泥质粉砂软岩隧道处置技术研究

泥质粉砂软岩隧道处置技术研究

蔡明桐

广西路桥工程集团有限公司（广西南宁530000）

摘要：本文以某特长隧道为依托工程，在分析泥质粉砂软岩隧道地质和监测情况的基础上，提出了软岩变形段处置的关键技术：包括调整开挖方法、加强超前支护和拱架连接、仰拱及时跟进、增加锁脚等相关技术措施，有效解决了软岩变形段沉降变形大、施工风险高的技术难题，旨在为同类型隧道施工提供借鉴。

关键词：隧道工程；软岩隧道；超前支护；监控量测

隧道软岩变形段处置关键技术作为隧道工程施工控制的重要工程措施，近年来在隧道工程病害处置中得到了重点研究和广泛应用。针对泥质粉砂软岩隧道而言，隧道围岩岩体的节理较为发育，岩体发育较完整呈中厚构造，整体稳定性差，围岩强度较低，岩体的软化系数小、耐水性差，浸水容易软化崩解，在软岩段施工过程中面临很大的考验，若处理不好，则可能导致隧道初支面围岩发生不均匀沉降或严重变形，超出隧道规定的最大预留变形量，更严重者可能导致隧道发生坍塌冒顶，造成更大的安全事故。本文以广西某高速公路的特长隧道为依托工程，重点研究了泥质粉砂软岩隧道处置的关键技术，通过动态调整隧道施工方法、优化支护方案，增强隧道围岩的整体稳定，使隧道的监测沉降值得到有效控制，确保隧道软岩变形段施工的安全性。

一、工程概况

某高速公路建设过程中穿越十万大山的一座在建特长隧道，起讫里程K21+380～K25+564，隧道全长4184 m，最大埋深为406 m，为分离式隧道。该隧道围岩主要为泥质粉砂岩和砂岩（图 1），中风化泥质粉砂岩属于软岩，中风化砂岩及微风化泥质粉砂岩属较软岩，呈中～厚层状构造，节理裂隙发育，岩体较破碎，隧道立面设计图如图 2。

图 1 隧道掌子面围岩破碎       图 2 隧道立面设计示意图（单位：cm）

二、隧道施工过程

1.地质条件分析

泥质粉砂岩除具有软岩的共同特点外，在胶结作用、不同饱和度下的力学表现、密实程度也有所变化，根据围岩的特点，结合公正隧道为依托工程，对风化泥质粉砂岩的物理力学特征做进一步的描述。

风化砂岩在地表长时间暴露时，经过风化及水、光照等环境因素长期影响下，黏土成分的增加将导致岩体的整体强度下降，其强度受胶结程度的影响，与颗粒组成、风化程度和富水程度等多个因素也紧密相连。项目主要选取了隧道3倍洞径范围内采取的岩石试样进行室内饱和单轴抗压强度试验（表 1），试验结果表明所处地区围岩的软化系数较小、耐水性差，浸水容易软化崩解。砂岩的颗粒组成不同，强度也随之不同，砂岩的压缩模量在天然状态下和饱和状态下都比较高，随着含水量升高而逐渐降低[1]。

公正隧道出现围岩大变形的原因主要包括两个方面，第一是开挖岩体具有膨胀性，膨胀性岩体含有较多的亲水矿物，一旦岩体中存在渗流或围岩开挖后遇水，围岩发生体积膨胀将使已开挖洞室发生较大的变形；第二是隧道在复杂地应力作用下发生较大的挤压变形，隧道开挖后由于应力重新分布，导致局部围岩应力过大，而泥质粉砂岩的围岩强度较低，洞室周边容易出现较大范围的塑性变形，使得岩体发生挤压或剪切作用，迫使岩体向着已开挖空间移动，从而使隧道出现围岩大变形。

表 1 室内岩石单轴饱和抗压强度试验成果表

2.监控量测分析

隧道施工严格按照《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660-2020）的要求，通过监控量测掌握围岩和支护动态信息，判断围岩稳定性及支护、衬砌可靠性，以监控量测数据为基础根据调整施工方法、变更支护设计，确保隧道进行动态设计、动态施工。隧道软岩变形段施工将拱顶下沉和周边位移量测作为必测项目，必要时进行地表下沉和拱脚下沉量测项目（表 2），根据地质条件和工程特点，每5～50 m布设一个量测断面，周边位移及拱顶下沉监测点应布设（图 3）在同一断面上[2]。

图 3 拱顶下沉及周边位移布置示意图

表2 监控量测项目及量测频率

公正隧道出口端右线K25+515～K25+360段，围岩为强-中风化泥质粉砂岩，施工过程中围岩自稳能力差且含水量高，逐榀开挖初期支护完成后仍有大面积淋雨状，掌子面开挖初喷后仍极易发生掉块，在开挖过程中常有小面积滑塌，严重影响施工安全。

在K25+505～K25+475段初期支护完成后沉降变形下沉严重，经监测，该段围岩周边位移在32～46 cm之间，拱顶下沉在18～31 cm之间。隧道上台阶开挖后，随着临空面大大增加，应力的释放导致围岩拱顶下沉变形速率最大达到了32 mm/d、周边位移变形速率达到了41 mm/d，随着后续喷射混凝土和初期支护施工的闭合，围岩变形速率逐渐减小。对以上情况分析，项目需采取措施加强超前支护及隧道开挖后的初期支护，围岩支护结构的尽早封闭对于围岩变形效果也有较好的控制效果。

