軟弱圍巖條件下隧道開挖支護施工研究

李道紅、楊志剛

（新疆路橋建設(shè)集團有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

由于地質(zhì)環(huán)境和地形地貌的復(fù)雜性以及設(shè)計、施工技術(shù)水平的限制，隧道工程建設(shè)過程中所面臨的問題也日益突出。其中，軟弱圍巖條件下隧道開挖支護施工難度大、風(fēng)險高是當前亟待解決的難題。因此，對該領(lǐng)域進行深入探究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 軟弱圍巖條件下隧道開挖支護的原則

在軟弱圍巖條件下隧道開挖支護施工中，需要秉持一定的基本原則，以取得更理想的施工效果。具體來說，需要遵循以下原則。

1.1 充分發(fā)揮圍巖自承能力

在隧道開挖過程中，應(yīng)盡可能減少對周圍巖石體的擾動和破壞，同時保證其能夠承受來自外部環(huán)境的各種力量，確保整個工程項目可以順利地向前推進。因此，在實際的隧道開挖過程中，必須采取相應(yīng)的措施來加強對周圍巖石體的加固處理，并合理利用圍巖自身的承載力，以達到更好的效果。

1.2 堅持“早進晚出”的基本原則

由于軟弱圍巖具有穩(wěn)定性較差和強度較低等方面的特點，如果采用傳統(tǒng)的爆破方法或者其他方式進行施工，很容易導(dǎo)致嚴重的后果。為了有效避免這些問題的發(fā)生，應(yīng)該遵循“早進晚出”這一基本原則。早進晚出原則，在《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004）和《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）中都有提及，主要是對洞口位置施工提出的要求，指出隧道洞口段圍巖一般較為破碎、地質(zhì)條件差，要保持早進晚出，減少對洞口段巖體的擾動。具體來說，要延長洞口和隧道的長度，在接近山體之前開挖隧道洞口，實現(xiàn)“早進”；在隧道離開山體后再設(shè)置出洞口，實現(xiàn)“晚出”。歸納起來即為“未到山體之前先進洞，盡量遠離山體后再出洞”。

1.3 重視超前地質(zhì)預(yù)報

在隧道開挖過程中，準確預(yù)測地質(zhì)情況十分重要。通過超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，可以及時發(fā)現(xiàn)可能存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象，如斷層、溶洞等，從而提前制訂相應(yīng)的應(yīng)對策略，做好相關(guān)防護措施，避免安全事故。另外，超前地質(zhì)預(yù)報也有助于優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，使支護結(jié)構(gòu)更加科學(xué)、合理，進一步提升整個工程項目的安全性[1]。

2 軟弱圍巖條件下隧道開挖支護施工技術(shù)

進行隧道工程的設(shè)計和建設(shè)時，需要綜合考慮地質(zhì)環(huán)境、地形地貌等因素。其中，軟弱圍巖是一種常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，其穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)致隧道出現(xiàn)坍塌、變形等問題。為了保證隧道工程的安全可靠運行，必須采取科學(xué)合理的措施加強隧道開挖支護工作。

在軟弱圍巖隧道建設(shè)過程中，為了保證其安全性和穩(wěn)定性，需要采用合適的支護方式。目前常用的支護方式主要包括超前支護、初期支護以及二次襯砌。其中，超前支護是指對隧道前方地質(zhì)情況進行預(yù)測并采取相應(yīng)措施來確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。初期支護是針對已經(jīng)成型但還未承受荷載作用的隧道結(jié)構(gòu)，通過施加預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼筋網(wǎng)片等材料提高其承載能力。二次襯砌是在一次襯砌之后再添加一定厚度的混凝土形成的永久結(jié)構(gòu)體，可以有效地防止隧道出現(xiàn)變形或者裂縫等問題。

由于不同類型的隧道所適用的支護方式不同，因此需要結(jié)合工程的具體情況，以及工程環(huán)境的特點，如地質(zhì)構(gòu)造、地下水位等因素進行判斷，進而選擇最適宜的支護方式[2]。

2.1 超前支護技術(shù)

在軟弱圍巖條件下隧道開挖過程中，由于其地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜、巖石松散等原因，可能會出現(xiàn)坍塌事故。而使用超前支護技術(shù)，可以有效提高隧道結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，避免坍塌事故。目前常用的超前支護技術(shù)主要包括管棚法、小導(dǎo)管法以及大管棚法等。其中，管棚法是最常見的一種方法，具有操作簡便、成本低廉、效果顯著等優(yōu)點。

2.2 初期支護技術(shù)

在軟弱圍巖條件下隧道開挖過程中，通常會采用初期支護技術(shù)來確保隧道結(jié)構(gòu)體的安全性。初期支護技術(shù)主要包括錨桿支護、噴射混凝土支護以及鋼拱架支護等。其中，錨桿支護是應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)，不僅具有支護效果好、適用范圍廣等特點，還可以大大降低工程造價。

