高原隧道軟巖大變形及支護(hù)施工技術(shù)探究

周建偉

摘要 軟巖隧道的施工難度大、安全隱患多，因其具有復(fù)雜構(gòu)造的巖層，且軟巖易變形，若處置不當(dāng)易引起安全生產(chǎn)事故。文章就軟巖大變形條件下高原隧道施工進(jìn)行了分析和研究，闡述了關(guān)于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、爆破、開挖、監(jiān)控、量測(cè)等軟弱圍巖隧道方面的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高隧道初期支護(hù)穩(wěn)定性，減小初期支護(hù)變形收斂，達(dá)到減少初期支護(hù)變形侵限風(fēng)險(xiǎn)的效果，為優(yōu)化監(jiān)管、提高效率、保障安全等重點(diǎn)環(huán)節(jié)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 隧道;軟巖大變形;措施優(yōu)化;高原施工

中圖分類號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）10-0139-03

0 引言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略持續(xù)深化，西部高原地區(qū)修建隧道數(shù)量增多、難度增大，特別是遇到軟巖隧道，開挖易造成軟巖大變形，事關(guān)經(jīng)濟(jì)效益和人身安全。如何確保此類高原軟巖隧道施工安全已成為工程重點(diǎn)研究對(duì)象，因此軟巖隧道施工大變形控制技術(shù)的研究具有重要的工程意義。對(duì)于軟巖大變形關(guān)鍵施工控制技術(shù)，許多專家展開了相關(guān)研究，得到很多富有意義且指導(dǎo)性強(qiáng)的成果[1-3]。劉成華[4]在解決中條山隧道在施工至高地應(yīng)力F7主干斷層段初期支護(hù)發(fā)生嚴(yán)重變形開裂的問題時(shí)，選取“剛性支護(hù)一次到位”和“柔性支護(hù)釋放應(yīng)力后進(jìn)行二次支護(hù)”2種方案進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。雖然目前對(duì)于隧道軟巖大變形控制的研究已卓有成效，但針對(duì)高海拔軟巖隧道施工控制技術(shù)研究仍然缺乏，不同地質(zhì)條件和施工環(huán)境對(duì)于施工控制技術(shù)具有差異。該文以某高原深埋隧道為例，就大變形控制體系及關(guān)鍵施工工藝進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為類似工程施工提供技術(shù)參考。

1 工程概況

該高原隧道中，其軟巖、斷層帶在高應(yīng)力和富水等條件下，產(chǎn)生具有明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性變形，其中軟巖層的段落變形主要表現(xiàn)在變形快且具有流變性，圍巖破壞的范圍大，以及隨著隧道埋深的加大，變形破壞趨勢(shì)逐漸強(qiáng)烈，常規(guī)支護(hù)難以維護(hù)隧道洞身穩(wěn)定。

2 隧道軟巖大變形施工技術(shù)

由于高原地區(qū)施工的特殊性，遵循大型電動(dòng)機(jī)械優(yōu)先、以人為本、減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度的原則，充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，形成大機(jī)作業(yè)工裝、工藝、工法成套建造技術(shù)，運(yùn)用信息化大數(shù)據(jù)技術(shù)，統(tǒng)籌建設(shè)管理全過程。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

目前，地質(zhì)雷達(dá)法、TSP法、地質(zhì)調(diào)查法、紅外探水法、加深炮眼和超前鉆孔等，是隧道施工較為常用的常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。如圖1所示的是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的流程，必須嚴(yán)格按照“先探測(cè)、后施工，不探測(cè)，不施工”的要求，將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入正常施工工序。采用TSP每次探測(cè)100～200 m，即利用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)全程宏觀控制，連續(xù)實(shí)施短距離全程的紅外線探水儀探測(cè)30 m;同時(shí)，進(jìn)一步短距離探測(cè)強(qiáng)化、補(bǔ)充和驗(yàn)證，由地質(zhì)雷達(dá)每次探測(cè)30 m;每次超前水平鉆探30 m，加密鉆探地質(zhì)較差的地段，前后兩循環(huán)孔應(yīng)搭接5～8 m，并對(duì)常規(guī)地質(zhì)素描及加深炮孔進(jìn)行綜合分析。

2.2 圍巖監(jiān)控量測(cè)

