隧道施工软岩大变形的预防处治措施及施工技术研讨

隧道施工软岩大变形的预防处治措施及施工技术研讨

易坤鹏

云南云路工程监理咨询有限公司，云南昆明650000

摘要：为深入贯彻落实党的二十大精神关于高质量发展对交通运输安全生产提出新的更高要求，加快构建安全新发展格局，着力推动高质量发展。当前交通运输工程建设项目数量日益增多，山岭高速桥隧比例高，工程质量安全工作亦任务繁重，要切实提高政治站位统筹发展与安全，坚持人民至上、生命至上，充分认识当前工程质量安全形势的严峻性、复杂性，高度重视建设项目大幅增长给质量安全带来的风险挑战，增强红线意识、责任意识和风险意识。要把安全生产尤其是桥梁隧道的安全生产工作当做首要的政治任务来抓，坚决遏制重特大事故，确保安全生产形势向好发展。本文对隧道施工软岩大变形的预防处治措施及施工技术进行了分析，具有较好的参考意义和借鉴价值。

关键词：隧道施工；软岩大变形；预防处治措施；施工技术研讨

概况：某分离式隧道，右幅起止点桩号为YK0+495〜YK2+757，分界段全长2262m；隧道起点〜YK0+773.86位于R=1350m、i=3%的左转圆曲线上，YK0+773.86〜YK0+923.86位于R=1350m、Ls=150m的左转缓和曲线上，YK0+923.86〜YK2+428.42位于直线上，YK2+428.42〜YK2+618.42位于R=1700m、Ls=190m的右转缓和曲线上，YK2+618.42〜隧道止点位于R=1700m、i=2%的右转圆曲线上；隧道所在路段纵坡为-2.900%、-2.700%；隧道最大埋深约为461m。左幅起止点桩号为K0+505.04〜K2+794，分界段全长2288.96m；隧道起点〜K0+729.18位于R=1230m、i=3%的左转圆曲线上，K0+729.18〜K0+899.18位于R=1230m、Ls=170m的左转缓和曲线上，K0+899.18〜K2+450.05位于直线上，K2+450.05〜K2+640.05位于R=1700m、Ls=190m的右转缓和曲线上，K2+640.05〜隧道止点位于R=1700m、i=2%的右转圆曲线上；隧道所在路段纵坡为-2.900%、-2.700%；隧道最大埋深约为471m。左右幅隧道测中线距离约34m〜42m，累计总长4550.96m。

1 隧道病害情况

该隧道围岩主要为碳质板岩，密实性差，呈松散状或角砾状镶嵌结构，岩体破碎，完整性差，薄片状，地下水较丰富，开挖扰动围岩遇水易泥化、软化，导致初支、仰拱、二衬开裂，施工难度较大。主要表现为：部分段落初期支护变形较为严重，钢拱架扭曲变形，喷射混凝土离鼓、开裂、掉块，局部段落发生拱顶下沉、周边收敛导致初期支护侵入二衬限空等情况，仰拱填充面沿隧道中线附近纵向开裂，二衬多在边墙处向拱腰沿45°方向斜裂缝，松散裂隙水和基岩裂隙水较丰富，掌子面涌水。

2 病害原因分析

该段隧道位于地质构造断裂带，受地质构造作用，多分布碳质板岩、千枚岩等变质软岩，围岩自稳性差，在施工扰动下极易失稳，加之局部地段地下水较丰富，围岩遇水易泥化、软化，大大降低了围岩承载力，是发生病害的主要原因。

3 处理方案

3.1为避免洞内二衬、仰拱裂缝继续发展，在洞内仰拱及二衬开裂段隧道两侧拱脚处打设两排Φ108×6mm的注浆钢管桩，钢管采用无缝钢管，螺丝口连接，纵向间距100cm，钢管长9m，钢管桩孔内设置4根Φ22HPB300钢筋制作而成的钢筋笼以增强桩的强度。

3.2洞内二衬、仰拱开裂段仰拱基底采用Φ89×4mm注浆钢管加固，每根长4.5m，间距100×100cm梅花型布置，仰拱裂缝采用水泥浆封闭，并设置20cm钢筋混凝土面板。

