多级围堰条件下隧道不同开挖方法对围岩稳定性影响关键技术研究

文／王磊 中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁 810000

郭旺 中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁 810000

引言：

我国疆域辽阔，地形类型较为多元，其中山川众多。在山区地带修建高速隧道之时，势必会需要大量修建隧道。截至目前，我国并未形成非常完善、先进的地下结构理论，所以无法对于隧道工程的整体性设计以及施工过程提供指导，且在施工过程之中难以避免会发生一些工程事故。为此，工程管理工作人员应当结合当地地质条件特征，选定适宜的施工技术，最大化降低对于隧道结构的稳定性所造成的影响，确保隧道在施工建设与应用的过程中可以保持较高的安全性。

1.隧道围岩的基本特性

高速公路隧道的建设十分关键。在实际的施工过程中要对其安全性问题进行详细排查。随着经济的发展和进步，高速公路隧道的安全稳定性也得到很大的提升，相关的施工单位与相关的技术人员也需要对此进行进一步的研究和分析，高速公路隧道安全性和我们的生活息息相关。技术人员在实际的工作过程中有必要就隧道不同围岩施工技术进行分析与提高。要想实际的施工技术得到一定的提升，那么从工作中进行分析是十分重要的，同时，相关的技术人员应该从当前所面临的建设问题出发，制定相关的详细的施工方案与解决问题的对策，进一步提升相关工作人员的施工技术，同时工作过程中工艺的优化也需要进一步研究和分析。只有这样，在实际的工作过程中才能实现我国高速公路隧道建设能够长期并稳定的发展和进步，进而能够可以保证工程的安全性，最大的经济效益也能长期保证。在实际的施工过程中，通过采取不同的加固的办法以及不同施工的不同对策，其能够有效地解决隧道围岩在掌子面前方所有能够发生失稳和破坏的问题。但在实际的过程中由于其破坏的过程、变形的机制以及实际的发展程度和相关范围具有一定的差异性，因此，相关的施工人员需要考虑对隧道施工安全，因为各种因素的不同，最终产生的影响同样具有差异性[1]。

1.1 隧道围岩在掌子面前方变形的现象比较严重

隧道的开挖过程中导致原始的平衡出现破坏的现象，在应力进行相应调整的过程中，隧道周围的地层逐渐的也会发生一定的变化，在实际的发展过程中逐渐向前方和地表的方向进行相关移动，超前的变形范围和变形量也会发生一定的变化，在变化的过程中主要是受到地层的条件、开挖尺度以及开挖的方法的变化，超前变形的范围逐渐扩大。一般情况下。超前变形的过程一般可分为3 个不同的阶段，即起始的变形阶段、加速变形阶段以及急剧变形阶段。如在厦门翔安海底隧道陆域段（开挖跨度约14m），在实际的发展过程中，因为有施工的扰动，在掌子面前方40m 即监测到地表的变形问题，而在30m 的地方监测出现的是拱顶下沉的现象，拱顶部位的超前变形量在60mm 的位置处，隧道围岩在掌子面前方变形的现象需高度重视。

1.2 隧道围岩在掌子面的前方出现严重性破坏

应力的释放以及变形问题的发生，急剧变形的范围逐渐扩大，在实际的施工过程中围岩也会发生强烈的的破坏，隧道和开挖面的距离并不远，因为实际的空间正在不断的扩大，围岩破坏的程度变得越来越大，上方出现冒顶以及开挖面出现鼓出的情况，如果在实际的施工过程中不能更好的进行控制，开挖面前方大范围的破坏现象将会出现，这也就是超前破坏。因为实际的破坏程度的大小是不相同的，所以接近开挖面也会出现不同的区域，例如原岩应力区、土拱承载区和松动破碎区。松动破碎区的范围对工作面的状况起到很大的决定作用。隧道围岩在掌子面的前方出现严重性破坏的问题需要高度重视，这样在实际的施工过程中才能够保证实际施工的安全，进一步保证施工单位的经济效益。相关的工作人员需要重视此方面的问题，在日常的施工中，将问题不断进行排查，避免出现不必要的损失。

