軟巖隧道開挖及支護施工技術

李亞楠

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東 濟南 250000）

1 設計概況

1.1 工程概況

上軍楞隧道位于云南省臨滄市耿馬傣族佤族自治縣境內，左線全長2480m（Ⅴ級圍巖951m），最大埋深約338.886m；右線全長2474m（Ⅴ級圍巖914m），最大埋深約346.298m。

隧道左右洞均為下坡，坡率-2.1%，隧道建筑限界為8m×5m。

隧道區海拔高程介于1080～1448m 之間，相對高差368m，屬構造侵蝕中山地貌區，地形起伏較大，地形坡度介于25°～45°之間，地表植被發育，多以樹林為主。

1.2 氣象氣候

隧址區氣候分帶上屬亞熱帶濕熱氣候，旱季、雨季分明，年降雨量1300～2000 毫米。每年11 月至次年5月為旱季，6 月至10 月為雨季，降雨量占全年90%以上，7 月至8 月降雨較集中（平均降雨量1964.4 毫米）。

1.3 圍巖地質情況

根據地質調查及勘探顯示，隧址區范圍內主要地層為第四系坡殘積層（粉質黏土、碎石）、古生代變質地層，圍巖多為片巖，灰黑、灰綠、灰黃色。主要由云母、石英及長石等礦物碎屑組成，細粒變晶結構，片理構造，巖質較軟，局部地段因層間擠壓、地下水等因素影響形成巖質相對更軟的軟弱夾層，厚3-9 米不等。節理裂隙發育，巖體呈碎裂狀散體結構或塊狀鑲嵌結構，片理傾角在40～50°之間，發育一組優勢裂隙，傾角近垂直，隙面呈鋸齒狀，延伸長度0.3～1.5m，密度5～10 條/m。

該隧道K80+230～400 段平均埋深305m，段落內圍巖以灰黑色全風化片巖為主，個別部位包含軟弱夾層及石英顆粒，巖質較軟，巖體破碎，呈褶皺狀態，自穩能力極差，開挖完成后存在滲水（裂隙水）、掉塊現象，易發生小規模坍塌。具體圍巖情況如圖1 所示。

圖1

2 施工原則及安全步距

2.1 施工原則

隧道施工由于開挖支護工序較多，初期支護拱頂沉降及凈空收斂嚴重，為保證施工安全，避免出現大規模坍塌、鋼拱架整體下沉、初期支護侵限的情況，應遵循“短進尺，弱爆破，強支護，早閉合、動態調整支護參數”的原則。

2.2 安全步距

K80+230～400 段支護參數為SD5a，施工工序復雜，仰拱施作后能夠有效控制初支變形，因此仰拱應緊跟掌子面，仰拱距離掌子面不得超過40m（距離越小越好）；并及時施作二次襯砌，二襯距離掌子面不得超過70m。

3 超前地質預報

地質雷達勘測能夠準確判斷出前方圍巖特性、完整性、地質結構構造、水文情況、溶洞等，以此判定圍巖級別。

超前探孔（潛孔鉆）可探明圍巖硬度、松散程度、是否存在裂隙水等。若前方圍巖富水量較大，還可起到提前泄水的作用。

因此施工前必須進行地質雷達勘測和超前探孔工作，為后續施工提供施工建議和注意事項。地質雷達與超前探孔（鉆孔直徑Φ76mm）同時進行，每次勘測30m，施工完成25m 后進行下一次勘測，搭接5m。

4 軟巖隧道開挖及支護施工

4.1 軟巖隧道開挖施工

4.1.1 開挖方法

根據K80+230～400 段圍巖級別（Ⅴ級）和超前地質預報顯示的圍巖情況，采用三臺階七步開挖法施工。

4.1.2 開挖施工工藝

開挖過程中各臺階開挖與支護沿隧道方向錯開，同步作業，開挖完成后即刻初噴4cm 混凝土封閉工作面。開挖施工工藝如下：

測量放樣→超前支護→上臺階弧形斷面開挖支護→作業面檢查→中臺階開挖支護（兩側錯開，可同時開挖）→下臺階開挖支護（分別開挖）→分段開挖隧底→仰拱施作。

上、中、下臺階開挖過程中對穩定狀態評估，若出現不穩定狀態，及時停止上臺階開挖，對已完成段落進行加固，調整支護參數后再繼續進行施工。

a.上臺階弧形斷面開挖：本段圍巖鋼拱架設計間距80cm，每循環開挖1 榀，可根據圍巖掉塊情況適當縮短開挖長度，減小拱架間距。

預留核心土長度宜為4～5m，寬度宜為開挖寬度1/3～1/2。

開挖以機械開挖（單鉤）為主，兩側拱腳輔以松動爆破的方式。兩側拱腳需進行弱爆破的，周邊眼打設3～5個，間距50cm，單孔裝藥量根據松散程度0.5～1 支（直徑φ32,單支長度30cm 乳化炸藥）；輔助眼打設數量、間距與周邊眼相同，裝藥量為1～2 支。

b.中、下臺階開挖：由于軟巖隧道圍巖破碎，且結合較差，中、下臺階以機械開挖為主，若存在孤石或較硬夾層時，采取弱爆破的方式，遵循“小間距、少裝藥”的原則（可隔孔裝藥）。

