公路隧道软弱偏压大变形控制施工工法研究

张潘

摘要 针对公路隧道工程软弱围岩的变形问题，文章结合工程实例着重探讨了公路隧道软弱偏压大变形控制的施工工法。工法核心在于通过“组合支护”进行预支护，并在施工中快开挖、强支护、快封闭。峨汉高速建全村隧道通过此种施工工法取得了理想的施工效果，有效改善了围岩残余地应力高、围岩松弛、变形大等问题，施工过程中未出现明显变形，保障了公路隧道施工质量，值得同类工程参考借鉴。

关键词 公路隧道；软弱围岩；大变形控制

中图分类号 U455.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0114-03

0 引言

软弱围岩地质环境下的公路隧道工程具有较大施工难度，在施工时很可能出现偏压变形问题，影响施工质量。为应对此类问题，在施工时不仅要考虑开挖、爆破、掘进等常规隧道施工，还要尤为重视支护施工，尤其要避免出现偏压变形[1]。基于此，峨汉高速建全村隧道工程就结合软弱围岩的地质情况，提出一种基于组合支护的偏压大变形控制措施，并配合超前地质预报及监控，最大程度地防控软弱围岩公路隧道工程的偏压变形问题。

1 工程概况

在建峨汉高速建全村隧道设计为双向分离式越岭隧道，左洞全长1 451 m，最大埋深196 m；右洞全长1 442 m，最大埋深202 m。围岩为三叠系须家河组炭质页岩、粉砂质泥岩，强风化，岩体受构造挤压严重，岩体破碎～极破碎，岩质软～极软，层间结合差，地下水较发育，以滴水状～淋雨状为主。建全村隧道在施工过程中，拱部及边墙极易发生失稳和坍塌，存在塌方、大变形等地质灾害的风险。拱顶沉降最大1.15 m，边墙大变形收敛值达0.84 m以上，初期支护常发生锚喷破损、碎裂掉块、钢拱架扭曲剪断或屈服失稳，经后期围岩持续大变形，造成隧道净空大范围的侵限。建全村隧道累计换拱166 m（230榀），换拱过程中发生大型塌方2次，中小型塌方4次，变形控制过程十分困难。

2 工法特点、适用范围及工艺原理

2.1 工法特点

（1）针对隧道施工过程中初期支护出现裂损，钢拱架扭曲失效，钢架剪断，初支大变形侵限等，总结形成公路隧道软弱偏压大变形控制施工工法，优化了隧道开挖方法，并采用“组合支护”新技术有效控制了隧道软弱偏压大变形。

（2）采用偏心支护新技术后，能够很好地适应围岩变形特点，根据监控量测数据总结分析，调整左、右侧预留变形量，不但能确保二次衬砌结构混凝土厚度，而且节约了二衬混凝土。

（3）由于建全村隧道围岩软弱，受断层破碎带影响后构造应力较大，常规的锁脚及连接钢筋对钢架的约束作用不强，导致初期支护出现裂损、钢架扭曲失效等严重质量问题[2]。而采用整体式刚性锁脚及纵向工字钢连接，能有效提高初支体系承载能力，整体受力均衡。

（4）采用“长+短”锚杆柔性支护后期补强措施，能进一步增强初期支护的整体性，起到了减缓初支变形的作用，为后续施工提供了有利的作业条件。

（5）施工过程中使用的机械设备及材料均为常规材料，施工工藝操作及控制简单、易行、有效，避免了软弱围岩大变形对隧道施工过程带来的不良后果，缩短了长大隧道的施工工期，减小施工安全风险，节约了施工成本。

2.2 工艺原理

建全村隧道软岩偏压大变形控制主要采用刚性支护+偏心支护先行，“长+短”锚杆柔性支护后期补强的支护技术，同时采用大刚度整体式锁脚支护技术和型钢纵向连接，加强初期支护结构的整体性，控制隧道软弱偏压大变形，从而实现隧道结构的安全稳定。