3.3对二衬裂缝进行监测及检测，二衬开裂处用红油漆标记，并贴石膏条，沿裂缝50cm间距一个，仰拱开裂段落在每板仰拱填充面设置一组监测点（纵向间距20m一组，每组横向3个点），定期监测并做好记录，标记日期，及时掌握仰拱变形情况。

3.4初支开裂变形段设置临时钢支撑支护加固，加强锁脚小导管及在原有超前支护小导管间对需换拱部位按环向100×60cm间距施作4.5m长Φ42×4注浆小导管，尽量打设在原有小导管与小导管中部，避免产生冲突。注浆加固稳定安全措施完善后开始换拱。

3.5注浆材料为水泥浆，浆液浓度根据岩体条件加以调整，水泥浆的水灰比为1:1。注浆压力：初始压力0.5~1.0MPa，终止压力2.0MPa。注浆过程尽量缓慢，注一段时间需停顿一段时间再注，注浆量计算参考的土填充率为5％，注浆量计算公式：注浆量=注浆范围面积×填充率。注浆结束标准：单孔注浆压力达到设计终压并继续注浆10min以上，可结束本孔注浆。

3.6换拱施工方案

3.6.1 待浆液凝固后，在拆除拱架节段的两侧35厘米处，人工用风镐凿出10厘米宽凹槽，用氧气焊切割连接钢筋、钢筋网片以及原有超前小导管，使需拆除拱架节段与初支结构完全剥离。

3.6.2 人工手持风镐凿除剥离部分拱架节段的喷射砼，拆除拱架节段连接板处的连接螺栓。

3.6.3 单元节段拱架拆除后，对侵限部分采用人工手持风镐凿除，测量检查开挖尺寸是否满足要求，对满足要求后视围岩情况及时对开挖面初喷，再行按设计要求施作初支，拱脚处设置4根锁脚导管并与钢架进行焊接。

3.6.4 喷射砼之前再次检查尺寸是否正确，确保不造成二次欠挖。喷射砼完成后重复以上步骤对下步节段进行拱架拆除、安装。

3.6.5 拱架安装时，测量员严格对拱架进行定位，质检人员检验拱架的垂直度和中线偏位，严格控制欠挖，坚决杜绝二次换拱。

3.6.6 拱架拆除顺序：拱顶A单元→A单元左侧→A单元右侧→B单元左侧→B单元右侧。

3.6.7 换拱严禁爆破，钢支撑连接板严格按设计施工，螺栓连接到位，换拱严格按一次一榀的要求进行，换好一榀支护一榀，再换下一榀的原则。

3.6.8 换拱后具备施作仰拱条件及时施工仰拱，每2米仰拱施工成环，同时二衬紧跟。

3.6.9 加强换拱前后的监控量测。

3.6.10 设置换拱段的逃生管道并保证逃生通道的畅通，防止意外发生。

3.7 编制应急预案，保证施工安全。隧道施工现场应准备充足的应急抢险物资，紧急情况及时启动应急抢险预案。

3.8 涌水掌子面处理

隧道涌水处理应符合“预防为主、疏堵结合、注重保护环境”的原则。

3.8.1 对涌水量每天早晚各一次量测，掌握涌水量变化情况，并及时排除隧道内积水，避免隧道被水浸泡。

3.8.2 施工单位、监控量测单位加强涌水段周边隧道初支监控量测频率，若出现异常情况，应立即上报并采取相应处理措施。

3.8.3 在掌子面位置打设三个20m长超前探孔，用于排水减压、探测掌子面前方地质情况，加强地质超前预报，发现异常情况及时上报。

3.8.4 先将水集中引排之后挂设防水板，立钢拱架，挂钢筋网片，然后施作喷射混凝土，在喷射混凝土相应位置预留直径20cm钢管至初支背后的空腔，采用泵送C25混凝土回填1m厚度形成护拱。