2.3 二次襯砌技術(shù)

除了初期支護，軟弱圍巖隧道的開挖還會涉及二次襯砌技術(shù)。二次襯砌技術(shù)主要用于解決隧道后期可能產(chǎn)生的沉降、裂縫等問題。與一次襯砌相比，二次襯砌更注重防水性能和耐久性，對施工質(zhì)量的要求也更高。

2.4 超前預(yù)加固法

超前預(yù)加固法是指通過對掌子面前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進行分析和研究，采取相應(yīng)措施提前加固地層，為后續(xù)工作提供必要的支撐力和保障。這種方法可以大大提高隧道開挖后初期支護結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，從而保證整個隧道工程的安全性和可靠性。

2.5 短臺階留核心土法

短臺階留核心土法適用于斷面較大、埋深較淺且地下水位不高的隧道。其基本原理如下：首先，將上臺階部分開挖至設(shè)計要求的位置；其次，按照設(shè)計要求修筑拱部襯砌結(jié)構(gòu)；最后，逐段向下開挖并及時封閉成環(huán)。該方法具有施工簡單、操作方便等優(yōu)點，但也存在著一些缺點，如初期支護變形大、沉降量難以控制等。

2.6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種較為先進的隧道開挖支護技術(shù)，它不僅可以大幅度減小隧道開挖時對周圍環(huán)境造成的影響，還可以更好地控制隧道的變形量。施工時先將左右兩側(cè)的隧道分別開挖成形，待達到設(shè)計要求的位置，再將中間部分的隧道分成若干個小洞室進行開挖支護作業(yè)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有施工速度快、效率高、質(zhì)量可控等優(yōu)點[3]。

2.7 環(huán)形開挖留核心土法

環(huán)形開挖留核心土法與上述幾種方法相比，雖然比較傳統(tǒng)，但其效果卻非常顯著。其基本原理是先將隧道整體沿縱向分為多個環(huán)形區(qū)域，然后在每個環(huán)形區(qū)域內(nèi)進行開挖支護作業(yè)。環(huán)形開挖留核心土法不僅可以很好地控制隧道的變形量，還可以降低工程成本，因此被廣泛應(yīng)用于各種類型的隧道工程。

總的來說，在軟弱圍巖隧道施工中，應(yīng)針對不同類型的軟弱圍巖地質(zhì)條件，選擇合適的支護方式進行開挖。例如，當遇到破碎帶較多、節(jié)理裂隙發(fā)育較為嚴重的情況時，應(yīng)采用更加牢固的支護方式，如鋼拱架+噴射混凝土聯(lián)合支護形式。當面臨軟土層較厚、地下水位較高等不利因素時，則應(yīng)加強排水固結(jié)措施，并適當增加仰拱長度，以確保結(jié)構(gòu)整體安全可靠。

各種支護方式不是孤立存在的，它們往往會相互結(jié)合使用，形成一個完整的支護體系，共同承擔(dān)荷載作用。因此，在確定支護方案時應(yīng)綜合考慮各個方面的因素，力求做到最優(yōu)化設(shè)計。

3 軟弱圍巖條件下隧道開挖支護施工的控制

進行軟弱圍巖條件下隧道開挖和支護時，需要采用一系列合理有效的措施來保證工程的安全性[4]。其中最為重要的是要對圍巖的變形情況進行實時監(jiān)測，并及時采取相應(yīng)的措施進行調(diào)整。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測技術(shù)

軟弱圍巖隧道的施工過程中，由于其地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，因此必須通過先進的手段對前方的地質(zhì)情況進行準確預(yù)測。這就要求在實際操作中，充分利用各種探測設(shè)備對掌子面前方的地質(zhì)情況進行全方位、多角度的觀測，以便更好地指導(dǎo)后續(xù)的施工作業(yè)。同時，針對不同的地質(zhì)情況，需要制訂出相應(yīng)的應(yīng)對方案。

例如，在遇到斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象時，可以采用預(yù)留核心土法或短臺階法等方法進行處理；遇到軟土地質(zhì)時則需采用加固注漿等措施進行處治。

3.2 復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)體系

隨著科技水平的不斷提高，越來越多的新型材料被應(yīng)用到隧道建設(shè)領(lǐng)域，包括鋼筋混凝土管片、鋼拱架以及錨桿等。這些材料不僅具有較高的強度和剛度，而且能夠很好地適應(yīng)不同地質(zhì)環(huán)境的需求，使隧道整體的穩(wěn)定性能得到大幅提升。使用這些材料時，一定要嚴格按照相關(guān)規(guī)范標準進行安裝和固定，否則可能會影響隧道的受力狀態(tài)和使用壽命。

3.3 軟弱圍巖條件下隧道開挖支護施工監(jiān)測

進行軟弱圍巖隧道的開挖和支護時，實時監(jiān)測是必不可少的環(huán)節(jié)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施加以解決，從而保證工程的安全性。