（1）“刚性支护”钢拱架作为控制围岩变形的主要线支护结构，其刚度大（约为混凝土的10倍），抗拉强度高，一般情况下钢拱架失效后才会出现喷射混凝土的开裂和剥离，因此，为控制隧道变形，采用重型钢架和大厚度喷射混凝土支护，加大二衬混凝土结构刚度，并实现尽早闭合。

（2）“偏心支护”为适应软弱围岩大变形特点，当存在一侧变形大、另一侧变形较小时，可采取钢拱架安装中线偏移隧道中线，初期支护最终变形稳定后满足二次衬砌厚度要求。该支护方式不但适应了围岩的大变形特点，而且节约了施工成本。偏移距离的确定主要根据监控量测信息进行调整。

（3）“柔性支护”在刚性支护无法抑制围岩变形时，采用柔性支护进一步约束围岩的初期变形。根据监控量测数据或在距离掌子面约30 m后，再设置“长+短”锚杆组合补强加固围岩，有效控制软弱围岩大变形。由于软弱围岩隧道开挖后，松动圈范围较大，长锚杆打设范围尽量超过塑性区为宜。

（4）“刚性锁脚+纵向型钢连接”刚性锁脚支护技术，采用钢板作为相邻两榀钢拱架的整体连接，同时采用无缝钢管穿过连接钢板预留孔将锁脚打入岩体，并将无缝钢管与连接钢板焊接成整体，提高初支体系整体性刚度，增强初支承载能力[3]。在围岩变形很大时，除增大钢拱架型号提高钢拱架的横向刚度外，还应增加纵向连接工字钢，将多榀钢拱架连接成整体，提高初期支护的整体受力，防止围岩从两榀拱架之间挤出变形，破坏初支结构。

3 公路隧道软弱偏压大变形施工工艺流程、施工要点及注意事项

3.1 施工工艺流程

“组合支护”技术采用大刚度工字钢、偏心支护、刚性锁脚、纵向连接工字钢联合支护，根据监控量测初支变形情况采用“长+短”锚杆补强支护体系。具体参数：型钢拱架采用I20b工字钢，间距60 cm；喷射混凝土采用C25混凝土，厚度30 cm，保护层厚度5 cm，在有条件的情况下优先选择C25钢纤维混凝土，钢纤维掺入量55～65 kg/m?混凝土；采用Φ8双层钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；系统锚杆采用长3.5 mΦ25径向锚杆，纵×环向间距600 cm×120 cm；后期补强“长+短”锚杆，短锚杆可采用4.5 m长Φ42×4 mm注浆小导管，长锚杆可采用9 m长Φ32自进式锚杆，呈梅花形布设，间距80 cm；二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度50 cm。软弱大变形控制施工工艺见图1。

（1）施工准备。根据监控量测数据分析总结，确定预留变形量，再按照预留变形量及隧道设计断面图计算开挖轮廓线和钢拱架尺寸。

（2）开挖。结合超前地质预报及监控量测及时调整隧道开挖方法。公路隧道软弱偏压主要采用上下台阶预留核心土法或三台阶预留核心土法开挖。每循环开挖进尺不宜大于两榀钢拱架间距，开挖过程中尽量采用机械开挖，必须采用爆破施工时，应按照弱爆破设计基本原则：“浅眼、多孔、多段、少药、大时差”，总结归纳弱爆破施工参数，减少爆破对软弱围岩的扰动，降低爆破引起的振动速度，以减小松动圈范围，使围岩收敛尽早趋于稳定。

（3）初喷。因掌子面围岩自稳能力差，易发生掌子面挤出失稳，引起周边围岩坍塌，因此在开挖完成后应采用C25喷射混凝土对掌子面进行初喷封闭，防止掌子面滑塌，特别对于偏压严重侧围岩，喷射混凝土厚度必须达到10 cm以上，保证初期支护过程中施工作业人员的安全。

