软弱围岩隧道开挖及支护施工技术

软弱围岩隧道开挖及支护施工技术

刘高波

湖南尚上市政建设开发有限公司  湖南长沙 410004

摘要：软弱围岩隧道围岩岩质较软，岩体破碎（呈松散状态），自稳能力极差，开挖完成后存在渗水（裂隙水）、掉块现象，且易发生小规模坍塌。施工期间须做好超前地质预报、监控量测工作，严格控制各工序施工质量，同时控制好安全步距。以质量保安全，以安全促进度，保障隧道顺利贯通。

关键词：软弱围岩；超前地质预报；监控量测；安全步距

1工程概况

某隧道左线全长2480m（Ⅴ级围岩951m），最大埋深约338.886m；右线全长2474m（Ⅴ级围岩914m），最大埋深约346.298m。隧道左右洞均为下坡，坡率-2.1%，隧道建筑限界为8m×5m。隧道区海拔高程介于1080～1448m之间，相对高差368m，属构造侵蚀中山地貌区，地形起伏较大，地形坡度介于25°～45°之间，地表植被发育，多以树林为主。

根据地质调查及勘探显示，隧址区范围内主要地层为第四系坡残积层（粉质黏土、碎石）、古生代变质地层，围岩多为片岩，灰黑、灰绿、灰黄色。主要由云母、石英及长石等矿物碎屑组成，细粒变晶结构，片理构造，岩质较软，局部地段因层间挤压、地下水等因素影响形成岩质相对更软的软弱夹层，厚3-9米不等。节理裂隙发育，岩体呈碎裂状散体结构或块状镶嵌结构，片理倾角在40～50°之间，发育一组优势裂隙，倾角近垂直，隙面呈锯齿状，延伸长度0.3～1.5m，密度5～10条/m。

该隧道K80+230～400段平均埋深305m，段落内围岩以灰黑色全风化片岩为主，个别部位包含软弱夹层及石英颗粒，岩质较软，岩体破碎，呈褶皱状态，自稳能力极差，开挖完成后存在渗水（裂隙水）、掉块现象，易发生小规模坍塌。

2施工原则及安全步距

2.1施工原则

隧道施工由于开挖支护工序较多，初期支护拱顶沉降及净空收敛严重，为保证施工安全，避免出现大规模坍塌、钢拱架整体下沉、初期支护侵限的情况，应遵循“短进尺，弱爆破，强支护，早闭合、动态调整支护参数”的原则。

2.2安全步距

K80+230～400段支护参数为SD5a，施工工序复杂，仰拱施作后能够有效控制初支变形，因此仰拱应紧跟掌子面，仰拱距离掌子面不得超过40m（距离越小越好）；并及时施作二次衬砌，二衬距离掌子面不得超过70m。

3超前地质预报

地质雷达勘测能够准确判断出前方围岩特性、完整性、地质结构构造、水文情况、溶洞等，以此判定围岩级别。超前探孔（潜孔钻）可探明围岩硬度、松散程度、是否存在裂隙水等。若前方围岩富水量较大，还可起到提前泄水的作用。

因此施工前必须进行地质雷达勘测和超前探孔工作，为后续施工提供施工建议和注意事项。地质雷达与超前探孔（钻孔直径Φ76mm）同时进行，每次勘测30m，施工完成25m后进行下一次勘测，搭接5m。

4软弱围岩隧道开挖及支护施工

4.1软弱围岩隧道开挖施工

4.1.1开挖方法

根据K80+230～400段围岩级别（Ⅴ级）和超前地质预报显示的围岩情况，采用三台阶七步开挖法施工。

4.1.2开挖施工工艺

开挖过程中各台阶开挖与支护沿隧道方向错开，同步作业，开挖完成后即刻初喷4cm混凝土封闭工作面。开挖施工工艺如下：

测量放样→超前支护→上台阶弧形断面开挖支护→作业面检查→中台阶开挖支护（两侧错开，可同时开挖）→下台阶开挖支护（分别开挖）→分段开挖隧底→仰拱施作。

上、中、下台阶开挖过程中对稳定状态评估，若出现不稳定状态，及时停止上台阶开挖，对已完成段落进行加固，调整支护参数后再继续进行施工。

（1）上台阶弧形断面开挖：本段围岩钢拱架设计间距80cm，每循环开挖1榀，可根据围岩掉块情况适当缩短开挖长度，减小拱架间距。预留核心土长度宜为4～5m，宽度宜为开挖宽度1/3～1/2。开挖以机械开挖（单钩）为主，两侧拱脚辅以松动爆破的方式。两侧拱脚需进行弱爆破的，周边眼打设3～5个，间距50cm，单孔装药量根据松散程度0.5～1支（直径Φ32,单支长度30cm乳化炸药）；辅助眼打设数量、间距与周边眼相同，装药量为1～2支。

