软岩大变形隧道施工技术研究

1引言
随着经济的发展，交通网络持续完善，公路工程建设规模
日益增加。

同时，我国是一个多山国家，越来越多的公路开始向山区延伸。

山区地势起伏大、地质条件复杂，隧道建设难度大。

当隧道穿越高地应力、软弱围岩体等路段时，可能出现大变形，造成施工困难、支护成本增加等问题，严重的会导致施工事故，危及施工人员的生命安全[1]。

因此，进一步研究软岩大变形隧道变形机制和施工技术意义重大。

2
软岩隧道变形机制和分类
2.1
软岩变形机制
隧道的开挖和支护措施受围岩状态影响较大，对围岩分
级十分必要。

软岩一般是指承载力低、变形量大、具有明显崩解性和流变性的岩体，从围岩级别上看，软岩大多属于Ⅴ级或Ⅵ级围岩。

根据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》，隧道围岩的软硬程度取决于岩石单轴饱和抗压强度R c 。

当R c ＜15MPa ，隧道围岩属于软岩[2]。

软岩变形机理复杂，故将软岩变形机制划分为3大类：Ⅰ型（物化膨胀型）、Ⅱ型（应力扩容型）、Ⅲ型（结构变形型），每种变形机制的具体分类见表1。

表1
软岩隧道变形机制
变形机制具体分类
I 型
分子吸收膨胀机制、胶体膨胀机制、微裂隙膨胀机制Ⅱ型构造应力机制、重力机制、水力机制
Ⅲ型
断层型、软弱夹层型、层理型、优势节理型、随机节理型
2.2软岩大变形分级
软岩隧道大变形可按“强度应力比”划分为轻微（0.25~
0.5）、中等（0.15~0.25）、严重（＜0.5）3个等级。

软岩不同等级大变形的具体特点如下[3]：（1）轻微大变形。

围岩变形速率较小，掌子面围岩被“挤出”，出现初支混凝土开裂、钢拱架变形等现
【作者简介】韩亚兵（1989~），男，云南楚雄人，助理工程师，从事路桥
施工研究。

软岩大变形隧道施工技术研究
Research on Construction Technology of Large Deformation Tunnel in Soft Rock
韩亚兵
（云南云岭桥隧科技有限公司，昆明650000）
HAN Ya-bing
(Yunling Bridge and Tunnel Technology Co.Ltd.,Kunming 650000,China)
【摘要】为了提升隧道工程施工水平，总结了软岩隧道的变形机制和分类，分析了CRD 法、双侧壁法、留核心土开挖法等在软岩
隧道施工中的应用特点。

随后，依托扎务隧道，利用MIDAS/GTS 软件建立计算模型，计算了不同开挖方法对软岩隧道变形的影响。

同时，从技术方案、监控量测和施工管理3方面提出了软岩大变形隧道的施工质量控制措施。

【Abstract 】In order to improve the construction level of tunnel engineering,the deformation mechanism and classification of soft rock tunnels
were summarized,and the specific application characteristics of CRD method,double-sided wall method,and core soil excavation method in soft rock tunnel construction were analyzed.Subsequently,relying on the Zhawu Tunnel,a calculation model was established by using MIDAS/GTS software to calculate the impact of different excavation methods on the deformation of soft rock tunnels.At the same time,construction quality control measures for large deformation tunnels in soft rock have been proposed from three aspects:technical solutions,monitoring measurements,and construction management.
【关键词】软岩大变形；隧道工程；开挖方法；监控量测；施工管理
【Keywords 】large deformation of soft rock;tunnel engineering;excavation method;monitoring measurement;construction management 【中图分类号】U455.49
【文献标志码】A
【文章编号】1007-9467（2024）04-0249-03
【DOI 】
10.13616/ki.gcjsysj.2024.04.074
249
象。

（2）中等大变形。

围岩变形速率较大，初支混凝土开裂、脱落、掉块等，钢架变形严重情况。

（3）严重大变性。

围岩变形速率大，持续时间长，隧洞结构整体变形严重，支护措施不合理容易出现塌方事故。

3
软岩大变形隧道开挖方法选择
3.1
工程概况
扎务隧道地处澜沧县境内，西盟县城北部山麓斜坡地带，
进口处位于扎务村北侧2km 处，出口处位于永不落村北侧4km 处。

