高速公路浅埋软弱围岩大变形隧道施工控制技术

产业科技创新　Industrial Technology Innovation 56Vol.2　No.32
高速公路浅埋软弱围岩大变形隧道施工控制技术
罗　江
（中铁一局集团第五工程有限公司，陕西　宝鸡　721000）
摘要：高速公路建设环境复杂，当遇浅埋软弱围岩时，会在施工的扰动性影响下易出现变形现象，因此需采取针对
性的控制技术。

鉴于此，文章以隧道工程为例展开分析，并根据浅埋软弱围岩大变形隧道的实际情况，在采取初支外侧增设护拱、优化工字钢的规格、增加初支喷射混凝土的厚度、增加二衬厚度、加强监控量测等手段后，有效解决了软弱围岩大变形的问题，能够给隧道施工创设良好的条件。

关键词：公路隧道；软弱围岩；大变形；处治技术
中图分类号：U455　文献标识码：A 文章编号：2096-6164（2020）32-0056-02
1　工程概况
本项目施工里程为K29+600～K36+630，全长7.03 km，其中齐云隧道为特长隧道，左幅起讫里程K32+097～K36+630，长4 533 m ；右幅起讫里程K32+055～K36+585，长4 530 m。

隧道施工现场的围岩有两类，即Ⅳ、Ⅴ级围岩，自稳能力不足，易在施工期间发生变形现象；并且，隧道所在区域的断层数量较多，地下水含量丰富，不利于正常施工，潜在诸多安全隐患和质量隐患。

2　处治方案
2.1　原设计初期支护及施工方案2.1.1　原初期支护设计
左幅K32+126～K32+210段采用SF5e 型衬砌支护。

超前支护采用φ42×4 mm 的热轧无缝钢管，单根长度为4.5 m，在衬砌拱部120°范围内环向设置。

隧道初支支护采用湿喷工艺，喷射混凝土强度等级为C25，厚度29 cm，并布设φ8双层钢筋网；钢架支撑采用I22b 工字钢，间距为50 cm。

隧道两侧边墙处设置2排φ108×6 mm 钢管桩，纵向间距为50 cm，在钢管内放置钢筋笼，利用该装置提高桩的刚度。

超前支护和钢管桩进行注浆作业，浆液为水泥净浆，利用超前支护对前方岩体进行固结，利用钢管桩抵抗纵横向荷载作用，减少位移和变形。

2.1.2　施工方案
开挖施工采取的是业内主流的环形开挖留核心土法，按照要求先组织上台阶弧形导坑的开挖作业，再及时完成初期支护；随着上台阶开挖作业的持续推进，达到5 m ～9 m 后，进入中台阶开挖环节，并及时完成初支支护；期间要密切关注中台阶的开挖情况，达到5 m ～9 m 后，可以进入下台阶施工环节，并及时完成初支支护，再按照此方式持续推进，同时将开挖支护工作落实到位，从而满足仰拱和衬砌步距卡控要
求。

由于隧道开挖量较大，因此为提高施工效率，以机械开挖的方式为主，由施工人员利用风钻修边，上台阶循环进场控制在1 m 内。

施工过程中加强排水，以免因积水而导致墙角变形、底鼓等问题。

左幅K32+126～K32+210段的围岩具有破碎、强风化、层间结合差的特点，在开挖的扰动作用下易松散，且遇水时易变软，故而若缺乏行之有效的控制措施，则极易出现围岩大变形现象。

在初期支护施工中，受竖向荷载的作用，初期支护会存在较大的沉降，待仰拱闭合成环后，初支变形加剧，可见初支表面开裂、混凝土掉块、仰拱纵向裂缝等问题；而根据二次衬砌的观察结果可知，也存在较明显的斜裂缝。

2.2　护拱设计及初期支护变更
左幅K32+126～K32+210侵限段施工中，按60 cm 的间距设置I18工字钢护拱，每侧拱腰处分别设置6 m 长Ф42×4 mm 的注浆小导管（数量均为3根），挂设15×15 cm 双层Φ8钢筋网片，再于该处组织C25混凝土的喷射作业。

为精准测定围岩与初支的压力，在两者间埋设接触压力盒，并为之适配高精度的频率读数仪，及时采集数据，根据数据的反馈，准确判断实际情况，并在此基础上合理调整施工方法。

增加护拱后监控量测点变化图具体如图1所示。

图1　增加护拱后监控量测点变化图
作者简介：罗江（1987- ），男，四川西昌人，本科，工程师，主要从事高速公路土建施工方面研究。

产业科技创新　2020，2（32）：56~57Industrial Technology Innovation
57第2卷　第32期
2.3　监控量测
以隧道施工现场的围岩级别以及洞室埋深为主要参考，合理选择支护类型，并展开理论分析与验算，确定一套切实可行的支护衬砌参数方案。

