不仅呈现出迅速的发展趋势，而且变形情况无法受到有效控制。尤其在隧道开挖施工后，岩层的变化显得尤为明显。经过对隧道变形问题的综合总结与深入分析，发现其具有以下显著特征：

第一，变形过程具有极快的速度，尤其是在开挖作业后，隧道变形问题呈现出加重态势，拱顶沉降幅度急剧变化，水平位移速度迅猛，因此容易导致累积问题的出现。

第二，变形情况在不同位置上呈现出明显的差异，这种不均匀现象的存在，并不呈现对称分布，而是使局部区域受到极大影响。从实际的勘测数据可以发现整个隧道工程的左右两侧存在明显的变形差异，特别是在初期支护工作完成后对不同区域进行变形测量，更是证实了岩层变形的不均衡情况。

第三，变形现象的持续时间相当久，且难以达到稳定状态。从工程开工至竣工的全程，岩层变形一直未曾消散，且对工程产生的影响逐渐加大。

结合监测中心所获取的数据，清晰地发现隧道拱顶区域的沉降与水平位移现象尤为突出，变形速度极快。若继续施工，一旦拱顶施工完成，将引发更加严重的拱顶沉降与变形问题，会极大地危及隧道工程的质量，甚至可能引发塌方等重大安全隐患，造成严重后果[2]。

3 隧道工程变形原因分析

3.1 地质因素

该隧道项目位于我国南方地区，该地区年降雨量较高，地下水资源丰富，使得岩石容易遇水膨胀，并且膨胀情况较为显著。隧道建设区域的岩石特性颇为独特，主要以炭质板岩为主，这种岩石在水分影响下会发生化学反应，导致迅速崩解，任何与水接触的岩石都会因膨胀而体积扩大，其膨胀力也会相应增加，此现象会对初期支护结构造成显著影响。除了水的影响，地理位置也对隧道建设有着重要影响。由于隧道工程位于高原地区，高地应力对岩石产生显著作用，而岩石自身硬度不足，因此变形问题尤为严重。一旦开始吸水后，连续开挖很容易形成松动圈。设计方案选择的支护方式难以应对岩石变形所带来的影响，无法抵消因吸水引起的膨胀力。这种情况下，支护结构容易受损，从而干扰项目正常进行。此外，围岩还受到时空效应的影响，开挖过程中容易出现蠕变位移问题，随着开挖深入，问题还会逐渐加剧。受到持续的力学性质影响，岩石强度持续下降。因此，隧道工程的支护结构不仅要应对岩石自身的重力，还需承受变形压力的作用，使得现场存在较高的潜在危险性。

3.2 设计因素

在隧道项目建设过程中，周边环境的岩石状况呈现出软岩特征，这是长时间自然环境作用的结果。隧道工程现场存在的突出问题是随着施工的持续推进可能引发岩石发生塑性变形反应，导致结构严重受损，无法达到既定的设计标准。在这种情境下，最初设计的初期支护体系抗压能力不足，难以控制岩石的变形速度，因此无法满足预期运行标准。

3.3 施工因素

在隧道施工现场，存在支护结构未及时封闭或岩石裸露的情形，这将对岩石性质产生重要影响。在隧道开挖过程中，岩石裸露的情况时有出现，而施工区域地下水逐渐增多，一旦岩石与水接触，就会触发膨胀性变形反应。若在开挖后未及时封闭岩面，可能导致风化和崩解现象，从而引发超挖现象，使松动圈范围逐渐扩大。这种情况下，岩石的强度无法满足隧道工程所需，且支护效果也难以达到规定标准，这就可能导致岩石变形的加剧[3]。