圍巖監(jiān)控量測(cè)貫徹隧道的整個(gè)施工流程，對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)分析處理后，預(yù)測(cè)圍巖變形趨勢(shì)，驗(yàn)證和修改設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，采取相應(yīng)的施工措施，科學(xué)地組織和指導(dǎo)施工，保證隧道施工安全。通常每5 m設(shè)置一個(gè)大變形地段的觀測(cè)斷面，確保5個(gè)點(diǎn)/斷面，變形數(shù)據(jù)異常時(shí)可適當(dāng)加密觀測(cè)斷面。施工過程中注意監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性及準(zhǔn)確性，及時(shí)反映圍巖及初支收斂情況，通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理及分析，對(duì)可能的最值、變化速度進(jìn)行回歸分析預(yù)測(cè)，從而確定相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)及預(yù)留變形量。

2.3 開挖爆破

圍巖自身存在一定的自支護(hù)能力，開挖本質(zhì)是對(duì)圍巖自支護(hù)能力的破壞，最重要的是保護(hù)圍巖的自支護(hù)能力，預(yù)防掌子面崩塌，減少超挖，保證洞壁的平順，從而達(dá)到減小后期初支變形的效果。

若對(duì)軟弱圍巖的地段進(jìn)行全斷面開挖，由于掌子面凌空面較大，容易引起溜塌事件，有塌方風(fēng)險(xiǎn);若采用長臺(tái)階方法開挖，由于初支收斂速率較大，圍巖擠壓上臺(tái)階鋼架造成收斂變形，會(huì)導(dǎo)致下臺(tái)階施工時(shí)上、下臺(tái)階連接處鋼架不能合攏、密貼，破壞鋼架整體受力結(jié)構(gòu)。若采用臺(tái)階長度3～5 m的微臺(tái)階方法進(jìn)行施工，及時(shí)開挖下臺(tái)階及仰拱初支，保證初支鋼架及時(shí)成環(huán)，整體受力。

炸藥采用乳化炸藥，采用斜眼掏槽、周邊眼光面爆破，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、非電毫秒雷管起爆。機(jī)械鉆孔使用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)隧道實(shí)際環(huán)境和條件選配三臂風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行輔助鉆眼。隧道爆破設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)如下：

炮眼直徑：對(duì)炮眼數(shù)目、鑿巖生產(chǎn)率、單位耗藥量和洞壁的平整程度等都會(huì)產(chǎn)生影響，該次選擇38 mm。

炮眼間距：主控周邊眼間距，控制在40 cm;掏槽眼控制在40 cm;輔助眼控制在60 cm;底板眼控制在50 cm。。

單位炸藥消耗量：Ⅴ級(jí)≤1.00 kg/m3。由于軟巖地質(zhì)情況復(fù)雜，在施工過程中，每次爆破后應(yīng)檢查爆破效果，同時(shí)不斷調(diào)整裝藥量，從而達(dá)到最優(yōu)爆破效果。鑿巖臺(tái)車施工工藝流程如圖2所示，鑿巖臺(tái)車鉆孔步驟如圖3所示。

2.4 加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

初期支護(hù)主要包括鋼架、鋼筋網(wǎng)、連接筋、錨桿、超前小導(dǎo)管、噴射混凝土等內(nèi)容。初期支護(hù)施工時(shí)，必須保證各連接用鋼處焊接牢固，使各構(gòu)件連接成一個(gè)整體，共同支護(hù)圍巖。

鋼架主要分為格柵鋼架、型鋼鋼架2種，其中格柵鋼架柔性性能好，能密貼于圍巖，能夠較好地控制圍巖松弛變形，適用于Ⅳ級(jí)及Ⅳ級(jí)以下圍巖地段。但在軟弱圍巖地段，即Ⅴ級(jí)及Ⅴ級(jí)以上圍巖地段，圍巖本身松弛、易變形，格柵鋼架的剛度不足以支撐圍巖的應(yīng)力釋放，故采用型鋼鋼架，提高初支鋼架抗扭曲能力。通過對(duì)前期現(xiàn)場(chǎng)采用I18、I20、I22型鋼鋼架施工情況來看，鋼架抗扭曲能力相對(duì)較弱，初支鋼架出現(xiàn)不同程度的扭曲、斷裂，經(jīng)過多次比選，最終采用HW175型鋼制作初支鋼架。