4 隧道施工软岩大变形研讨处治措施

针对软岩大变形段隧道需进行试验段施工，以取得相应的支护参数和施工方法，用以指导下阶段隧道施工及病害处治。结合专家意见及现场实际，分三种情况进行处治及试验段施工。

4.1 对已施作仰拱及二衬开裂段落，在二衬边墙脚沿纵向增加一排Φ108mm钢管，间距1m，管内加钢筋骨架以增加二衬底脚承载力。

4.2 对初期支护变形段落，在初支钢架A、B单元连接部位将锁脚注浆导管由Φ42mm钢管调整为Φ89mm（管内加钢筋）钢管，C、D单元连接部位增加Φ108mm（管内加钢筋）锁脚钢管，地下水丰富段落在初支仰拱下加Φ89mm长450cm钢管桩以增加基底承载力。

4.3 新开挖支护试验段，基本支护参数为：初支钢架工字钢全部调整为I22b，钢架间距50cm；纵向连接钢筋环向间距50cm，双层钢筋网片；A、B单元锁脚导管由Φ42mm钢管调整为Φ89mm；C、D单元拱脚处增设Φ108mm锁脚钢管，纵向间距100cm，钢管长900cm，钢管内设置4根Φ22HPB300钢筋制作而成的钢筋笼以增强桩的强度；地下水丰富地段在仰拱下加设Φ89mm钢管桩，单根长450cm，梅花形布置；每20m仰拱埋设三根不同位置的Φ108mm钢花管（钢花管钻孔、外包土工布），以便后续探测基础承载力和地下富水情况。

5 预防措施

隧道超前地质预报、开挖、支护与衬砌、监控量测、防水和排水各道工序严格按设计图纸及规范要求进行控制。严格遵循“早预报、先治水、短开挖、弱爆破、强支护、勤测量、早封闭”的施工原则。

5.1 超前地质预报

5.1.1 隧道超前地质预报达到的目的：进一步查清掌子面前方的工程地质与水文地质条件，指导工程施工的顺利进行；降低地质灾害发生的几率和危害程度；为动态设计和施工提供地质依据。

5.1.2 隧道超前地质预报报告的内容：地质情况及水文地质情况；对照图纸提供的地质资料，预报地质条件变化情况及对施工的影响程度；预报可能出现的不良地质及其对施工的影响，以及处理措施等；隧道施工中由于措施不当可能造成围岩失稳时，应及时采取的改进措施。

5.2 洞身开挖

5.2.1 洞身开挖应根据隧道长度、断面大小、结构形式、工期要求、机械设备、地质条件等选择适宜的开挖方案（包括开挖顺序、爆破、施工照明、通风、排水、支护、出渣等）。为了最大限度地利用围岩自承能力，必须采用有利于减少超挖、减少围岩扰动的开挖方法进行洞身开挖。

5.2.2 开挖作业应符合下列规定：

（1）确定合理的开挖步骤和循环进尺，保持各开挖工序相互衔接，均衡施工。

（2）开挖作业必须保证安全，不得危及初期支护、二次衬砌和设备的安全，并应保护好量测用的测点，宜减少对围岩的扰动。

（3）开挖断面尺寸应满足设计要求，应采用有效的测量手段控制开挖轮廓线；边沟、电缆沟及边墙基础应同时开挖；所有开挖应按图纸标明的开挖线并加入预留沉降量后的尺寸进行施工；开挖质量应符合设计及规范要求，严禁二次爆破开挖，在开挖过程中，施工单位应适时测定隧道轴线位置和高程。

（4）开挖后应做好围岩地质的核对，及时做好监控量测工作。地质变化处和重要地段，应有相应照片或文字描述记载。

5.3 支护与衬砌

隧道施工支护应配合开挖作业及时进行，确保施工安全；隧道衬砌不得侵入隧道建筑限界，开挖放样时可将设计的轮廓线扩大50mm，不得减少衬砌厚度；支护与衬砌材料的标准、规格及要求等应满足设计要求。