隧道右线起讫桩号为K451+310～K457+190、长度为5889m ；隧道左线起讫桩号为K451+265～K457+154、长度为5880m 。

洞身最大埋深688m ，隧道轴向238°，轴线地面标高1359~2088m ，设计路面标高1360~1460m 。

3.1.1
外界环境
根据地质勘察资料，隧址区分布地层主要为侏罗系泥岩、泥质砂岩。

据所取样品的抗压强度试验结果，围岩天然抗压强度为5.5~32MPa ，为软岩-较硬岩，隧道处高地应力区，具备大变形发生的条件。

不同地层的物理力学参数见表2。

表2
隧道围岩计算参数
岩石名称天然密度/(g/cm 3)饱和抗压强度/MPa 黏聚力
c /kPa 中风化泥质砂岩 2.4819~32760中风化石英砂岩 2.4715.69~52800中风化泥岩 2.36 5.5~11.79200中风化砾岩
2.56
13.48~27
800
地层
代号J2h J2h J2h J2h
内摩擦角φ/(°)42393542
坚硬程度
较硬岩较硬岩软岩较软岩
隧道所在区域属亚热带气候类型：降水量丰富，年均降水量2758.3mm ，最高年（1991年）达3426.7mm ，且以短时强降雨为主。

连续降雨天气下施工隧道，容易出现塌方病害。

3.1.2
支护参数
隧道采用复合式衬砌进行支护，其中，初期支护为C25喷射混凝土+钢拱架+锚杆，二次衬砌为C30或C35喷射混凝土。

此外，初期支护与二次衬砌直接设置防水板。

3.2
常用开挖方法对比
3.2.1
CRD 法
CRD 法是借助中隔墙和临时仰拱将软岩隧道的断面划分
成多个区块，以减小隧道结构所承受的围岩压力，隧道开挖的
稳定性。

以图1为例，CRD 法开挖软岩隧道的施工顺序有两种：①→②→③→④或①→③→②→④。

在实际施工时，工程师应结合隧道围岩的性能选择相应的开挖顺序[4]。

图1
CRD 法开挖隧道示意
3.2.2
双侧壁法
双侧壁法的施工工序复杂、施工空间小，大型机械不易进场，且需要设置大量的临时支持，但其最大的优点是对隧道地表沉降的控制效果好，适用于大跨径浅埋隧道。

双侧壁法的具体施工流程如下：首先，开挖隧道两侧导坑，及时施作初期支护及临时支护；随后，分部开挖、支护中部土体；最后，拆除隧道临时支护。

需要注意的是，临时支护拆除时，拱顶下沉量宜≤0.3mm/d ，净空变形量宜≤0.5mm/d 。

3.2.3
留核心土法
留核心土法是先从隧道拱部弧形开挖、支护。

随后，开挖中间台阶，当左、右侧导洞开挖一定距离后，再开挖中间核心
土；最后，再开挖隧道断面下台阶，完成一个开挖循环。

结合临近项目建设经验，该软岩隧道的每循环进尺宜控制在0.5~1.0m ，
且预留核心土面积≥隧道断面面积的50%，隧道断面开挖结束后，及时施工初支、二衬。

3.3
开挖效果评价
3.3.1
计算模型建立
利用MIDAS/GTS 软件建立K452+300断面处的软岩隧
道断面模型，计算了其在不同开挖方法下软岩浅埋隧道的变形。

综合考虑模型边界效应和计算效率，将隧道模型尺寸取50m ×20m ×50m （长×宽×高）。

同时，利用六面体单元模拟隧道围岩。

隧道结构周边的网格适当加密，距离隧道中心轴线较远的位置网格尺寸可取大值，最终共划分2016个单元，2368个节点，见图2[5]。

图2软岩隧道有限元模型
250
3.3.2计算结果
利用MIDAS/GTS 软件模拟了CRD 法、双侧壁法、留核心土法开挖后软岩隧道的最大拱顶沉降，计算结果表明：CRD 法开挖隧道后，拱顶变形最小，仅0.9mm ；留核心土法开挖隧道后，拱顶变形最大，仅2.8mm 。

