大断面软岩隧道变形控制技术

王玉洁

中铁一局集团第五工程有限公司 陕西 宝鸡 712006

摘 要：我国地域广阔，地势起伏较大，隧道成为道路交通中的重要交通通道,但大断面软岩隧道施工过程中，经常出现失稳塌方、支护变形大、衬砌开裂等病害，为确保隧道施工安全、质量、进度，本文结合我公司承建的玉楚高速公路齐云隧道的典型案例和经验,从超前地质预报、监控量测、超前支护、调整初期支护参数、增加临时钢支撑、使用限阻器、隐蔽工程验收等施工要点介绍了大断面软岩隧道变形控制的方法及采取的措施，以望能为今后类似工程的设计和施工提供参考和借鉴。

关键词：大断面；软岩；变形控制

一、前言

随着经济的快速发展，路网交通的不断完善，隧道的施工工艺、设备也在不断更新进步，对于大断面隧道施工控制来说，要求技术人员不断地学习围岩相关理论知识，新工艺、新装备在施工中的应用，不断提高软弱围岩变形控制的施工水平，才能保证软岩隧道的施工质量。

二、研究的背景

云南玉楚高速全线最长、风险最高的齐云隧道为交通运输部隧道施工安全管控能力提升攻关行动在云南省的唯一试点。隧道左幅长4533米，右幅长4530米，开挖最大断面面积为168平方米，隧道围岩软弱，具有“见水就软、遇风就散”等大变形特质，施工难度大，安全、质量风险高，是全线重点控制性工程。

针对施工过程中的问题，我单位积极与参建各方沟通，并多次组织各方面专家进行现场勘察、研讨、论证。通过优化设计方案，调整支护参数，综合运用超前地质预报、监控量测信息平台、三维激光扫描仪等手段，开展QC攻关和科研工作，认真分析、交流、总结，学习借鉴和推广典型经验做法，着力攻克隧道围岩软弱开挖坍塌、涌水突泥以及大变形坍塌等“瓶颈”，提出对应技术解决方案，确保施工的安全、质量及进度。

三、控制的措施

1.超前地质预报

隧道超前地质预报是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化的基础。运用超前地质预报，可以提前预测重大地质问题，及时掌握和反馈隧道地质条件信息，为调整隧道设计参数、优化隧道施工组织、制定安全应急预案提供依据。按照“简单地质条件从简判定，复杂地质适当加密，特殊地质多种方式结合”的原则，采用地质调查、TSP隧道地震探测仪、地质雷达、超前水平钻四种方式对掌子面前方围岩进行判断。项目部将超前地质预报纳入施工工序管理，按照设计图纸要求及时通知超前预报单位进行检测，现场技术人员配合完成检测工作。要求检测单位检测完成后12小时内将报告内容进行反馈，项目部组织相关技术人员进行分析，完成地质素描，对可能出现的不良地质制定处理方案，及时的向各作业班组进行交底并组织实施。

2.隧道监控量测

对隧道拱顶下沉、周边位移进行监测，根据监测数据分析围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防隧道坍塌；通过监控量测，根据变形速率判断围岩的稳定程度，选择合适的二衬施工时机。对隧道埋深较浅的段落进行地表沉降监测，判断开挖对地表的影响，与拱顶下沉数据相互印证，指导现场施工。

在隧道开挖完成、钢架安装完成、喷射混凝土完成三个阶段进行量测，并在下个循环开挖完成后对前一循环初期支护进行不间断的量测，采集不同时段的量测数据分析后与设计预留沉降量进行比较，及时调整开挖断面，减少不必要的混凝土超耗，降低施工成本，提升项目的盈利能力。

3.洞身超前支护

隧道施工难点之一就是控制变形，而解决这个问题应从新奥法施工原理出发，在围岩自承能力的基础上加固围岩，达到主动控制岩体变形与位移，调整岩体的应力状态，以提高岩体强度，采用超前支护有效主动控制岩体的工程技术。施工中严格按照设计要求进行超前小导管施工，对整个围岩进行预加固，小导管采用φ42×4注浆小导管，长度为4.5米，上仰角为5～15°，纵向搭接长度不小于1.5米，环向间距约30～40cm，径向打入，其尾部采用焊接与钢架连成整体。超前小导管注浆采用1:1的水泥浆，注浆扩散半径为1m，注浆终压2MPa。根据监控量测结果，如果发现围岩变形异常，应及时加强超前支护强度并通知“五方”现场进行勘察，提出相应的加强措施，并进行相应变更设计。

4.动态调整参数

由于隧道支护参数多为动态设计，施工时常常会遇到设计与实际地质不符的情况，围岩差异较大，加之技术人员经验不足，不能准确的判断隧道围岩级别，及时调整支护参数。针对这种情况，项目部多次组织各方面专家、业主、设计等代表到现场研究、讨论，加强现场技术人员培训，在大变形段落采用加大初期支护工字钢型号，调整钢架间距，利用型钢替代连接钢筋，同时在拱腰处增设两根长度为6m的φ89锁脚钢管，在两侧边墙打设两排长度为9m内部设置钢筋笼的φ108注浆钢管桩，锁脚钢管与钢管桩均采用1:1的水泥浆进行注浆，注浆初始压力0.5～1MPa,终止压力为2MPa，扩散半径70cm。加强应力集中位置的支护强度，减小初期支护变形以及拱架下沉。