2.多级围堰条件下隧道不同开挖方法

2.1 全断面开挖法

这种方法是指按照设计轮廓通过一次性爆破成形，之后进行衬砌修建。其应用的优点在于开发端面的整体性作业空间相对较大，受到的干扰较小，能够对于机械展开充分利用，减少人员工作量。其工序较小，方便对于施工过程进行施工和管理。这种方法对于隧道结构的影响性相对较小，对于围绕的扰动较少，有助于维持围岩稳定。

2.2 台阶法

在软弱围岩之中应当以其一为主，同时兼顾后者，以此来保证施工过程的安全性。在围岩地条件整体较好之时，则主要需要对于机械的作业效率进行考量，缩短施工工期，降低施工成本，因此只需考虑其二。应用台阶开挖法时，上、下部开展作业之时通常会互相干扰，且台阶开挖法虽能够增加对围岩所产生的扰动次数，但其台阶有助于隧道结构保持稳定。尤其是在上部完成开挖支护以后，下部作业开展之时就较为安全，需要注意的是，在进行下部作业之时，会对于上部的稳定性产生影响。台阶法的施工工艺到现,如今来说对于整个围岩隧道施工都是一种核心的施工技术,其中的工艺流程就是先将隧道的开挖阶段作业划分为六个开挖面,然后根据这六个开挖面进行区分,进行平行的施工,然后根据部分支护使其得到一个整体。采用台阶法进行软弱围岩地质隧道的建设,需要对于技术方法进行有效控制,以避免出现广角变形的情况,可有效提升工程质量,不仅工程效率的提高,也能够为以后安全行车带来较大的便利[2]。

2.3 环形开挖法

此方法的进尺最好控制在0.5～1m 之间，核心土的面积应当大于等于整个断面面积的一半。在开挖之后，应当及时进行施工喷锚支护以及安装钢架支撑，且相邻的钢架必须是由钢筋进行连接，并应当按照施工要求对于施工锁脚锚杆进行设计。若围岩的地质条件相对差，其自稳时间相对较短，则应当在开挖之前按照设计要求做出超前性支护。

2.4 交叉中隔壁法

这一方法适用于在软弱围岩的大跨隧道施工过程中进行应用，先对于隧道的单侧的一部分或是二部分进行开挖，待对于部分中隔壁以及横隔板完成施作之后，再对于隧道的另一侧的一部分或是二部分进行开挖，之后完成横隔板的施工过程；在此之后，再对于最先施工一侧的其余部分进行开挖，并对于中隔壁进行演唱，最后再对于另一侧的其余部分进行开挖。

3.项目概括

甬台温高速至沿海高速温岭联络线PPP 项目全线位于台州温岭市，总体自西向东走向，起于台州温岭市大溪镇，起点位于甬台温高速大溪互通北侧2.0 公里附近，起点桩号K0+000。本工程填方77 万m3，路基挖方119 万m3，隧道开挖49.5 万m3，软基处理长度主线1.78 公里，主要采用预应力管桩、素混凝土桩与泡沫混凝土处理。

4.围岩稳定性影响关键技术研究

4.1 开挖

在隧道开挖作业过程中，要确保围岩保护工作落实到位，减少误操作对整体工程项目安全效果造成的影响，规避变形问题产生的安全隐患，并且，每一层开挖的深度要贴合设计要求。

4.2 工序

在开挖操作开展过程中要按照基础工序落实具体作业内容，维持整体操作的规范性和科学性。

（1）进行上部环形土的开挖作业，并且完成初期支护准备工作。（2）在左侧进行导坑的开挖处理，准备初期支护。（3）在右侧进行导坑的开挖处理，准备初期支护。（4）预留核心土并准备支护。（5）仰拱开挖。（6）仰拱部支护。（7）仰拱回填浇筑。（8）拱墙防水板搭设以及二次衬砌。