開挖循環進尺保持與上臺階弧形斷面相同。開挖時利用機械將上臺階拱腳挖出20～30cm，以確保鋼拱架連接質量。

c.隧底開挖：兩側下臺階開挖完成后2～3m 后，及時進行隧底開挖并封閉成環。

4.1.3 開挖注意事項

a.開挖過程中應安排專人進行指揮，避免碰觸超前小導管、已施工完成的鋼拱架及鎖腳小導管，以免造成坍塌、拱架扭曲變形、初期支護開裂、鎖腳脫焊失效等情況。

b.開挖時需弱爆破輔助的部位，鉆孔深度不得超過拱架間距，以免造成滑塌。

c.中臺階開挖過程中，左右兩側應錯開2～3m，切忌兩側位于同一斷面，易造成拱架整體下沉、脫落。

d.中臺階、下臺階開挖時,切勿碰觸連接鋼板。

e.隧道開挖完成后，觀察工作面圍巖巖質、節理發育程度、開挖面穩定狀態、有無裂隙水等。一旦出現塌方跡象時（頻繁掉塊、出股狀水帶碎塊），必須盡快撤離人員，制定處置方案，防止拱頂和邊墻大范圍坍塌。

4.2 初期支護施工

4.2.1 設計支護參數

K80+230～400 段圍巖支護參數設計如下：

初期支護為I25+I22 雙層工字鋼，間距80cm，交錯布置；噴射混凝土32（29）cm，φ8 20×20cm 雙層鋼筋網片；拱頂打設φ42×4mm 小導管，長度L=350cm，間距100×80cm；預留變形量80cm（根據現場監控結果適當調整）；上臺階、中臺階兩層鋼拱架拱腳各打設2 根φ42×4mm 小導管，長度L=450cm，與水平夾角15°。

超前支護設計為：φ42×4mm 小導管，單根長度4m，間距35cm，搭接長度≥1m，打設范圍為拱部120°，注漿采用水泥漿液。

4.2.2 工字鋼拱架施工

a.鋼拱架加工

工字鋼采用冷彎機進行加工，搭接處采用二氧化碳氣體保護焊的工藝焊接。焊縫兩側附1cm 厚10cm 寬Q235 鋼板，鋼板高度為上翼緣面板至下翼緣面板凈空高度，四周滿焊。

由于上臺階至中臺階施工期間圍巖處于收斂狀態，為保證中臺階施工時鋼拱架處于設計輪廓位置，兩側拱腳根據凈空收斂數據進行外擴，加工示意圖見圖2。

圖2 鋼拱架加工示意圖

b.鋼拱架支墊

鋼拱架連接鋼板支墊設計為10mm 厚連接鋼板下墊10mm 厚［32 槽鋼，由于拱頂沉降較大，中臺階開挖后存在鋼板彎曲現象，連接鋼板不能完全貼合，現場采用16mm 鋼板，下墊10cm 厚30×30cm C20 混凝土墊塊進行支墊。

若由于出水原因造成拱腳浸泡的，必須將泥質基底清理干凈，增加混凝土墊塊，必要時利用混凝土加固基底。支立完成后，利用松土掩埋拱腳，掩埋高度20cm，以便于中臺階鋼拱架連接。

c.鋼拱架縱向連接

設計鋼拱架縱連接為Φ20 鋼筋，軟巖隧道圍巖變化較快，為保證初期支護整體受力，防止出現單榀工字鋼沉降、收斂較大的情況，現場采用I16 工字鋼進行連接，連接示意圖見圖3。

圖3 鋼拱架縱向連接示意圖

4.2.3 超前支護施工

由于圍巖松散、破碎，開挖完成后經常出現掉塊的現象，現場采用單根長度4m，間距20cm，拱腳50cm 以上范圍均打設超前小導管的形式，每3 個循環（3 榀）打設一次。

漿液采用雙液漿（水泥、水玻璃），注漿水灰比1:1（重量比）；注漿壓力0.5～1MPa。注漿時隔孔泵注，若出現漏漿、漿液串孔的情況，立即停止注漿，更換其它孔位。

4.2.4 鎖腳小導管施工

鎖腳小導管的施工質量對于支護結構的穩定性起關鍵作用，鎖腳易出現L 型連接鋼筋與小導管脫焊、鎖腳小導管受力后開裂、彎曲變形等不良現象，現場采用雙排鎖腳的工藝：

上排鎖腳距離拱腳70cm，長3m，與水平夾角15°；下排鎖腳距離拱腳30cm，長4.5m，與水平夾角20°，自I16 連接工字鋼φ50mm 預留孔中穿過；L 型連接鋼筋長30cm，上下滿焊于型鋼翼緣板上；與小導管焊接采用單面焊，焊縫長度不小于20cm，施工示意圖詳見圖4。