施工期间加强监控量测，根据所得数据加深对实际情况的认识，再合理优化开挖方法以及支护参数，达到动态化管控的效果。

经现场监控量测后，及时采集并汇总数据，对支护的力学状态以及稳定程度做出客观的判断，再进一步确定二衬施工时间。

各监控量测项目的配套仪器不尽相同，用收敛计测量周边位移，用水准仪测量拱顶下沉。

此外，在初支混凝土内埋设压力盒，该装置可满足荷载监控的要求。

根据前述的图1可以得知，在增加护拱后，隧道可维持稳定的状态，原因在于护拱可以有效地抑制围岩变形，使其保持稳定，由此也说明护拱设计方案具有可行性。

2.4　换拱施工方案
2.4.1　换拱方案
换拱施工期间，全面暂停掌子面的掘进作业，掌子面喷C25混凝土，厚度控制在8 cm～10 cm，目的在于有效封闭掌子面，给换拱作业提供安全保障，以免因掌子面暴露时间过长而出现垮塌事故。

对换拱区采取反压回填处理措施，高度为C单元上50 cm。

经回填处理后，精准确定换拱位置，于该处打设φ42×4 mm 小导管，并制备浆液，用于注浆施工。

小导管呈0.5×0.5 m梅花形布置，单根长度统一按4.5 m控制；浆液按0.5∶1的水灰比制备，注浆压力稳定在2 MPa～3 MPa。

根据前述分析可知，在原设计方案中，SF5e型衬砌的钢支撑采用的是I22b工字钢，施工中将其调整为I25a工字钢，以保证衬砌的施工质量；C25混凝土喷射施工中，厚度调整为31 cm；二衬支护中，环向主筋的直径调整为28 mm（原方案为25 mm），并采用C35防水混凝土（原方案为C30防水混凝土）。

2.4.2　施工方案
逐榀复测侵限段的钢支撑，利用红油漆标记侵限值，每三榀钢支撑设置依次超前支护，随着施工进程的推进，用破碎锤拆除护拱。

逐榀拆换侵限段钢支撑，经过拆换处理后随即采取支护措施，密切关注实际拆换距离，待该值达到12 m时，可以组织二次衬砌的施工作业。

3　软弱围岩的稳定性分析
软弱围岩的完整性不足，强度偏低，在隧道施工期间易出现围岩失稳的情况，需展开稳定性分析，判断围岩情况，采取控制措施。

在稳定性分析工作中，采用的是MIDAS/GTS数值计算软件，取Ⅴ级围岩段，根据该部分的地质特点，创建模型，明确在台阶法施工过程中围岩、初支、二衬的实际情况（重点考虑受力和变形量）。

建模工作中，围岩和初期衬砌均为实体单元模拟，初期和锚杆为梁单元模拟，引入Mohr-Cou-lomb准则，其它均考虑弹性状态。

地层沉降位移的发生位置主要集中在施工部位周边，拱顶处为主要的下沉区。

纵观整个施工流程，地层沉降等值线呈现出极为明显的对称分布特点。

每步施工中，最大沉降量的分布区域均具有一致性，即隧道中心线处。

在完成所有的上台阶支护工作后，拱顶沉降依然存在，该值约为总沉降量的66%；与之存在区别的是，在下台阶支护后，沉降基本完成。

二次衬砌施工过程中，最大轴力产生于拱腰处，达到107.2 KN。

经过开挖后，最大弯矩分布在拱脚处，达到3.28 KN·m。

轴力突变对正常施工的破坏性较强，应有效保证该处的锁脚锚杆可维持正常使用的状态，同时加强对拱脚的处理，可采取喷射混凝土的方法（适当加厚）。

锚杆轴力未超过8 kN，相较之下以两侧锚杆的轴力较大，发生于拱脚处，为1.04 KN。

而对于二次衬砌的受力情况，则存在拱脚处应力集中的特点，压应力、拉应力的最大值分别达到87.3 kPa、3.7 kPa，但均未超出许可范围，因此满足要求。

经过监控量测以及计算后，确定拱顶沉降量和净空水平收敛量，从所得结果来看，沉降值无急剧增加的情况，整体变形趋于稳定，说明浅埋段围岩的支护效果较佳。

4　结语
（1）对于存在大变形的围岩段，在采取增设I18工字钢（设置在初期支护外侧）、增设φ42×4 mm注浆小导管以及挂设钢筋网片等方法后，可以有效改善施工状态，抑制初期支护的变形，有助于提高初期支护乃至隧道施工现场各结构的稳定性。

（2）对于未施工段落的初期支护，在原支护方案的基础上做出调整，由I22b工字钢转为I25a工字钢，同时加强对接触压力（初支与围岩间）、拱顶下沉及周边收敛量的监测。

从所得结果来看，隧道初支施工方法具有可行性，可满足软弱围岩地质条件下的安全性和稳定性要求，因此具有可参考的价值。

参考文献：
[1]　郝志喜. 软弱破碎围岩隧道进洞新工法数值模拟及支护
参数研究[J]. 工程建设与设计，2019，67（21）：92-
96，107.
罗　江：高速公路浅埋软弱围岩大变形隧道施工控制技术。