软弱围岩浅埋隧道施工方法研究

软弱围岩浅埋隧道施工方法研究
发布时间：2022-03-21T06:38:10.337Z 来源：《福光技术》2022年3期作者：胡英杰[导读] 伴随着经济的发展以及科技的不断进步，隧道工程不断增加，在隧道施工的过程中，因为软弱围岩广泛分布在隧道口的周围以及隧道拱口等位置，所变化的范围也特别大，所以在软弱围岩浅埋隧道的施工过程是具有一定难度的，并且相对于其他的隧道施工也会比较复杂。

胡英杰
中国铁工投资建设集团有限公司城市建设分公司 100070
摘要：伴随着经济的发展以及科技的不断进步，隧道工程不断增加，在隧道施工的过程中，因为软弱围岩广泛分布在隧道口的周围以及隧道拱口等位置，所变化的范围也特别大，所以在软弱围岩浅埋隧道的施工过程是具有一定难度的，并且相对于其他的隧道施工也会比较复杂。

另外，软弱围岩浅埋隧道周围岩石的稳定性不高，会影响到整个隧道工程的施工安全和质量。

基于此，文章以软弱围岩浅埋隧道的施工过程以及施工方法为主，依据这些特点结合相关的隧道施工案例对于软弱围岩浅埋隧道施工进行深度的研究。

关键词：软弱围岩；浅埋隧道；施工方法；研究；
前言：在隧道施工过程中，如果所使用的方法不同，所对应的力学效应也是有一定区别的。

特别是在软弱围岩浅埋隧道的施工过程中，所使用的施工方法以及所对应的力学效力更为复杂，因此需要使用不同的施工方法进行施工，以此来详细分析这些不同的方法对于隧道周围岩体的影响，通过分析的数据来选择科学合理的施工方法，最大程度减小对隧道周围岩体的影响，从而提高整个隧道工程的安全性以及提升整个隧道工程的质量。

1.软弱围岩隧道地质工程特点
软弱围岩隧道地质工程有如下三个特点：首先是岩体破碎、粘结力不好，因为岩体结构的不稳定，当施工队伍开挖的时候，如果没有任何的支护，开挖后形成的隧道将随时出现坍塌现象，岩体的极其不稳定，有可能还会导致施工过程中施工人员的生命安全隐患；其次是围岩强度低，遇水容易软化,该种特点的岩石一般以页岩、泥岩、片岩为主，它们的稳定性很差，当施工队伍开挖后，这些围岩就暴露在外，遇到地下水时，容易软化，当地下水足够大时，甚至会发生塑性变形的现象，这种现象会导致隧道断面较大变形，甚至塌方；最后是岩体结构面软弱，容易出现滑塌。

遇到这种岩体，开挖时要极其注意滑塌的现象。

这主要就是开挖过程中，由于岩体结构的松散，结构面受到切割时，块状的岩体就会受到严重的影响。

在这种情况下，周围岩体会随着一起滑塌，这会导致隧道在开挖过程中超挖严重，喷射混凝土超方严重，既影响施工速度，也造成混凝土的浪费，不经济，在施工过程中围岩滑塌和掉块，可能造成施工人员伤亡，存在很大的安全隐患。

2.软弱围岩隧道工程潜在安全风险源
软弱围岩隧道工程施工过程的潜在安全风险源主要包括软弱围岩浅埋与偏压、土质隧道、大埋深软岩隧道、断层破碎带、结构面发育的块状岩体地段以及不同岩层接触带地段。

在软弱围岩浅埋地段进行施工时较难形成拱，较易出现局部塌方问题。

偏压地段隧道支护结构所承受的荷载力处于明显的不对称状态，极易引起变形过大或塌方问题。

进行土质隧道部分施工时，没有加强初期支护强度会引发局部塌方的问题。

大埋深软岩隧道开挖时较易出现洞壁岩体剥离以及显著位移的情况，没有进行足够强度的支护会引起支护变形过度以及塌方等问题。

断层破碎带、结构面发育的块状岩体地段以及不同岩层接触带地段隧道施工过程较易出现突水、塌方以及涌泥等风险。

3.软弱围岩浅埋隧道施工
3.1工程特点
隧道长1535米，隧道区场地表层有第四系素填土、残坡积层粉质粘土，沿线的岩层以砂岩和泥质岩为主，洞口表层边坡积土体厚度达9-18ｍ，下伏基岩主要为珍珠冲组的砂质泥岩，成洞条件差，出洞口顶洞围岩为0-5ｍ的土层和强风化层。