3.3.1 監(jiān)控量測內(nèi)容及方法

在軟弱圍巖隧道工程中，監(jiān)控量測是一項非常重要的工作，能夠為后續(xù)的施工提供準確可靠的依據(jù)，保證隧道工程的安全和穩(wěn)定性。監(jiān)控量測主要包括地表沉降、洞內(nèi)位移、鋼拱架應(yīng)力等多個項目。其中，地表沉降是最基本也是最容易獲取的監(jiān)控量測指標之一。而洞內(nèi)位移則需要采用專業(yè)的測量設(shè)備進行觀測。

3.3.2 監(jiān)控量測頻率與控制標準

進行軟弱圍巖隧道的監(jiān)控量測時，應(yīng)該按照一定的頻次和要求進行操作，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和有效性。一般來說，每個斷面或部位的變形速率都不應(yīng)超過0.2mm/d，否則需要加強監(jiān)測力度或者改變支護方式。同時，應(yīng)該根據(jù)不同的圍巖類型制訂相應(yīng)的控制標準，以確保施工安全。針對不同類型的圍巖，應(yīng)該采取不同的支護方式。例如，當圍巖等級為Ⅳ級時，應(yīng)該采用加強襯砌等手段進行支護；當圍巖等級為V 級時，則必須立即停止施工，并進行加固處理。

3.3.3 監(jiān)控量測成果分析

完成一次完整的監(jiān)控量測后，應(yīng)該對所得到的數(shù)據(jù)進行整理和分析，以便更好地了解隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其變化規(guī)律，并為后續(xù)的決策和管理提供可靠的依據(jù)。應(yīng)該先計算出各個參數(shù)的平均值、標準差等統(tǒng)計量，以便對數(shù)據(jù)進行初步的分析和比較。然后，可以繪制出圖表，如水平位移曲線圖、豎向位移曲線圖、鋼拱架應(yīng)力分布圖等，以直觀地展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢和分布情況。

3.4 其他輔助措施

除了上述提到的主要內(nèi)容，在軟弱圍巖隧道工程中還需要采取一些輔助措施，以保證工程的順利進行和施工安全。例如，進行爆破設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮周邊建筑物的保護問題，盡可能減少對周圍居民生活和生產(chǎn)所造成的不利影響。另外，在通風(fēng)排水系統(tǒng)的設(shè)置上，應(yīng)該結(jié)合具體情況進行科學(xué)規(guī)劃，確保風(fēng)流暢通，防止積水過多導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等問題。

4 軟弱圍巖條件下隧道開挖支護施工的質(zhì)量把控

在軟弱圍巖條件下隧道開挖和支護過程中，需要對施工質(zhì)量進行嚴格把控。具體來說，應(yīng)該從以下幾個方面入手。

4.1 做好地質(zhì)勘探工作

進行隧道開挖前，對掌子面及周圍一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進行詳細的勘探和分析是非常重要的。通過勘探和分析，可以了解地下水、巖石性質(zhì)等相關(guān)信息，為后續(xù)的設(shè)計和施工提供準確可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 優(yōu)化開挖方案

針對不同類型的軟土地質(zhì)，需要采用不同的開挖方法和支護方式。舉例來說，當遇到較硬的砂土?xí)r，可以采用爆破或機械化掘進的方式，以提高開挖效率和質(zhì)量；面對較為松散且含水量較大的土壤時，則需要采取降水措施或排干水分后再挖掘[5]。

4.3 加強監(jiān)控量測

在隧道開挖和支護過程中，實時監(jiān)測和記錄是非常重要的。通過監(jiān)測和記錄，可以及時發(fā)現(xiàn)并處理可能影響施工安全及質(zhì)量的問題。同時，可以通過數(shù)據(jù)分析來評估施工效果是否達到預(yù)期目標，以便及時調(diào)整和改進施工工藝和技術(shù)手段。

4.4 注重施工人員培訓(xùn)

施工人員的技術(shù)水平對隧道開挖和支護施工質(zhì)量有重要影響。因此，必須重視對施工人員的技能培訓(xùn)和素質(zhì)提升。通過技能培訓(xùn)和素質(zhì)提升，可以提高施工人員的專業(yè)水平和責(zé)任意識，使之能夠熟練掌握操作技巧和應(yīng)急處置能力，保證施工過程的高效性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著經(jīng)濟發(fā)展以及交通需求的增加，隧道工程數(shù)量不斷增加。然而，由于我國地質(zhì)情況復(fù)雜多樣，軟土地區(qū)隧道建設(shè)面臨很多困難與挑戰(zhàn)。在軟弱圍巖隧道的施工過程中，技術(shù)選擇和施工質(zhì)量管控尤為重要。因此。施工單位需要充分認識到其中存在的風(fēng)險隱患，制訂科學(xué)合理的施工方案，從而提高整個工程的質(zhì)量和效益。