為有效控制變形，提高初期支護(hù)強(qiáng)度，通過施工中對(duì)不同初支結(jié)構(gòu)形式試驗(yàn)，優(yōu)化襯砌輪廓，本著“快開挖、快支護(hù)、快封閉的理念”，通過監(jiān)控量測(cè)變形值及初期支護(hù)的損壞情況作出判斷，形成最終施工方案。

鋼架在鋼構(gòu)件加工廠制作，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)采用拱架臺(tái)車拼裝。加強(qiáng)支護(hù)初期的全環(huán)HW175型鋼，使之在0.6～

1.0 m/榀設(shè)置鋼架間距，預(yù)留20～35 cm變形量，基本能保證在預(yù)留變形量范圍內(nèi)初支變形達(dá)到穩(wěn)定，不影響后期二次襯砌的施做?；炷粱貜椓康臏p少能提高混凝土的質(zhì)量、耐久度等，噴射混凝土采用早高強(qiáng)纖維混凝土，在保證混凝土的物理力學(xué)性能同時(shí)，改善工作環(huán)境。

2.5 初支補(bǔ)強(qiáng)

2.5.1 長、短錨桿的應(yīng)用

長錨桿深入內(nèi)部巖層控制深部圍巖的變形，同時(shí)在另一方面形成整體作用，將短錨桿加固組合結(jié)構(gòu)懸掛于深部的穩(wěn)定圍巖，進(jìn)一步加強(qiáng)初支的穩(wěn)定性。長、短錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)中，采用ψ22低預(yù)應(yīng)力樹脂藥卷的短錨桿，每根長4 m，每榀鋼架8根，分別設(shè)置于上、下臺(tái)階左拱腳及右拱腳各一組。長錨桿采用ψ22讓壓式錨桿，每根長6 m，共計(jì)4根，施做于上、下臺(tái)階連接處左右各一組，加強(qiáng)鋼架接頭處的受力，保證鋼架受力結(jié)構(gòu)的整體性。

2.5.2 后補(bǔ)注漿

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況表明，初支開裂、變形最嚴(yán)重地段位于鋼架上下臺(tái)階連接處。主要原因是該處位于上、下臺(tái)階分界處，連接采用螺栓連接及焊接，強(qiáng)度較鋼架偏弱;其次，下臺(tái)階開挖時(shí)，該部位容易形成空洞，造成該處噴射混凝土不密實(shí)。通過后補(bǔ)注漿，對(duì)連接處不密實(shí)部位進(jìn)行填充，同時(shí)對(duì)初支背后軟弱破碎圍巖進(jìn)行加固，形成一個(gè)受力整體。后補(bǔ)注漿要求在不影響掌子面施工的情況下，一般滯后掌子面15 m左右施工，及時(shí)對(duì)上、下臺(tái)階連接板處設(shè)置3排φ42徑向注漿鋼花管，間距1.0×1.0 m（環(huán)向×縱向），梅花形布置，每根長2.5 m。采用1∶1的水泥漿液作為注漿材料，同時(shí)注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。

2.6 質(zhì)量控制

隧道位于高原地區(qū)，為減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，多采用大機(jī)作業(yè)，提高了隧道施工質(zhì)量，減少容錯(cuò)率，同時(shí)保證了高原缺氧的工人身體健康。軟巖大變形地段施工在質(zhì)量控制方面不容忽視，初支噴混凝土背后脫空、初支厚度不足、鋼架接頭連接不牢、鋼架線型安裝不順直、錨桿長度不足等問題是引起初支變形的主要原因。采取優(yōu)化爆破參數(shù)來控制開挖效果;利用測(cè)量復(fù)核制度，控制鋼架安裝定位，確保鋼架線型;加強(qiáng)過程檢查，確保錨桿長度和注漿效果;技術(shù)人員帶班旁站監(jiān)督施工，落實(shí)三檢制度，確保工程質(zhì)量合格。

3 結(jié)束語

在施工隧道軟巖大變形地段中，科學(xué)規(guī)范地采取5步措施，即：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、開挖爆破、優(yōu)化初期支護(hù)結(jié)構(gòu)、初支補(bǔ)強(qiáng)，能有效控制隧道初支變形侵限，證明在高原施工隧道的措施是有效的，方法是正確的。在嚴(yán)重?cái)D壓變形、圍巖軟弱破碎的情況下，確保了工程進(jìn)度，保證了施工安全，為后期隧道的施工提供了一個(gè)成功案例。

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