4.3 要点

在开挖作业中，主要是借助机械设备完成开挖处理作业，因为工程项目并且属于软弱围岩，因此，积极践行“弱爆破、强支护”的原则，如需必要才使用爆破处理。

4.4 初期支护

依据工程项目实际情况选择适宜的支护处理机制，保证支护作业的综合效果。

4.4.1 锚杆支护处理

按照梅花形布置锚杆结构，并且设置对应的垫板，确保锚杆垫板和基面处于服帖状态。要依据地下水静水压力完成注浆压力的控制处理，本工程项目中，注浆压力是地下水静水压力的2 倍，同时关注岩层裂隙阻力参数，将瞬时最高压力数值控制在0.5MPa 以下。

4.4.2 工字钢拱架

在整个施工项目中，钢支撑采取的是工字钢结构，结合设计规范和设计要求完成加工焊接作业，并配合标准下料作业。要按照分节加工的方式，确保各节钢拱架结构两端均设置在连接板位置，配合高强螺栓连接作业，拼装成指定模式，并完成钢拱架结构单元的编号处理，分节分批次运输到隧道施工区域。

第一,要对整个结构的断面进行检查,在保证没有损耗的基础上完成安装作业,针对局部欠挖区域要利用人工或者是设备开展挖掘作业。

第二,在首次喷面工作结束后,安装对应的钢支撑结构,与锚杆完成焊接处理,在实际安装作业中,要确保钢支撑单元的垂直度、高程以及中线结构单元。最关键的是,每榀钢支撑结构之间要确保在环向位置设置连接钢筋,长度为1m、尺寸为22mm，并且，相邻榀钢拱架的环形结构要按照梅花型予以设置。在完成工字钢架处理工序后,才能喷射混凝土。

第三,为了维持整体工序施工的规范性和合理性,要在钢架安装作业前对安置面进行清洁处理,并完成固定操作。钢架的4 面均瑶安装锁脚锚管结构,底部开挖则要将安全性和质量作为核心,完成后立即进行底部的初期支护,确保钢架结构处于完全密封的状态。要对隧道塌方予以集中预控。不仅要完善超前地质预报工作,也要落实全过程施工监控量测分析工作,利用信息化技术完成相关情况的分析,在每一处开挖区域开挖和支护操作时都要进行地址分析。因为使用的是三台阶开挖处理,要结合开挖作业和支护作业,避免拱脚偏位等问题,维持工程项目的整体效果。当前,中国在建隧道数量和运营数量均为世界之最[3]。

5.围岩稳定性影响关键技术实际应用

5.1 对超前小导管灌注

从隧道本身的特性研究，可以发现，应用灌浆加固法对围岩的加固处理是比较科学的方法，在实际的施工过程中，施工方需要在施工中对超前小导管等进行相关应用。该隧道的实际支护施工中，小导管的选择是十分讲究的。施工方应选用3m 长、42mm 外径的小导管，导管之间的距离应该是0.4m，环形套管内部应该使用的是37 支导管，在对环形的套管实际设置的过程中，两管之间需要间隔为1.5m，而最低纵向连接的距离必须是1m，10°-15°为外插的角度，在实际的施工中，钢筋架上焊接导管末端这项工作是必不可少的。同时，在实际的施工过程中还需要对水泥砂浆进行配置。在实际的配置过程中，施工方应该保证相同的用量存在于石灰与水泥之间，同时，在其中要加上5%总重的水玻璃。压浆的过程开始前应科学设置注浆孔，在实际的施工中岩体才能够快速吸收受压后的浆液，从而能够充分保证黏结岩体破碎结构，最终整体的结构抗渗能力得到一定的提升。

5.2 初期的支护工作

在实际的喷射的过程中26cm 厚度的C20 混凝土需要应用在施工中。施工方需要安装钢拱架，安装的过程中，应分节进行相应的制作，制作中有一定的依据，主要依据的是每榀五节，其中三节需要在上层的台阶中，剩下的都是一节。