隧道穿越环山背斜轴部，穿越环山三叠系须家河组和侏罗系珍珠冲组、自流井组地层，补给条件及富水性均较弱；隧道出水主要以渗水、淋滤形式为主。

3.2施工方案及主要施工方法
3.2.1洞门和明挖段施工
由于隧道进、出口段处于浅埋、风化岩层地段，明洞边坡刷坡过程中应做好边坡变形监测，采取措施确保坡面岩石的完整性，做好地质复核工作，并及时施作边坡防护；进口段采用超前大管棚加固后用中隔壁法进洞施工；进、出洞口的位置均遵循“早进晚出”的原则，并兼顾经济性及美观性，采用“削竹式”洞门，并在门周进行绿化。

（1）明挖段施工
施工前先进行测量放线，根据测量放线做好排水天沟，以利截排水，同时将明挖洞口段开挖线以外10-15m范围的洼地、漏斗、危石等进行处理，以防地表水向下渗漏或陷穴等继续扩大影响隧道施工安全，确保边坡稳定。

开挖一级边坡及时防护一级），直到坡底。

边仰坡防护参数：洞口边坡岩层按1：0.5放坡，土层按1:1.25放坡，仰坡按1:1放坡。

边仰坡喷锚支护参数如下：砂浆锚杆直径为22mm，长度为
2.5m，钢筋网格密度为200X200mm，喷射混凝土强度为C25，喷射厚度为90mm。

坡面钢筋网搭接1-2个网格，钢筋网与锚杆连成整体。

（2）洞口套拱施工
先开挖洞口段土石方，在洞口段留出一个长约10ｍ的作业平台，高度以便于长管棚施工为宜。

套拱施工中，沿该段隧道开挖轮廓线开挖外侧，将隧道开挖轮廓线内土体保留并修整圆顺，作为套拱混凝土施工内膜，套拱截面厚60cm，纵长2m，采用C20砼浇筑。

套拱内设4榀18#工字钢，并沿钢架外缘设置35根2m长Φ140*8mm无缝钢管作为管棚施工导向管，同时作为前期管棚受力的支撑点。

（3）超前大管棚支护施工
大管棚采用φ108、壁厚6ｍｍ热轧无缝钢管加工制成，管棚42m／根，管周身钻孔，孔径10ｍｍ，孔距150ｍｍ，按梅花型交错布孔以加大浆液渗透能力，尾端2ｍ范围内不设注浆孔。

施工时钢管沿隧道周边以1°外插角打入围岩，插入钢筋笼，再灌注M30水泥浆，管头加工成锥形以便于送入，为确保接头质量，以长15cm的丝扣连接。

3.2.2开挖工法
该隧道开挖全部采用新奥法原理组织施工，隧道开挖采用光面爆破。

针对不同的围岩、不同的地段，开挖按下述施工方法进行：隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩段采用CD法；隧道内Ⅳ级围岩地段采用三台阶法，Ⅲ级围岩地段采用台阶法。

环山隧道洞口段洞身为浅埋隧道，为Ⅵ级围岩，采用中隔壁法开挖。

侧壁导坑开挖采用短台阶法，左、右侧壁导坑相互错开一定距离后同步施工，每循环进尺深度0.5ｍ。

当监测显示支护体系稳定，变形在容许范围内时，可逐步适当加大循环进尺。

环山隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩采用台阶法开挖，上台阶长度为30-50ｍ，Ⅳ级围岩下台阶分左右两侧开挖，左右错开5-10ｍ，周边采用光面爆破减少对围岩的震动以控制成形，开挖循环进尺为2.5ｍ；Ⅲ级围岩下台阶可一次开挖，依据围岩的实际情况，可适当加大开挖的循环进尺。

3.2.3爆破方案设计
隧道掘进拟采用光面爆破开挖方案，根据地质条件，开挖断面、开挖进尺，爆破器材等编制爆破开挖施工方案。

首先根据开挖围岩状态合理选择周边眼间距和最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底需在同一垂直面上，掏槽眼加深100ｍｍ。