4 隧道工程变形控制技术

4.1 应用超前支护技术

该隧道项目坚持不损坏围岩结构的理念，在现场施工中尽量避免造成围岩破坏的问题，防止给岩石变形带来严重的负面影响，以此加强对变形量的控制。

第一，在隧道进口部位确定施工序列，明确超前支护的实施时机。一般而言，应在开挖进口附近的地方，预先设置支护结构，确保岩体在开挖过程中得到及时支撑。

第二，根据岩体特性和地质条件，设置钢架、锚杆、网片等支护结构，以增强岩体的稳定性和强度。应根据岩体的不同变形特点，选择适当的支护方式，确保其与岩体的紧密结合。

第三，进行钻孔或凿眼作业，为支护结构的安装创造条件。根据设计要求，预先在岩体中钻孔，然后将锚杆、网片或其他支护材料插入孔中，以便将支护结构与岩体连接起来。

第四，根据设计要求和施工步骤，将预先准备好的支护材料安装在岩体上。此举可能涉及钢架的安装、锚杆的固定以及网片的铺设，因此应确保支护结构与岩体之间有着稳固的连接。

第五，进行支护结构的固定和加固，确保支护结构能够牢固地固定在岩体上，以便承受岩体变形带来的力量。此举可能需要进行锚固作业，因此应将支护结构与岩体更紧密地结合，以提升整体的稳定性。

第六，在超前支护结构完成安装和固定后，通过监测岩体的变形情况，及时了解岩体的变化趋势，判断超前支护的效果。如果发现岩体变形仍然在可控范围内，说明超前支护措施起到了预防作用。

4.2 喷射混凝土控制技术应用

由于选择使用单循环作业的方式可以避免软岩变形量过大[4]。因此，现场开挖作业环节要采取短进尺的方式，保证初步支护作业施工能够形成闭环，以此尽量减少单循环的长度，防止由于单循环作业过大而造成拱架承载压力过大的情况。

第一，选择科学的混凝土配合比，确保混凝土的强度和耐久性满足工程要求。同时,应备好喷射设备，包括喷射机、输送管道等。

第二，清理隧道壁面，确保表面光滑且无杂物。清除可能影响喷射效果的障碍物，为喷射作业创造良好的施工环境。

第三，预喷射层的作用是增加基岩与混凝土喷射层的附着力，确保喷射层能够紧密地黏附在岩壁上。因此，可通过喷射混凝土，在基岩表面形成坚实的基础层。

第四，首先需要将事先准备好的混凝土通过专用的喷射机喷射到隧道壁面上，从而形成一层均匀且紧密的混凝土覆盖层。这一层混凝土的喷射厚度通常会根据具体的设计要求和围岩条件进行确定，一般在5cm 左右。施工过程中，喷射混凝土技术的应用步骤非常关键。首先，施工人员需要确保混凝土的配合比和质量能够达到工程要求，以确保喷射后的混凝土具备足够的强度和黏结性。其次，喷射机需要准确地对准隧道壁面，以保证混凝土喷射的位置准确无误。再次，喷射过程中，施工人员需要保持一定的喷射速度和厚度，以确保能够形成均匀且紧密的混凝土覆盖层。

第五，混凝土层喷射施工完毕后，应进行养护和加固，以提高混凝土的强度和稳定性。可进行刷涂加固材料，或者进行局部修补，以便确保整个喷射混凝土层的质量[5]。

4.3 锚杆预应力技术应用

锚杆预应力技术在隧道工程变形控制中起着关键作用，通过施加预应力增强围岩的稳定性，能够抑制岩体的变形，确保隧道施工的安全和稳定。

第一，在隧道工程中，针对不同的地质条件和工程要求，设计合理的锚杆布置方案和预应力大小显得尤为重要。设计人员需要综合考虑地质情况、隧道形状、支护要求等因素，以确定最佳的锚杆布置方式。应通过分析岩体的稳定性和变形情况，计算锚杆的数量和长度，同时应合理预估预应力力量的大小，以确保锚杆能够提供足够的支护效果和变形控制能力。