（2）中、下台阶开挖：由于软弱围岩隧道围岩破碎，且结合较差，中、下台阶以机械开挖为主，若存在孤石或较硬夹层时，采取弱爆破的方式，遵循“小间距、少装药”的原则（可隔孔装药）。开挖循环进尺保持与上台阶弧形断面相同。开挖时利用机械将上台阶拱脚挖出20～30cm，以确保钢拱架连接质量。

（3）隧底开挖：两侧下台阶开挖完成后2～3m后，及时进行隧底开挖并封闭成环。

4.1.3开挖注意事项

（1）开挖过程中应安排专人进行指挥，避免碰触超前小导管、已施工完成的钢拱架及锁脚小导管，以免造成坍塌、拱架扭曲变形、初期支护开裂、锁脚脱焊失效等情况。

（2）开挖时需弱爆破辅助的部位，钻孔深度不得超过拱架间距，以免造成滑塌。

（3）中台阶开挖过程中，左右两侧应错开2～3m，切忌两侧位于同一断面，易造成拱架整体下沉、脱落。

（4）中台阶、下台阶开挖时,切勿碰触连接钢板。

（5）隧道开挖完成后，观察工作面围岩岩质、节理发育程度、开挖面稳定状态、有无裂隙水等。一旦出现塌方迹象时（频繁掉块、出股状水带碎块），必须尽快撤离人员，制定处置方案，防止拱顶和边墙大范围坍塌。

4.2初期支护施工

4.2.1设计支护参数

K80+230～400段围岩支护参数设计如下：初期支护为I25+I22双层工字钢，间距80cm，交错布置；喷射混凝土32（29）cm，Φ820×20cm双层钢筋网片；拱顶打设Φ42×4mm小导管，长度L=350cm，间距100×80cm；预留变形量80cm（根据现场监控结果适当调整）；上台阶、中台阶两层钢拱架拱脚各打设2根Φ42×4mm小导管，长度L=450cm，与水平夹角15°。

超前支护设计为：Φ42×4mm小导管，单根长度4m，间距35cm，搭接长度≥1m，打设范围为拱部120°，注浆采用水泥浆液。

4.2.2工字钢拱架施工

（1）钢拱架加工。工字钢采用冷弯机进行加工，搭接处采用二氧化碳气体保护焊的工艺焊接。焊缝两侧附1cm厚10cm宽Q235钢板，钢板高度为上翼缘面板至下翼缘面板净空高度，四周满焊。

由于上台阶至中台阶施工期间围岩处于收敛状态，为保证中台阶施工时钢拱架处于设计轮廓位置，两侧拱脚根据净空收敛数据进行外扩，加工示意图如图1所示。

图1 钢拱架加工示意图

（2）钢拱架支垫。钢拱架连接钢板支垫设计为10mm厚连接钢板下垫10mm厚［32槽钢，由于拱顶沉降较大，中台阶开挖后存在钢板弯曲现象，连接钢板不能完全贴合，现场采用16mm钢板，下垫10cm厚30×30cmC20混凝土垫块进行支垫。

若由于出水原因造成拱脚浸泡的，必须将泥质基底清理干净，增加混凝土垫块，必要时利用混凝土加固基底。支立完成后，利用松土掩埋拱脚，掩埋高度20cm，以便于中台阶钢拱架连接。

（3）钢拱架纵向连接。设计钢拱架纵连接为Φ20钢筋，软弱围岩隧道围岩变化较快，为保证初期支护整体受力，防止出现单榀工字钢沉降、收敛较大的情况，现场采用I16工字钢进行连接，连接示意图如图2所示。

图2 钢拱架纵向连接示意图

4.2.3超前支护施工

由于围岩松散、破碎，开挖完成后经常出现掉块的现象，现场采用单根长度4m，间距20cm，拱脚50cm以上范围均打设超前小导管的形式，每3个循环（3榀）打设一次。

浆液采用双液浆（水泥、水玻璃），注浆水灰比1:1（重量比）；注浆压力0.5～1MPa。注浆时隔孔泵注，若出现漏浆、浆液串孔的情况，立即停止注浆，更换其它孔位。

4.2.4锁脚小导管施工

锁脚小导管的施工质量对于支护结构的稳定性起关键作用，锁脚易出现L型连接钢筋与小导管脱焊、锁脚小导管受力后开裂、弯曲变形等不良现象，现场采用双排锁脚的工艺：

上排锁脚距离拱脚70cm，长3m，与水平夹角15°；下排锁脚距离拱脚30cm，长4.5m，与水平夹角20°，自I16连接工字钢Φ50mm预留孔中穿过；L型连接钢筋长30cm，上下满焊于型钢翼缘板上；与小导管焊接采用单面焊，焊缝长度不小于20cm，施工示意图如图3所示。