其次要严格控制周边眼装药量，采用间隔装药，眼内药量沿炮眼全长均匀分布。

同时应优先选用低密度低爆速、低猛度的乳化炸药，导爆采用非电毫秒雷管起爆。

最后应进行微差爆破，周边眼采用导爆索起爆，以减小起爆时差。

爆破参数先期根据理论和地址条件进行计算初定，然后通过爆破试验确定最终施工爆破参数，见表*。

3.2.4超前支护
在软弱围岩的隧道施工中，考虑到软弱围岩的特征和软弱围岩的地质条件，在施工中需要进行超前支护，采用超前锚杆或超前小导管的形式实现。

主要是沿着隧道的纵向方向布置支护梁，同时在掌子面前方形成一个壳结构，利用支护的结构强度，对掌子面及周边的围岩进行保护，使其强度满足施工要求。

进行超前支护的主要目的是改善隧道周边围岩的强度，避免因缺乏支护引发软弱围岩隧道的坍塌事故。

3.2.5增加临时支护措施
考虑到软弱围岩浅埋隧道施工的实际难度和隧道的变化情况，在实际的施工过程中，应根据隧道的施工需要增加临时的支护措施。

临时支护可以采用初期支护钢拱架的方式形成支撑，同时也可以采取设置临时支护的方式形成闭环。

合理增加临时支护措施，对提高软弱围岩浅埋隧道的施工质量具有重要作用。

3.2.5隧道结构防排水
（1）防排水结构形式
隧道防排水原则是在富水段遵守“以堵为主、限量排放”，一般地段以“防、排”为主。

“防、排、堵、截”相结合，因地制宜，综合治理，达到排水通畅、防水可靠、经济合理、不留后患的目的。

（2）排水系统的组成
①墙背设DN75HDPE单壁打孔环向排水管，平均10m设置一道，地下水丰富段可适当加密。

②墙背设DN75HDPE单壁打孔环向排水管，平均10m设置一道，地下水丰富段可适当加密。

③隧道左右边墙背后各设置一道DN110HDPE双壁打孔波纹管,其纵坡与路面纵坡一致。

④隧道行车道路缘带设置开口式污水沟以排泄路面水及清洗污水，污水沟下设置矩形清水沟。

⑤隧道边墙底部横向每隔10m设置一道DN110HDPE双壁打孔波纹排水支管，使墙背水排入矩形清水沟内。

⑥人行、车行横通道边墙底排水暗管通向主洞矩形清水沟。

⑦隧道路面下设碎石盲沟，盲沟水引入清水沟。

（3）洞身防排水
①SFma衬砌采用Ⅰ型防水层，中间层为防水板，内外层为土工布；其余衬砌采用Ⅱ型防水层，内层为防水板，外层为土工布。

②横向引水管及纵向排水管采用HDPEDN110双壁打孔波纹管，横向排水管与隧道排水沟相接，纵向排水管外裹一层土工布，隧道两侧贯通设置。

3.2.6隧道衬砌施工
该项目隧道衬砌主要有两类：明洞衬砌和复合式隧道衬砌。

衬砌砼既有钢筋砼也有素砼，标号均为C30细石防水混凝土，拱墙加设复合防水板，施工缝部位设止水带。

衬砌顺序：先浇筑仰拱砼再填充砼，后拱墙施工，仰拱全幅超前，拱墙衬砌采用模板台车衬砌。

为保证混凝土材料质量，控制质量波动，衬砌混凝土均采用自动计量搅拌站生产，混凝土罐车运输，泵送混凝土入二衬台车整体模。

3.3隧道监控量测
3.3.1超前地质预报
隧道开挖前需进行超前地质预测预报，隧道施工过程中加强测量监控，以实时全面掌握围岩动态和支护工作状态，并依据监测结果及时调整隧道的掘进和支护方案，确保围岩稳定和施工安全。

根据不同地质条件，超前地质预报工作按照上下对照、长短结合、定性与定量相结合的办法来确保预报的准确性。

据各种探测方法的特点分长距离控制和短距离验证预报。

其中长距离宏观控制预报采用TSP202超前地质预测预报系统进行距离100-150ｍ的预报。

短距离预报采用地质素描法，在隧道施工中全段进行，地质素描内容主要包括对开挖掌子面和洞身周边综合分析围岩的岩性、结构、构造和地下水情况，分析判断开挖面前方围岩的工程地质、水文地质状况，并据此提出工程措施建议和进一步预报的方案。

3.3.2监控测量项目的设置
施工现场监测是隧道工程施工管理的重要组成部分，是确保施工安全的一项重要举措，通过对监测数据的分析来判断围岩-支护体系的稳定状态以及隧道洞室的安全。