第二，在锚杆预应力技术的实施过程中，保障锚杆能够牢固地嵌入岩体中至关重要。为了实现这一目标，首先需要对隧道壁面进行彻底的清理工作。具体应清除岩体表面的杂物、泥土和松散物质，为锚杆的安装创造良好的工作环境。同时，必须特别注意清除可能影响锚杆固定效果的障碍物，如大块岩石碎片或其他障碍物。以此确保锚杆的固定效果不受干扰，使其能够充分地承担预应力力量，增强围岩的稳定性。

第三，应根据预先设计的锚杆布置方案，在隧道壁面钻孔，并将锚杆嵌入孔内。通常可采用螺旋钻孔机或其他适用的设备，将锚杆牢固地固定在岩体中。

第四，通过液压泵等设备，施加预先计算好的预应力，使锚杆产生拉力，这种拉力作用于岩体，能够增强围岩的稳定性，抑制岩体的变形。需要注意的是，在施工中要根据岩体的性质和变形情况调整预应力的大小。

第五，锚杆的固定端需要保证固定在相应的位置上且不发生松动，可使用钢板、锚杆套管等设备进行固定，在钢板固定好之后，需要在锚杆上安装锚杆套管。具体操作时，首先应将锚杆从套管的一端插入，直至套管的底部与钢板平齐。其次，套管的长度要足够覆盖锚杆的一定部分，以确保锚杆在岩体内部得到有效固定。需要注意的是，一旦锚杆和套管安装好，就可以进行锚杆的固定工作。再次，在套管的另一端，可使用胶水或其他固定材料将锚杆牢固地黏结在套管内部，以此增加锚杆与套管的连接强度，防止锚杆在套管内部松动或滑动。最后，应根据设计要求，对锚杆施加预应力，预应力的大小和施加方式要根据具体情况进行调整，以保证锚杆能够有效地传递预应力到岩体中，增强支护效果。

4.4 地下冻结技术应用

地下冻结技术是一种常用于地下工程中的施工技术，其通过将地下水或土壤中的水分冻结成固态，从而形成冻结围护层，以达到支护、固结或隔离的目的。第一，在施工前，需要对地下环境进行勘查，了解地下水位、土壤特性以及可能存在的隐患。根据勘查结果，确定冻结范围、冻结深度以及所需的冻结剂。第二，在地下工程的周围区域进行钻孔施工。钻孔通常通过钻机进行，深度和数量则应根据具体工程情况而定。钻孔的作用是注入冻结剂并排除孔内空气，以确保冻结剂能够充分接触地下水或土壤。第三，将冻结剂注入钻孔中。冻结剂通常为盐水或抗冻剂混合物,冻结剂的注入会降低周围土壤或地下水的温度，使其逐渐冻结成固态。第四，冻结剂注入后，需要一定的时间来降低地下环境的温度，使其冻结成冻结体，冷却周期的长短取决于冻结剂的种类和浓度，以及地下环境的温度。第四，在冷却周期内，需要进行冻结效果的检测和监测。可以通过温度计、水位计等仪器监测地下环境的温度和水位变化，以确保冻结效果达到设计要求。在冻结体形成并达到预定的固结效果后，可以进行工程施工，如地下挖掘、基坑开挖等。冻结体将提供临时的支撑和稳定，防止周围土壤塌方或水位上升。第五，工程施工完成后，需要进行解冻处理。通过停止注入冻结剂或对周围环境加热来解冻冻结体,解冻后，地下环境将恢复到正常状态。

5 结语

综上所述，隧道工程建设施工中，极易遇到软岩大变形的情况，对现场施工造成严重的危害和影响，影响隧道施工安全性，甚至会造成严重的事故。因此，隧道软岩大变形施工中，应加强现场勘查工作、分析各种影响因素、制订完善的施工方案和措施，从而更好地提高隧道施工的安全性和稳定性，满足隧道运行标准，确保交通通行的顺畅与安全，推动我国工程领域的高质量发展。