5.增加临时支撑

对于初期支护局部变形较大时，设置临时钢支撑，采用I18工字钢，设置位置与既有钢架同一法线。按照挂设钢筋网片，喷射混凝土厚度以覆盖临时钢支撑为原则。通过设置临时钢支撑增加初期支护临时刚度，减少其变形。加强临时钢支撑两侧一定范围内设置监控量测，采集数据。待两侧变形数据稳定且二衬施工完成后进行临时钢支撑拆换处理。

6.使用限阻装置

利用3D扫描仪采集数据，通过分析得出该段围岩沉降收敛量，安装由西南交大研发的限阻器，用以减少初期支护变形。限阻器由上下传力连接钢板和竖向限阻钢板组成，上下连接钢板平行放置，竖向限阻钢板焊接在上下连接钢板上，环向连接于初期支护结构中。利用低碳钢钢板较好的屈服变形能力和峰后残余承载能力，通过在受力过程中竖向钢板的弯曲塑性变形，实现限制结构内力、释放围岩压力的目的。同时采用限阻器后无论从经济性、施工进度均比单一加强支护更具优势，可以有效减少软弱围岩初期支护变形。

钢板控制变形装置选型图

（1）限阻器的选择

直板型装置压缩变形

斜板Ⅰ型装置压缩变形

斜板Ⅱ型装置压缩变形

通过三种限阻器根据三种不同方案的试验结果所得的数据，并结合施工实际从技术可行性、经济性、可靠性进行分析，选择斜板Ⅰ型。

斜板Ⅰ型限阻器尺寸图

（2）现场设计、试拼装

限阻器由工程部绘制图纸并进行交底，加工厂严格按照相关尺寸进行加工，在厂内进行试拼装并进行拼装检查，保证连接稳固、尺寸匹配。

变形装置与钢架拼装检查

（3）装置与拱架现场安装

连接螺栓直径为16mm，连接板设置四个孔位；焊接钢筋上下缘共16根，长30cm，直径20mm。

螺栓+混凝土连接示意图

绘制准确的安装位置图纸，保证限阻器安装位置准确并对现场施工人员进行统一交底，保证安装质量。

限阻器安装位置图

限阻器与拱架实际安装图

（4）施工完成后的监控量测

每5米在喷浆完成后2小时之内在拱顶、两侧拱腰各布置监控量测点（反光膜片）。每天配合第三方监测单位（中铁物探）采用全站仪每天至少对布置的监控量测点监测一次，对变形装置每8小时采用钢尺测量一次变形情况。

监控量测 变形装置变形后测量

（5）变形装置稳定后封闭

初期支护稳定，变形装置在不发生变形时，安排喷砼工人对变形装置进行喷砼封闭，存在空洞时进行注浆封闭。

（6）完成后的效果

经过为期两个月对变形装置的监测，变形装置按照预想效果进行了变形，变形空间最大可达52.2％，初期支护整体沉降小于10cm，对施工完成段落初期支护开裂情况现场检查确认，未发现混凝土开裂掉块等现象发生。

变形装置变形后效果

7.隐蔽工程验收

隐蔽工程施工质量对整个公路建设质量至关重要，施工中的隐蔽工程一旦不受控，整个公路项目极易出现质量问题，如初支开裂、掉块，二衬渗漏水等。在施工过程，我单位对容易出现的锚杆施做质量不合格、钢筋网间距超标、钢架安装质量不达标、二衬与初支接触不紧密、衬砌钢筋保护层不足等问题制定了针对性的验收措施以及程序，保留影像资料。

（1）锚杆

锚杆重点检查数量、长度、孔位、孔径、钻孔深度是否满足设计要求；

（2）钢筋网

钢筋网重点检查网格尺寸、钢筋保护层厚度、受喷岩面的间隙、绑扎搭接范围；

（3）钢架

钢架重点检查间距、垂直度、节段连接、焊缝（长度、宽度、厚度）、纵向连接、保护层厚度、轮廓尺寸；

（4）二衬

二衬重点检查初期支护表面平整度、防水卷材搭接宽度、焊缝宽度、固定点间距、钢筋间距；

（5）衬砌钢筋保护层

针对衬砌钢筋保护层忽大忽小的问题，项目部站门制定了隧道二衬钢筋保护层施工控制方案，绑扎钢筋前对隧道初支净空进行测量放样，确定隧道轮廓长度，根据长度下料。第一层钢筋绑扎结束后，再次放线，确定第二层钢筋位置，在第一层钢筋上焊接定位钢筋，先绑扎二衬两端头处钢筋，在两头处钢筋中间拉水平线，用粉笔标识环向主筋位置，安装中间环向钢筋、水平钢筋，安装垫块。

四、取得的效果

在“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”软弱围岩施工十八字方针指导下，在项目部技术团队的不懈努力下，项目部克服了大变形、断层、偏压、浅埋、涌水等不良地段。同时积极申报科技创新成果，撰写的《创新一种运用变形装置应对隧道大变形的新方法》荣获云南省和陕西省QC成果一等奖，荣获中国建筑业协会二类成果。于2020年年底实现了隧道全面贯通，比计划工期节省将近1年时间。

五、结束语

运用超前地质预报信息化手段和监控量测数据对掌子面前方围岩进行预判，选择合理的开挖工法，加强薄弱环节支护参数，优化设计方案，及时调整开挖预留量，增设临时钢支撑，使用限阻装置、加强施工过程控制能大幅度减少大跨度隧道软弱围岩变形，确保施工安全和质量，节约钢材，合理控制混凝土超耗，提高了项目盈利能力。

参考文献

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