浅谈隧道软弱围岩施工

摘要：随着高速公路隧道工程的大量增多, 特长隧道、大断面隧道、连拱隧道、深埋隧道、软弱围岩隧道等典型隧道不断出现, 促使隧道施工技术不断提高和完善。在地下工程洞室施工中, 对围岩的认识是非常重要的工作之一。只有对围岩性质进行清楚和正确的判定, 才能在施工中采取行之有效的手段, 顺利地实现施工的目标。

关键词： 隧道 软弱围岩 施工

中图分类号：U45文献标识码： A

前言

隧道的施工是隧道建设中至关重要的一个环节, 而施工方案的选择对隧道的安全、工程造价、工期都有着直接的影响。一般的两车道公路隧道单洞开挖跨度约达12~ 13 m, 洞室较为扁平, 选择合适的施工方法是隧道设计及施工人员必须做出的重要决定。由于软弱围岩自承能力低, 施工方法对工程顺利与否起着关键的作用, 实践证明诸多隧道病害均与施工方法是否得当有关。

一、软弱围岩的工程特征

1、软弱围岩主要工程地质特征

软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩，其工程地质特点如下：

（1）围岩强度低，承载能力低。如黏性土、粉土、砂类土、黄土、全风化岩体等。

（2）节理发育、破碎，自稳能力差。一般以页岩、泥岩、片岩、炭质岩、千枚岩等为代表的软质岩地层，由于其强度低、稳定性差，开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是深埋地段受高应力影响易发生塑性变形，造成洞室内挤。

（3）属断层带散体结构，自稳能力极差。受构造影响，断层带结构面杂乱无序，呈角砾、縻棱状或碎裂结构，充填泥质或泥夹岩屑。受结构面切割影响严重的块状岩体中，由于结构面的黏结强度低，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。

二、软弱围岩潜在安全风险源

针对软弱围岩隧道的支护变形、塌方等风险，从地质角度进行分析总结，其潜在安全风险源主要有以下情况：

1、软弱围岩浅埋与偏压

软弱围岩浅埋地段，隧道施工时拱部一般难于成拱，在未采取足够措施前，软弱围岩浅埋隧道易发生局部塌方；软弱围岩偏压地段，隧道支护结构将承受显著的不对称荷载，施工期间易造成初期支护纵向开裂或错台，变形过大甚至塌方。

2、土质隧道

土质隧道强度低、自稳性差，与岩石隧道相比要承受更大的荷载，若初期支护强度不足，将导致变形大，严重时会出现局部坍塌等安全风险。

3、大埋深软岩隧道

在大埋深软岩地段，一般存在较高的地应力，由于软岩抗压强度低，开挖过程中洞壁岩体剥离，位移极为显著，变形持续时间长，隧底常出现隆起现象。通过该区段时，若支护不足，可能造成支护变形过度、侵限甚至塌方等安全风险。

4、断层破碎带

由于断层上下两盘的相对运动，常使断层面附近岩石破碎成碎石和粉末状，形成断层破碎带，其岩体一般自稳性极差，且常伴有地下水，隧道通过断层破碎带时易发生塌方、掌子面突泥和突水等安全风险。

5、结构面发育的块状岩体地段

块状围岩的力学特性是岩石单体强度较高、承载力较高，但因结构面发育，受其切割制约，特别是在有地下水组合作用的条件下，岩体整体稳定性差，这类围岩隧道坍塌的特点是个别岩块失稳，造成较大范围岩块突然坍塌。

6、不同岩层接触带地段

由于不同岩层的岩性差异大，加之常伴有地下水，在接触面附近常发育有风化剥蚀面，岩体较为软弱、破碎，隧道通过时，在掌子面上方或前方易发生塌方、涌泥等安全风险。

三、施工方法

在当前的软弱围岩公路隧道施工中, 主要采用的方法有上下台阶法、CD法(中隔壁法)、CRD 法和双侧壁导洞法。在施工方法的选择上一般应考虑如下一些因素:

1、洞身围岩情况是施工方法选择的基础, 如果单凭围岩的级别来选择施工方法, 是不科学的, 应该对围岩级别、岩性、初始应力、地下水、不良地质构造, 以及洞周围岩风化情况进行综合考虑, 选择出最适用的施工方法。

2、洞室的几何形状, 如开挖跨度、扁平率等,对施工方法的选择也有较大的影响。

3、施工单位的技术条件、工程经验也是影响施工方法选择的一个因素, 其中工程经验对施工方法的选择在很多情况下起着决定性的作用, 这也是造成当前公路隧道软弱围岩段普遍采用上下台阶法施工的原因。

4、当工期有限时, 施工单位往往会选择单步开挖面积大、开挖步骤少的施工方法。上下台阶法、CD 法、CRD 法和双侧壁导洞法,在近年公路隧道施工中都有应用。由于施工单位工程经验的影响, 上下台阶法应用最多, 而在两车道的公路隧道中除了特殊情况一般不会采用双侧壁导洞法。