5.3 底部的仰拱工作

为了在实际的施工过程中有效地杜绝避收敛以及沉降现象的产生，施工方需要应用的方法是微台阶法，在实际的应用的过程中，为了能够早日成环，同时还想要快速构建稳定的早期的结构，施工方实施的过程中应保证封闭成环的过程是在落地中形成。另外，在施工的过程中需要重点关注的是，开挖掌子面需要同仰拱初期的支护施工的时间是同时的，不允许产生较大的单次开挖的长度，在实际的开挖的工作结束完成以后，施工方应将钢拱架设置在开挖后的路段。

5.4 衬砌工作

防水设计的关键是排水，排水和防水工作密不可分的，在实际的工作中需要提升结构自身防水的功能，同时在此基础上我们需要促使抗渗的性能以及防水性得到一定的强化，变形缝和伸缩缝也就成为了重点防范的问题。一定的空隙中一定会出现在一衬与二衬的中间，透水管的设置应该科学并合理，所以，这一缝隙中设置透水管，排水管在外墙侧中设置。

5.5 高速公路隧道浅埋段特殊围岩的施工

在实际的施工过程中如果使用TSP 超前地质预测的办法，能够有效对不良的地质体进行检测，这样在实际的施工过程中能够有效的防止对工程的安全问题产生影响，这样才能够保证隧道的地质情况准确判断[4]。

5.6 下硬上软的特殊部位

5.6.1 上台阶的开挖工作

围岩段开挖的主要施工方法是上下台阶留核心土法施工，施工时全部使用机械的方法进行工作，在实际的工作过程中绝对不能使用爆破的方法进行施工，因为爆破的方法会出现一定影响。

5.6.2 施工上台阶锚杆工作

施工方如果能够完成初喷，可以将中空注浆的锚杆进行合理设置，可以设置在围岩加强段的地方，在1m 左右的位置对环向的间距进行控制，为了能够有效的固结上层的土体，施工方可以用小导管来进行施工。

5.6.3 施工上台阶的钢筋网

施工方在实际施工的过程中要对钢筋进行选择，选择的过程也是十分重要的，可以选择一定型号的钢筋，在合适的范围内对间距进行相应的控制，通常为20cm×20cm，在30d 的范围内对网片的搭接的长度进行控制，在注浆的小导管上进行固定。

5.6.4 施工上台阶拱架

钢架可以选择I20b 工字钢，纵向的间距可以是0.5，将两个钢架利用纵向的拉杆进行链接，控制拉杆钢筋的环向的距离应该在1m 左右。对内外缘的设置应该是交错链接，在连接分节板钢筋的过程中，施工方可以使用厚度15mm、27cm×24cm 的钢板。原设计的过程中不将锁脚锚杆设计在上台阶处。

5.7 未坍塌的施工处理

塌方流出来的杂物和泥浆需要进行处理，清理的时候需要保证干净，将4-6 根钢管和6-8 根排水盲管放在塌腔的位置，并构造一个坡，坡度需要低于45°。

5.8 对裂隙发育的地方进行清理

5.8.1 合理地排水

地下水往往会存在于裂隙发育的阶段，开挖掘的时候，施工方需要利用钻机施工完成水平孔工作，将小导管放于之中，排水即可。

5.8.2 对注浆进行处理

部分水在排水小导管中排出时，将小导管布置在掌子面中，在初始的压力基础上进行注浆，并且将填充物放于其中，在此基础上可以保证围岩的稳固。

结语：

隧道的开挖环节在隧道建设施工过程中是一道非常重要的工序，开挖方法的合理性不仅能够对于隧道的整体施工进度产生影响，还会严重影响到工程整体的施工安全，因此科学学、合理地选定隧道开挖方法非常重要。为此，今后的隧道工程在建设的过程中应当着力向着这一方向进行转化，促进我国的交通运输领域朝向高速化以及重载化方向发展。