5.3.1 喷射混凝土

喷射混凝土工程质量控制是关系到隧道耐久性和安全性的关键环节，为有效提高喷射混凝土的均匀性和耐久性，确保喷射混凝土强度等级，必须采用湿喷工艺。

（1）原材料控制要求

喷射混凝土所用原材料水泥、细集料、粗骨料、拌合水、外加剂（液体速凝剂与减水剂）及外掺料（硅粉、矿粉、纤维）除满足国家相应规范要求外，还应遵守以下规定：

a.水泥宜采用42.5级以上（含42.5级）硅酸盐水泥。

b.细集料宜选用级配合理，细度模数为2.5〜3.2的坚硬耐久的中粗砂，河砂和机制砂均可，选用机制砂时石粉含量宜≤10%。

c.粗骨料应选用5〜15mm级配良好的卵石或机制石。

d.液体速凝剂应重视性价比和强度保证率，性价比应从产品价格、掺量、混凝土强度损失及工艺性四个方面进行综合比选。速凝剂应与水泥相容性良好，水泥净浆初凝不应大于5min，终凝不应大于10min.

（2）拌合、运输要求

湿喷混凝土应就近设置独立的搅拌站，并采取全自动计量强制式搅拌机，施工配料严格按配合比进行操作，坍落度宜控制在8〜12cm，搅拌时间不得少于60s，速凝剂在喷射机喂料时加入。运输采用混凝土运输罐车，随运随拌；喷射混凝土时，应采用两辆以上运输罐车交替运料，以满足湿喷混凝土及时供应；在运输过程中，要防止混凝土离析、水泥浆流失、坍落度变化以及产生初凝等现象。

（3）喷射工艺要求

配合比、喷射机械、工艺流程及技术要求严格按照设计图纸及规范要求进行施作。

（4）喷射混凝土质量要求

喷射混凝土的早期强度应满足设计要求，C25喷射混凝土容重应大于2300kg，3h强度应达到1.5Mpa，24h强度应不小于10Mpa。

a.每批喷射混凝土原材料到达工地后进行质量检查，合格后方可使用。

b.对于喷射混凝土混合料的工作性能，每工作班组检查次数不得少于两次，条件变化时应及时检查。喷射混凝土出站后宜在2h内喷射完毕，施工过程中严禁二次加水，坍落度损失过大时，可添加少量减水剂进行恢复。

c.喷射混凝土厚度不得小于设计厚度，喷射完成后应检查喷射混凝土与岩面粘结情况，可用锤敲击检查。当有空鼓、脱壳时。应及时凿除，冲洗干净进行重喷，或采用压浆法充填，必要时采用探地雷达进行空洞检测确定空洞深度和范围。

d.喷射混凝土表面若有裂缝、脱落、掉块、侵限、渗漏水等情况时，应及时进行处治，保证喷射混凝土质量和净空要求。

e.喷射混凝土工程质量应做到“内实外平”，强度指标和喷层厚度均应满足设计要求，应同步监控检查早期强度和28d基准强度。强度及性能检测应采用喷射施工时同步喷射大板法或钻芯法制取试件，严禁试验室装模或装板制取。

5.3.2 钢架施工

（1）钢架安装前检查开挖断面轮廓、中线及高程。

（2）钢架安装应确保两侧拱脚必须放在牢固的基础上。安装前应将底脚处的虚渣及其他杂物彻底清除干净；脚底超挖、拱脚高程不足时，应用喷射混凝土填充；拱脚高度应低于上半断面底线15〜20cm,当拱脚处围岩承载力不够时，应向围岩方向加设钢垫板、垫梁或浇筑强度不低于C20的混凝土以加大拱脚接触面积。

（3）钢架应分节段安装，节段与节段之间应按设计要求连接。连接钢板平面应与钢架轴线垂直，连接钢板连接紧密。

（4）相邻两榀钢架之间采用钢筋直径不小于18mm，间距不大于1.0m的纵向钢筋连接。

（5）钢架立起后，根据中线水平将其较正到正确位置，然后用定位筋固定，并用纵向连接筋将其和相邻钢架连接牢靠。钢架安装时应垂直于隧道中线，竖向不倾斜，平面不错位、不扭曲。上、下、左、右允许偏差±50mm，钢架倾斜度应小于2°。