三、软岩变形段处置关键技术

1.三台阶预留核心土开挖法施工

项目以弧形导坑开挖三台阶预留核心土为基本模式，分三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进[3]。选择三台阶预留核心土开挖法对于隧道软岩变形段施工，具有以下优势：（1）施工空间大，便于机械化施工，实现多作业面平行作业，在软岩变形段可以充分使用湿喷机械手和锚杆台车等智能化设备施工，工序操作便捷，工效高。（2）隧道地质条件发生变化时，动态、灵活及时地转换施工工序，调整施工方法。（3）在台阶法开挖的基础上预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。（4）软岩段发生变形较大或突变情况时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

2.超前支护施工

隧道围岩稳定性较差时，应优先进行超前支护施工，应对岩体塌方、沉降发生变形等特殊情况时，可采取下述措施。（1）洞内发生小型塌方或者沉降变形较严重时，在拱顶增设φ108超前长管棚支护，长度为18 m。（2）洞内沉降变形较大时，在拱部约131°范围内增设φ42超前小导管（图 4）。方案一：由单层超前小导管变更为双层超前小导管注浆施工，间距为240 cm。方案二：加密单层超前小导管，环向间距由40 cm调整为20 cm。超前支护采用水泥浆液注浆，水泥浆液水灰比控制在1：1，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa。

图 4 增设超前小导管方案对比示意图

3.钢拱架连接加强

钢拱架是初期支护中关键的受力结构，其连接部位是受力的薄弱点，影响拱架的整体受力，在隧道软岩变形段容易出现问题，加强钢拱架连接可以从以下几个方面出发：（1）提高钢拱架加工技术，按1: 1大样验收后按图进行试拼装。（2）加强拱架连接板焊接技术要求，对钢拱架连接处使用M20高强螺栓进行连接（图 5），确保所有螺栓螺帽牢固，避免在拱顶、拱底受力较大位置设置接头。（3）钢支撑纵向采用工字钢连接，拱架节段接头位置采用I14钢拱架纵向焊接连接环向钢拱架补强（图 6）。（4）型钢拱架边墙落脚基础部位使用纵向槽钢或预制砼垫块进行垫底，确保拱脚支垫到位。

图 5 M20高强螺栓试拼钢拱架           图 6 钢拱架纵向连接加强

4.仰拱跟进

钢拱架闭合成环后能更好地改善其整体受力，未闭合成环的拱架初支段如同结构悬臂（图7），围岩压力集中在悬臂端上，增加隧道施工的风险。因此仰拱应紧跟开挖面施作，尽快形成封闭环，增加整体稳定性。

5.增设上、中台阶锁脚锚管

为保证拱脚处围岩稳定性，在拱脚和边墙脚处增设锁脚锚管，在原设计φ42×4 mm（钢管长度为3.5 m）锁脚锚管的基础上，增设φ108×6 mm锁脚锚管（图 8），钢管长度为6 m，每榀拱架增加8根，并及时进行注浆。

图 7 隧道施工示意图                 图 8 增设锁脚锚管示意图

6.工程应用效果

采用上述施工处置措施后，公正隧道软岩变形段监控沉降值得到了有效控制，选取软岩变形段K25+405处处置后的量测数据进行对比分析，拱顶最大累计变形量由304 mm降低至148 mm（图9），周边位移最大累计变形量由453 mm降低至149 mm（图10），沉降速率显著降低，施工过程中无坍塌冒顶现象，能预留出足够的变形量，处置措施达到成效[4]。

图 9 处置前后拱顶和周边位移累计变形量对比   图 10 处置前后拱顶和周边位移变形速率对比

四、结语

1.本文提出的软岩变形段处置关键技术，较好地解决了泥质粉砂软岩隧道沉降变形大、施工风险高的技术难题，为类似项目提供参考。2.从沉降监测结果分析，超前支护的加强有利于隧道开挖前沉降变形的控制，围岩支护的尽快封闭和增设锁脚锚管对减小围岩变形效果显著。3.超前支护注浆采用水泥浆液，经过优化方案和配合比设计，可有效加固围岩，起到良好的防水、堵水的效果。

参考文献：

[1]徐天村.泥质粉砂岩地层隧道变形的分析研究[J].科技风,2015(20):161-162.

[2]杨彦岭.野三关隧道软岩变形段施工技术[J].铁道建筑技术,2010(06):33-37.

[3]姚铁峰.大跨度极软岩大变形隧道施工技术[J].交通世界,2020(30):39-40.

[4]佟晓冬,郭金冀,谭贤君.天津关隧道软岩大变形段锁脚锚杆支护技术研究[J].施工技术(中英文),2022,51(13):81-83+90.

【作者简介】蔡明桐（1996.12-），男，汉族，广西玉林市人，大学本科学历，广西路桥工程集团有限公司助理工程师，主要研究方向：特长隧道和特大桥技术。