针对该项目隧道施工的特点建立专业监测小组，建立监控量测及信息反馈机制。

该段施工选测项目有地表下沉、围岩内部位移、围岩压力、锚杆轴力及钢支撑内力及外力的监测。

必测项目有地质及支护状态观察、拱顶下沉以及周边收敛，具体检测项目、检测设备及布置情况见表*。

拱顶沉降和周边收敛是隧道围岩力学形态变化最为直观的表现，具有测量结果直观、测试数据可靠、测量仪表长期稳定性好、抗外界干扰性强等优点，是隧道开挖过程中首选的监测项目。

必测项目的测量间距一般为20-50ｍ，但对于洞口段、浅埋地段，特别软弱地层段等危险条件应小于20ｍ，间距为每5-50个量测断面。

拱顶下沉测点和周边收敛测点应布置在同一断面上。

3.4质量缺陷的预防
3.4.1做好隧道超欠挖严重的质量缺陷预防
（1）及时调整围岩光面爆破设计参数，并向操作者做好技术交底，坚持每循环准确放样，准确标定开挖轮廓线，技术人员从炮眼位置、倾角、炮眼深度、装药及起爆全过程监控。

（2）准确布置炮眼位置，严格控制装药量，并根据围岩变化情况，及时修正爆破参数。

（3）加强技术培训，使施工人员和技术人员了解爆破施工参数，强化管理，规范操作，用水平尺定位钻杆角度。

（4）合理设计爆破参数，根据围岩情况适时调整，严格控制循环进尺，在围岩差的地段采用超期小导管或者超前锚杆来超前加固，避免出现超欠挖。

3.4.2做好初期支护的质量缺陷预防
（1）初期支护喷射前用高压水枪把岩面虚土、浮尘清洗干净，不得欠挖。

埋设标志或利用锚杆外露长度控制喷射混凝土厚度，以确保最小厚度满足设计要求。

（2）喷射过程中自下而上，分层喷射，每层厚度5~8厘米为宜，最厚每层厚度不超过15厘米，如喷射过程中发现混凝土凝固较慢滑落现象，应立即调整速凝剂掺量。

（3）在施工下台阶时应将上台阶接茬处用风镐凿除5-10厘米，新茬用水湿润，保证新旧混凝土粘结。

在喷射混凝土过程中不应超喷或者欠喷，对于欠喷应该及时补喷，超喷的及时用工具清除，防止侵入二衬。

（4）严格把控原材料质量，不合格的原材料坚决不使用。

（5）合理调整混凝土搅拌时间，使混合料拌合均匀。

3.4.3做好隧道二次衬砌蜂窝、麻面及空洞缺陷预防
（1）严格控制混凝土配合比，保证材料计量准确；
（2）混凝土要拌合均匀，拌合时间不得小于120秒；
（3）混凝土自有倾落高度要小于2米，混凝土浇筑采用逐窗入模，对称浇筑。

（4）混凝土振捣分层捣固，每层厚度不得大于50厘米，振捣棒振捣间距要适当，确保振捣均匀密实。

（5）模板空隙要用土工布条堵塞密实，防止水泥浆外流。

（6）钢筋密集处采用细石混凝土进行浇筑，采用人工配合振捣，确保每个角落振捣到位。

（7）预留孔洞处在两侧同时下料，下部往往灌注不密实，振捣不到位，可采用侧面开孔灌注。

（8）防水板在铺设时根据设计尺寸预留一定的松弛系数铺设防水板。

（9）根据现场实际施工情况，根据二衬不同的部位采用不同的混凝土坍落度，确保施工质量及工作性。

（10）二次衬砌预留Φ42钢管，二次衬砌完成后及时对拱顶及背后进行注浆处理。

结束语
浅埋软弱围岩隧道目前在国内基础建设施工领域较为常见，该文以西南地区一软弱围岩公路隧道的特点，较为系统地总结了软弱围岩隧道开挖支护机理和施工方法，该套施工方案能在保证施工安全的基础上确保工程质量和工期。

该文以实际公路隧道工程为研究对象，并将研究成果运用到工程实践中得以验证，产生了较为显著的经济效益和社会效益，对类似隧道工程具有一定的参考价值。

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作者介绍：
胡英杰（1982.2.5），性别：男；籍贯：河南省商丘市；民族：汉；学历：本科；职称：中级工程师；职务：项目副经理；研究方向：道路与桥梁。