双侧壁法的开挖效果介于两者之间。

从拱顶变形控制效果来看，建议使用CRD 法开挖软岩隧道。

4
软岩大变形隧道施工质量控制要点
4.1
大变形处理
扎务隧道埋深大，最大埋深为690m ，易于形成高地应力
现象，可能导致岩爆及软岩大变形等相关施工地质灾害问题。

隧道大变形预测采用工程地质综合分析法，重点从地应力条件、岩石强度、地质构造、地下水发育特征、围岩级别以及岩石膨胀性等方面开展分析。

经判断：K453+655~K453+785（130m ）、K454+220~K454+320（100m ）、K454+645~K455+435（790m ）存在轻微大变形，需制订处理方案。

轻微大变形路段的隧道在施工时应坚持“先预报，预加固、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭”的原则。

初期支护宜采用带止浆塞的钻、锚、注一体化的自进式注浆锚杆，钢架采用可缩式U 形钢架支撑，二次衬砌应设置足够强度的仰拱，并尽早封闭成环。

对规模较大、暂时难以治理的隧道路段，应设立警示牌、围栏等安全设施。

4.2加强监控量测
软岩隧道变形机制复杂，在施工过程中应加强监控量测，
掌握软弱围岩的变形规律，以便于动态调整支护参数。

根据JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》，软岩隧道的监控量测内容包括必测项目和选测项目，如表3所示。

表3
隧道监控量测内容
量测方法数码相机、罗盘等水准仪、全站仪等收敛计、全站仪等水准仪、全站仪等
压力盒钢筋应力计应变仪
洞内外观察
拱顶下沉周边收敛地表沉降围岩压力
钢支撑内力二次衬砌内力
监控量测
必测项目
选测项目
检测人员在上报软岩隧道监控量测数据之前，要利用“回归分析法”拟合围岩变形与监测时间的关系，绘制沉降-时间曲线。

如果发现变形数据不断增大，且沉降-时间曲线没有收
敛趋势，应立即停工，查明原因后才能复工。

4.3管理措施
软岩隧道施工时不仅要采取经济合理的技术方案，还要
加强施工管理，比如[6]：（1）加强培训。

施工单位定期组织职业培训，提高施工人员的技术水平和增强其责任意识，掌握先进的软岩隧道施工理念和方法。

（2）建立完善的施工方案审核制度。

技术人员编制好软岩隧道施工方案后，提交给部分负责人复核，并形成复核意见。

技术人员修改后，再提交给总工程师审核。

（3）建立考核制度。

施工单位应建议严格的奖惩制度，约束施工人员的施工。

5结语
本文研究了软岩隧道的变形机理、开挖方法及施工质量
控制要点等，得到了以下几个结论：
1）软岩变形机制分为物化膨胀型、应力扩容型、结构变形型3类，大变化可划分为轻微、中等、严重3个等级；
2）软岩隧道常用开挖方法有CRD 法、双侧壁法、留核心土开挖法，其中，CRD 法对隧道变形控制效果最好；
3）软岩隧道施工期间要加强监控量测，发现问题，立即停工。

同时，还要建立完善的施工管理体系，改善施工质量。

【参考文献】
[1]张瑞国.软岩大断面隧道施工变形控制研究[J].工程机械与维修,2023(1):196-198.
[2]李玉洁.软岩公路隧道施工关键技术研究[J].交通世界,2022(34):137-139.[3]张瑞国.软岩大变形隧道施工质量控制研究[J].广东交通职业技术学院学报,2022,21(2):12-17.
[4]岳粹洲.软岩大变形隧道施工支护方法浅析[J].江西建材,2022(5):252-253,256.[5]郑超.基于台阶法的软岩大变形隧道施工技术分析[J].浙江水利水电学院学报,2022,34(2):63-69.
[6]李忠,王伟,林玉刚,等.浅埋段软岩隧道施工工法优化模拟应用分析[J].中外公路,2021,41(3):230-236.【收稿日期】
2023-07-28
251。