（6）钢架在初喷混凝土后安装，应尽可能与围岩或初喷面密贴，有间隙时应采用混凝土垫块楔紧。

（7）钢架应严格按设计架设，间距必须符合设计要求，钢架安装位置采用红油漆进行标注，并编写号码。

（8）下台阶开挖时，预留洞室的位置也要按设计要求进行支护，只有在施工二衬时方可拆除，以确保安全。

（9）钢架安装就位后，钢架与围岩之间的间隙应用喷射混凝土充填密实，并使钢架与喷射混凝土形成整体。喷射混凝土应由两侧拱脚向上对称喷射，并将钢架覆盖，临空一侧的喷射混凝土保护层厚度应不小于20mm。

（10）钢架应经常检查，如发现破裂、倾斜、弯扭、变形以及接头松脱漏空等异状，必须立即加固。

（11）钢架的抽换、拆除，应本着“先顶后拆”的原则进行，防止围岩松动坍塌。

5.3.3 钢筋网

（1）应在初喷一层混凝土后再进行钢筋网的铺设。

（2）宜随受喷面起伏铺设，与受喷面间隙宜控制在20〜30mm之间。

（3）钢筋网应与锚杆或其他固定装置连接牢固，在喷射混凝土时不得晃动。

（4）钢筋搭接长度不得小于30d（d为钢筋直径），并不得小于一个网格长边尺寸。

5.3.4 系统小导管

（1）按设计支护类型、支护长度、间距、上仰角度打设安装。

（2）管口用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙，管口安装封头和孔口阀，并能承受规定的最大注浆压力和水压。

（3）注浆前，应对开挖面及周边喷射混凝土封闭，以防止注浆作业时发生孔口跑浆现象。

（4）注浆压力应为0.5〜1.0MPa，注浆按由下至上的顺序施工，浆液先稀后浓、注浆量先大后小。

（5）结束标准：以终压控制为主，注浆量校核。当注浆压力为0.7〜1.0MPa持续15min即可终止。

（6）注浆后至开挖的时间间隔，应视浆液种类决定。当采用单液水泥浆时，开挖时间为注浆后8h，采用水泥—水玻璃浆液时为4h左右。开挖时应保留1.5〜2.0m的止浆墙，防止下一次注浆时孔口跑浆。

5.3.5 衬砌钢筋

（1）横向钢筋与纵向钢筋的每个节点均必须进行绑扎或焊接；

（2）钢筋焊接搭接长度应满足设计及规范要求，受力主筋的搭接采用焊接，焊接搭接长度及焊缝应满足规范要求；

（3）相邻主筋搭接位置应错开，错开距离不应小于1000mm；

（4）同一受力钢筋的两个搭接距离不应小于1500mm；

（5）箍筋连接点应在纵横向筋的交叉连接处，必须进行绑扎或焊接；

（6）安装钢筋时，钢筋长度、间距、位置、保护层厚度应满足设计要求。

5.3.6 衬砌混凝土

（1）达到“六无”要求（无错台、无漏浆、无冷缝、无气泡、无色差、无渗漏）。

（2）结构轮廓线条直顺美观，无跑模、露筋现象，混凝土颜色均匀一致。

（3）施工缝平顺，节段接缝处错台小于10mm，表面无渗水印迹。

（4）混凝土表面密实，无因施工养护不当产生裂缝。

6 隧道防排水施工

遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则进行施工，保证隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全，并对地表水、地下水妥善处理，形成一个完整通畅的防排水系统。

7 监控量测

将监控量测纳入施工工序管理，掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈，指导施工作业；通过对围岩和支护的变形、应力量测，为修改设计提供依据。

8 结语

    通过隧道施工软岩大变形的预防处治措施及施工技术研讨，在施工中不断总结，不断完善，隧道施工质量得到较好的控制，确保了工程质量和安全。

作者简介：易坤鹏，男，1986.03，本科，现任职云南云路工程监理咨询有限公司，从事公路工程监理工作。