施工实践证实, 上下台阶法在软弱围岩公路隧道( V级围岩)施工中成为诱发塌方病害的原因之一, 这与施工单位对施工力学认识不足、上台阶过长(个别工地上台阶长度达百余米)、下台阶开挖落底工序不规范有较大的关系。对于跨度愈来愈大的公路隧道, 仅凭以往的工程经验来确定施工方法, 已不能满足安全施工的要求。确定合适的施工方法不仅要总结过去软弱围岩隧道施工的成功经验, 也要吸取失败的教训, 充分应用岩土力学对隧道施工中围岩、初期支护应力和变形过程进行分析, 才能找出最佳的施工方法。

四、实例分析

1、隧道工程概况

（1）工程特性。某隧道为上、下分离,单向行驶的双车道长大公路隧道, 隧道最大埋深242. 77 m, 隧道下行线洞长1 480 m, 上行线洞长1 518 m, 隧道断面为三圆心, 圆弧顶拱带曲边墙结构, 隧道拟定有效净宽9. 75 m, 有效净高5 m的建筑界限, 最大净跨10. 90 m, 最大净高7. 2 m, 上、下行之间设置两条行车横道( 横道长约50 m) , 各设置两处紧急停车带。

（2）工程地质、水文条件。隧道穿过地层为侏罗系, 白垩系地层, 岩性板岩、泥岩, 石英砂岩为主, 局部为白云质灰岩, 覆盖第四系残坡积碎石土; 受深山断裂带影响, 进口端发育北西向断裂( 万宝山~ 四角田断裂) 带。四角田隧道岩石结构松散破碎, 风化强烈、节理裂隙水极发育, 岩体呈薄层状或互层状碎裂( 夹) 软弱层结构。

2、病害情况及影响

该隧道由于上述极端恶劣的工程地质和水文地质条件, 破土开工后病害不断。主要表现在以下几方面:

（1）初期支护变形、破坏。结构下沉, 喷射混凝土开裂掉块剥落。变形多数出现在起拱线以上的拱圈范围; 变形严重地段变形量达几十公分以上, 侵占二次衬砌的结构范围, 致使二次衬砌结构断面尺寸不够, 只好拆除初期支护重做。

（2）二次衬砌破坏。主要表现为: 拱顶混凝土纵向劈裂, 明显的挤压剪切破坏, 表面混凝土剥落, 钢筋外露; 拱脚墙接合处变形呈错台等。

（3）坍方频繁, 有初期支护完成之前的裸洞坍方, 还有最为严重, 损失最大的初期支护完成后发生的坍方。

3、 隧道病害成因及防治措施

隧道病害除受工程地质和水文地质条件影响外, 还有形成病害的其他原因, 例如, 施工处治不当、不及时; 支护结构弱等原因。由于施工方法上存在着缺陷, 施工程序不合理, 使病害在最后的混凝土面上表现出沉落、变形、侵限。四角田隧道地质构造破碎软弱, 开挖后要尽快形成一个高强度的封闭结构环, 来抑制围岩的过量变形、松弛, 这就是初支应达到的功效及最终目的。

（1）开挖方法

在开挖方法上不宜过多地划分开挖区域, 这样会不利于初支的尽快形成, 难以保证结构的整体性。上部开挖完成后, 利用下部高度, 实施顶拱初支, 如遇围岩极为破碎软弱时, 可采取保留上部核心土, 顺开挖轮廓线用风镐凿槽, 形成上部初支, 保留中部核心土, 既避免了过多暴露开挖掌子面, 又可起到抵抗体及施工平台的双重功效。下部开挖采取的措施: a. 防止上部初期支护沉落、变形, 如上部钢支脚加设深孔锁脚锚杆长( L≥5 m) ; b. 设置临时纵向托梁与临时支撑等; c. 尽量避免扰动上部围岩, 特别在靠近开挖面处要采取“预留保护层”和人工凿挖的办法。

（2） 二次衬砌混凝土施工

就四角田隧道而言, “先拱后墙”, 由上至下的混凝土施作次序是极为不可取的, 弊端表现为:

上部悬空会造成构造物变形、下沉; 在一个完整的断面未全部进行完初支的情况下, 插入混凝土施工, 工序相互干扰大,不符合新奥法施工原理的高效、及时性; 造成结构配筋, 施工缝难以处理。就隧道恶劣的地质状况而言, 实施底部仰拱超前浇筑, 可建立底部约束条件, 形成一封闭环, 底部混凝土的超前, 还可达到几个功效: a. 封闭地基, 防止地基被水浸泡软化。b. 使已完成的墙、拱初支建立起底部约束条件, 以墙、拱初支结构共同形成一封闭环。c. 底部仰拱超前, 使作用在二衬混凝土上的荷载,在基底面上按刚度比进行传递分布, 从而改善提高地基承载力。

结束语

隧道软弱围岩施工前必须遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测”的原则，制定详细可行的施工方案。总之，隧道施工中只有控制好各道工序的施工质量，才能保证安全通过软弱围岩地段，保证施工进度，从而获得更好的经济效益。

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