图3 锁脚小导管施工示意图

4.2.5施工要求

（1）拱架连接要牢固，四颗螺栓要全部拧紧，并利用电焊将螺栓焊死，避免出现受力脱丝问题。

（2）连接钢板变形轻微的利用焊机将缝隙处满焊，变形严重的要将连接钢板切除重新焊接连接钢板。

（3）钢拱架安装垂直度满足设计及规范要求。

（4）锁脚小导管焊接要饱满，确保锁脚与钢拱架连接为一个整体。

（5）钢筋网纵、环向搭接1～2个网格，防止出现喷射砼沿无搭接位置受力开裂的情况。

（6）喷射砼要饱满、密实，严禁出现拱架背后脱空的现象。

（7）下台阶支护完成后尽快进行仰拱作业，构成完整的支护体系。

（8）隧道巡查时，检查喷射混凝土是否产生裂缝、表面是否存在剥离情况、钢支撑有无扭曲现象等。

（9）施工过程中及时抽水，严禁出现拱脚泡水、拱架悬空的现象。

（10）施工过程中在保证安全的情况下做到全程监控，掌控初期支护的变形情况。若支护系统出现不稳定性情况，现场立即停止施工。反馈现场情况至设计、总承包部、指挥部等单位，及时调整支护参数和变形量，保证施工安全。

5监控量测

5.1监控量测目的

监控量测是隧道施工的一道重要施工工序，是隧道管理的重要组成部分。根据监控量测数据，对不同围岩级别、支护类型、各施工阶段围岩稳定性和支护系统安全性及时进行分析和评估，以便有针对性的优化支护参数、改进施工工艺、有效控制初支变形，确保工程质量和施工安全，加快施工进度。

5.2 监控量测项目

隧道初期支护完成后拱顶沉降和净空收敛能够判断围岩是否稳定、初期支护结构的受力状态及变化速率，以此保证施工安全，提高施工效率，是主要的监测项目。

5.3 监控量测断面布设及点位安装

（1）监控量测断面：根据设计要求，Ⅴ级围岩10～20m布设一道，围岩破碎带适当加密。由于该段范围内围岩极差，初支变形较大，现场布设间距为5m。

（2）隧道施工各工序衔接紧凑，拱顶沉降及净空收敛均采用反射片形式，初期支护完成后布置在拱顶、上台阶弧形导坑两侧拱脚、中台阶两侧拱脚以上5～10cm位置。监测点位安装在初期支护混凝土中，利用电锤钻孔，塞入锚固剂，将加工好的监测点打入孔中，钢板打磨干净后粘贴反射片。点位安装如图4所示。

图4 监测点位安装示意图

5.4 监控量测方法

全站仪（莱卡12011"级）观测法：架设全站仪，利用反射片对中标志，测出各监控量测点坐标，计算本次与上一次的坐标差值即变化值，多次变化值相加即为累计值。为确保监测数据准确性，对同一断面的监测采用同一“站点”进行观测。

5.5 监测频率

监控量测频率是根据施工期间初支变化速度和距开挖面距离两大因素来决定。两项监测采用相同频率，考虑到软弱围岩隧道围岩稳定性差，受爆破震动、滴渗水等因素影响，二次衬砌施工前持续进行监测，根据位移速度确定监测频率。拱顶沉降、净空收敛监测频率见表1。

表1 拱顶沉降、净空收敛监测（位移速度）频率表

5.6 监控量测注意事项

（1）监控量测数据的整理、分析应及时有效，为现场施工提供安全保障。

（2）定期对监测控制点进行复测，确保其有效性。

（3）监测点应按要求埋设稳固，且施工过程中要加强保护。

（4）监测仪器按规定时间进行校核，以确保测量数据的准确性。

（5）监测数据出现异常时，迅速通知现场施工负责人和技术负责人，并提高监测频率，直至稳定为止。

6结束语

软弱围岩隧道围岩差且地质变化速度快，各施工工序严格按照规范及设计要求管控。根据施工效果和监控量测结果，选择合适的支护参数，能够有效提高施工效率、预防坍塌、确保工程质量与施工安全、促进施工进度。

参考文献：

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