（4）测量放样。根据初期支护变形特点，结合监控量测数据确定偏心距，原则上偏压侧预留变形量应大于监控量测数据中拱顶沉降及周边收敛最大值加上10 cm，另一侧不小于监控量测数据中对应位置的预留变形量。偏心距确定后采用全站仪放样拱架中线、隧道设计中线及周边轮廓线。

（5）拱架基础布置。在开挖过程中钢拱架拱脚位置50 cm高度范围内向围岩内侧扩挖30 cm，并预留10 cm拱脚采用人工破除。清理虚渣后，在钢拱架拱脚处放置预制好的40 cm×30 cm×5 cm C20混凝土垫块，扩大拱脚接触面积。

（6）拱架安装。按照放样点及设计图纸间距安装钢拱架，安装过程中确保钢拱架的竖直度满足设计及规范要求，钢架拱脚落底牢固。拱架安装完成后沿初喷面铺设钢筋网片、偏压侧焊接纵向连接工字钢、另一侧焊接连接钢筋，并打设系统锚杆。钢筋网片应与系统锚杆及钢拱架焊接牢固，网片搭接长度不得小于30 d，且不小于一个网格长边尺寸。纵向连接工字钢呈梅花形布设，间距1 m，焊接在相邻两榀工字钢腹板之间，连接工字钢型号应小于钢拱架腹板宽度。

（7）刚性锁脚。钢拱架安装完成后，在锁脚位置纵向连接工字钢腹板上割孔，采用风动凿岩机穿过纵向连接工字钢钻孔。钻孔结束后为防止塌孔，需立即安装小导管。小导管安装采用风动凿岩机送入，确保小导管长度满足要求。小导管安装完成后，采用人工将加工好的纵向连接钢板套住锁脚锚管并与两侧钢拱架焊接，使锁脚锚管、钢拱架和纵向连接工字钢形成整体。

（8）复喷。钢拱架安装完成后，经检验合格，进行C25喷射混凝土施工。喷射混凝土施工采用湿喷工艺，喷射时操作手应确保喷射角度与岩面垂直，自下而上呈“S”型两侧对称进行。钢拱架拱脚扩挖部位及钢架与围岩之间间隙必须喷射密实，并保证钢拱架临空侧5 cm保护层厚度。

（9）“长+短”锚杆支护补强。软弱围岩隧道开挖后，松动圈范围较大，长锚杆打设范围尽量超过塑性区为宜。为便于施工，短锚杆可采用4.5 m长Φ42注浆小导管，长锚杆可采用9 m长Φ32自进式锚杆，呈梅花形布设，间距0.8 m，对初期支护补强。利用“长+短”锚杆组合补强的方式应根据监控量测数据进行确定，当初支变形量超过预留变形量的2/3时，分阶段地提高支护刚度来控制位移，使隧道趋于稳定。“长+短”锚杆施作时采用风动凿岩机或锚杆机紧贴钢拱架垂直于岩面布设[4]。

3.2 施工要点

软弱围岩隧道开挖后，变形发展很快，掌子面前方先行位移、掌子面挤出位移以及掌子面后方位移都在发展，施工过程中主要通过“预支护、快开挖、强支护、快封闭”的措施进行施工，要求在距离掌子面2～3倍开挖宽度范围内闭合初期支护，大幅度地缩短断面闭合时间，虽然对后续作业有一定影响，但能有效控制围岩的大变形。

3.2.1 加强超前地质预报及监控量测

（1）超前地质预报。对于软弱围岩隧道地质情况复杂段，在掌子面开挖前应采用多种超前地质预报手段（地震波法、瞬变电磁仪、超前地质钻孔）探明掌子面前方岩体状况，根据预报结果及时调整施工方法及支护参数，做好相应的准备工作。

（2）监控量测。控量测是软弱围岩隧道施工的关键，特别是拱顶下沉和周边收敛监测，通过收集围岩变形信息，判断支护体系的稳定状态、支护结构参数和施工方法的合理性，并根据监控量测数据确定预留变形量大小、调整初期支护参数及二次衬砌施作时机。