圖4 鎖腳小導管施工示意圖

4.2.5 施工要求

a.拱架連接要牢固，四顆螺栓要全部擰緊，并利用電焊將螺栓焊死，避免出現受力脫絲問題。

b. 連接鋼板變形輕微的利用焊機將縫隙處滿焊，變形嚴重的要將連接鋼板切除重新焊接連接鋼板。

c.鋼拱架安裝垂直度滿足設計及規范要求。

d.鎖腳小導管焊接要飽滿，確保鎖腳與鋼拱架連接為一個整體。

e.鋼筋網縱、環向搭接1～2 個網格，防止出現噴射砼沿無搭接位置受力開裂的情況。

f.噴射砼要飽滿、密實，嚴禁出現拱架背后脫空的現象。

g.下臺階支護完成后盡快進行仰拱作業，構成完整的支護體系。

h.隧道巡查時，檢查噴射混凝土是否產生裂縫、表面是否存在剝離情況、鋼支撐有無扭曲現象等。

j.施工過程中及時抽水，嚴禁出現拱腳泡水、拱架懸空的現象。

k.施工過程中在保證安全的情況下做到全程監控，掌控初期支護的變形情況。若支護系統出現不穩定性情況，現場立即停止施工。反饋現場情況至設計、總承包部、指揮部等單位，及時調整支護參數和變形量，保證施工安全。

5 監控量測

5.1 監控量測的目的

監控量測是隧道施工的一道重要施工工序，是隧道管理的重要組成部分。根據監控量測數據，對不同圍巖級別、支護類型、各施工階段圍巖穩定性和支護系統安全性及時進行分析和評估，以便有針對性的優化支護參數、改進施工工藝、有效控制初支變形，確保工程質量和施工安全，加快施工進度。

5.2 監控量測流程

監控量測流程見圖5：

圖5 監控量測流程圖

5.3 監控量測項目

隧道初期支護完成后拱頂沉降和凈空收斂能夠判斷圍巖是否穩定、初期支護結構的受力狀態及變化速率，以此保證施工安全，提高施工效率，是主要的監測項目。

5.4 監控量測斷面布設及點位安裝

5.4.1 監控量測斷面：根據設計要求，Ⅴ級圍巖10～20m 布設一道，圍巖破碎帶適當加密。由于該段范圍內圍巖極差，初支變形較大，現場布設間距為5m。

5.4.2 隧道施工各工序銜接緊湊，拱頂沉降及凈空收斂均采用反射片形式，初期支護完成后布置在拱頂、上臺階弧形導坑兩側拱腳、中臺階兩側拱腳以上5～10cm位置。監測點位安裝在初期支護混凝土中，利用電錘鉆孔，塞入錨固劑，將加工好的監測點打入孔中，鋼板打磨干凈后粘貼反射片。點位安裝見圖6。

圖6 監測點位安裝示意圖

5.5 監控量測方法

全站儀（萊卡1201 1"級）觀測法：架設全站儀，利用反射片對中標志，測出各監控量測點坐標，計算本次與上一次的坐標差值即變化值，多次變化值相加即為累計值。

為確保監測數據準確性，對同一斷面的監測采用同一“站點”進行觀測。

5.6 監測頻率

監控量測頻率是根據施工期間初支變化速度和距開挖面距離兩大因素來決定。兩項監測采用相同頻率，考慮到軟巖隧道圍巖穩定性差，受爆破震動、滴滲水等因素影響，二次襯砌施工前持續進行監測，根據位移速度確定監測頻率。

拱頂沉降、凈空收斂監測頻率見表1。

表1 拱頂沉降、凈空收斂監測（位移速度）頻率表

5.7 預留沉降量確定

預留沉降量確定根據施工周期（開完支護完成二次襯砌施工前）內拱頂沉降和凈空收斂累計值及防止突變附加值（15～20cm）進行確定。

施工周期內監測數據見表2。

表2 拱頂沉降、凈空收斂監測變化速率表

根據拱頂沉降和凈空收斂在施工周期內的累計數據，防止突變附加值取20cm，拱頂沉降和凈空收斂取較大值，預留沉降量為45+20=65cm。

5.8 監控量測注意事項

5.8.1 監控量測數據的整理、分析應及時有效，為現場施工提供安全保障。

5.8.2 定期對監測控制點進行復測，確保其有效性。

5.8.3 監測點應按要求埋設穩固，且施工過程中要加強保護。

5.8.4 監測儀器按規定時間進行校核，以確保測量數據的準確性。

5.8.5 監測數據出現異常時，迅速通知現場施工負責人和技術負責人，并提高監測頻率，直至穩定為止。

6 結論

軟巖隧道圍巖差且地質變化速度快，各施工工序嚴格按照規范及設計要求管控。根據施工效果和監控量測結果，選擇合適的支護參數，能夠有效提高施工效率、預防坍塌、確保工程質量與施工安全、促進施工進度。