3.2.2 预留足够变形量

软弱围岩隧道开挖应结合监控量测数据和施工经验，预留足够的变形量，避免初期支护侵限造成二次扩挖换拱，不但增加施工安全风险，而且严重影响工期，增加施工成本。在围岩变形非对称的情况下，可根据实际变形情况及规律调整左右侧预留变形量，对应变形较小一侧预留变形量适当減小，变形大一侧预留变形量增加。

3.2.3 加强刚性锁脚锚管的施作

锁脚锚管打设高度不得超过钢拱架拱脚50 cm，并外露20 cm，便于与连接钢板焊接。纵向连接工字钢和钢拱架之间、连接钢板和锁脚锚管之间的连接必须满焊，保证焊接质量满足设计及规范要求。钻孔要从连接工字钢预留孔钻入，保证打设角度15～30°，钻孔深度必须满足要求，钻孔结束后及时采用风动凿岩机将管体送入孔内，并填塞锚固剂。

3.3 注意事项

（1）掌子面开挖后，应及时向掌子面裸露的围岩喷射混凝土，以减少围岩的裸露时间，避免围岩的风化和松动。

（2）做好洞内防排水措施，在隧道开挖后，围岩表面渗水量较大的部位，先找准出水点，钻10～50 cm深集水孔，孔内插入导水管，然后在该渗水区域，围绕导水管，喷射混凝土。完成初期支护后出现渗水，及时在初期支护表面渗水区域打设Φ42小导管（50～100 cm），并采用防水板制作成“Ω”型引排。

（3）围岩松散破碎的情况下，保证掌子面稳定至关重要。应控制开挖进尺（每循环以不超过两榀为宜），加强超前支护措施，保证超前支护施作质量，并尽可能地预留核心土，对掌子面起到支撑作用，防止掌子面挤压变形发生坍塌。

（4）开挖后尽快施加钢拱架、锚杆、钢筋网和喷射混凝土联合支护，应尽量提高初支的刚度和强度，特别是初期支护之间的紧密连接，使其形成整体性的初期支护。同时，二衬能提供强大的支护阻力，为围岩提供很大的围压，且2倍洞径内施加二衬更有效，因此在条件允许的情况下应尽早施作二衬。

（5）软弱偏压大变形隧道施工质量控制主要利用监控量测手段监控和指导施工，确保支护参数的合理性。支护完成后，紧跟初期支护布设监控量测断面，及时了解围岩变化情况，为后续施工提供数据。

（6）软弱大变形隧道施工过程中的安全隐患重点在掌子面出现渗水后围岩发生变形，严重影响开挖和支护施工。已支护段初期支护出现裂损、钢拱架扭曲失效、钢架剪断等病害，需采取初支加固过程的施工以及初支侵限需二次扩挖换拱施工。

4 结语

该工法是对四川公路桥梁建设集团有限公司峨眉至汉源高速公路2标段14分部隧道施工技术实践应用的总结。该工法采用“组合支护”技术，能有效控制隧道软弱偏压大变形。实践证明，该工法安全可靠，操作简单，确保了施工质量，加快了施工进度，有效保障了施工安全，具有广阔的应用前景，社会效益和经济效益突出。

参考文献

[1]张龙生， 何慧兵. 浅埋软弱围岩隧道大变形施工控制技术研究[J]. 黑龙江交通科技， 2017（12）： 163-164+167.

[2]陈俊权. 公路隧道软弱围岩大变形处治对策[J]. 公路交通技术， 2018（5）： 106-112.

[3]柴聪斌. 软弱夹层隧道实测支护结构受力及变形规律研究[J]. 国防交通工程与技术， 2019（6）： 36-40.

[4]祁宝贵. 软弱围岩隧道变形特性及控制措施[J]. 铁道建筑， 2019（10）： 80-83.