软弱围岩隧道施工关键技术探讨

软弱围岩隧道施工关键技术探讨

摘 要：沪昆客专长昆湖南段上店隧道进口在施工过程中遭遇到含大量未溶蚀完全的白云质灰岩残积层，该段隧道除具有地层不均匀性外，还具有埋深浅、地下水发育、围岩软弱等施工不利因素。白云质灰岩残积土中的 “孤石”加剧了地层的不均匀性，溶腔内充填半充填物以流塑状粘土为主，给工程施工带来了较大困难。本文在介绍前期施工出现的工程问题、分析工程问题成因的基础上，对后期采取并取得较好工程效果的施工方法、工程措施进行了分析，为以后类似工程施工有一定借鉴意义。

关键词 ： 浅埋隧道软弱岩溶发育

1.工程概况

上店隧道位于湖南省中方县铜湾镇费家田村，隧道全长2642m，为单洞双线隧道，隧道内最大埋深为170m，最小埋深3.5m。隧道穿越区为构造剥蚀中低山区，沿线地形较复杂，所经之处山峦叠嶂，沟谷纵横，地形起伏较大。

2.不良地质情况

进口段主要在强风化带穿行，表层为黏土层及碎石土层，个别地段由于岩溶面起伏，基岩面在隧道基底标高以上。围岩破碎，成洞条件差，地表剥蚀强烈，沟谷发育，易于积水。进口段岩溶强发育，基岩面起伏变化大，局部溶洞发育规模大，上覆地层薄，溶洞充填物以软-流塑状黏性土为主。

该隧道在施工过程中遭遇含大量未溶蚀完全的白云质灰岩残积层，由于埋深浅，地表积水及大雨降雨很容易渗至开挖面，围岩极不稳定、变形大、易坍塌。

前期施工出现了地表下沉量大、初期支护变形、山体开裂等工程问题。针对这一问题，项目工程技术人员认真分析，对施工方案进行了优化，取得了较好的支护效果。

3.主要工程问题及成因分析

3.1 前期施工方法

隧道施工初期洞身采用三台阶七步法开挖，软弱围岩处采用人工配合挖掘机开挖，每循环开挖进尺0.6m，中下台阶左右错开施工，上下台阶长度保持在5m左右，仰拱施工和下台阶间距在15m以内。

拱部设置φ42mm长4.0m超前小导管并注1:1水泥净浆，环向间距30cm，初期支护为I22钢拱架，间距0.6m，喷射厚30cm C30砼，系统锚杆采用φ42mm注浆锚管。

3.2施工中出现的主要问题

由于地质原因，上述方法在施工过程中出现了下列主要工程问题：

(1) 白云质灰岩残积土在富水情况下结构紧密，注浆量较少，注浆效果不理想。

(2) 白云质残积土在地下水的作用下软化、呈流塑状，强度低(隧底受地下水浸泡处地基承载力不足200KPa) 开挖面极易坍塌。

(3) 残积土随地下水从施工面及拱脚下部流失，施工过程中出现大量不稳定土流失，导致台阶难以形成、拱架背后出现空洞、拱脚悬空、锁脚及系统锚杆锚固力低，不能达到预期的加固效果。

（4）由于埋深浅（隧道最小覆盖层仅3.5m），地表剥蚀强烈，施工过程中洞内及隧顶均出现不同程度的开裂，地表及拱顶下沉量较大。

3.3成因分析

(1) 地层不均匀、遇水易软化、流失

隧道进口浅埋段主要地质为白云质灰岩，局部溶洞发育规模大，隧道在强风华带穿过， 岩溶面起伏，基岩面在隧道基底标高以下，隧道围岩易坍塌、掉块，稳定性差。

(2) 隧道埋深浅

隧道进口段埋深3.5～20m，属典型的浅埋隧道。由于洞顶覆土浅，围岩软弱，自稳能力差，施工期间隧顶覆盖层的扰动将波及地表。在其影响下一方面地表发生变形、开裂；另一方面，受扰动的洞顶覆土透水性增强，更加剧地表水的入渗及地下水的流动，增大了洞内渗水量，加剧了白云质灰岩残积土的软化和随水流失。

（3）锁脚锚杆及系统锚杆效果不明显

锁脚锚杆及系统锚杆没有可靠的作力基础、锚固力降低，达不到预期的加固效果。锁脚锚杆处围岩更易受水浸泡和流失，锚固力更低。由于锁脚锚杆锚固力低，支护未封闭以前，钢拱架近似成悬臂梁受力状态，拱脚至拱腰段水平方向变形较大，因此表现较大的变形。

拱脚围岩主要为黏土，强度很低，加之较长时间的围岩流失，引起拱脚悬空、拱架持续下沉。表现为较快的拱顶下沉速率及较大的累计下沉量。

围岩的不均匀导致围岩变形不均匀及地下水渗透通道分布不均匀，在其共同影响下，洞室周边围岩流失也不均匀，有些部位由于围岩流失量大，初期支护背后出现空洞，使初期支护受力不均匀；有些部位细颗粒的围岩随水流失导致孤石周边地层松散，大孤石向洞室方向移动，引起初期支护局部应力集中。受力不均及局部应力集中加剧了初期支护的变形和破坏。

4.开挖方法优化

开挖方法根据实际情况采用三台阶临时仰拱+大拱脚法。如图1所示。

图1 三台阶临时仰拱法示意图

5.支护方案优化

5.1 临时仰拱

在原有支护基础上上台阶及中台阶增设两道临时仰拱，并与初支钢架连接牢固。临时仰拱在上一台阶施工完成后及时将钢架封闭成环，使拱脚不至长时间悬空，拱架接长时采取先接长拱架后再拆除该榀临时仰拱，以减少立架支护期间拱架下沉量。如图2所示。

5.2 大拱脚

每级台阶拱脚处增设大拱脚，大拱脚采用I22工字钢焊接于初支钢架背部，宽度不小于50cm，底部采用[28槽钢支垫。有效扩大了各级台阶拱脚处受力面积。如图3所示。

5.3 增加系统及锁脚锚杆数量

锁脚由原设计为4根增加至8根，并与初支钢架进行有效焊接（U型钢筋连接）；超前支护由原设计为4mφ42mm超前小导管，2.4m施作一环，增加按1.2m施作一环，并进行预注浆，以此加强初期支护的强度，保证了钢架的稳定性。如图4所示。

图2临时仰拱施工图3大拱脚施工

图4锁脚锚管预注浆

6.其他措施

6.1监控量测

增加拱顶沉降及水平收敛回归分析监控量测频率，增设地表沉降观测，及时掌握隧道围岩的变化情况。

6.2超前地质预报

采用多种方式加强超前地质预报并指导施工，如：炮孔加深，地质雷达(图5)，超前探孔（图6），TSP，红外探测等，预知隧道围岩地质情况。较准确探明隧道前方及隧道底部围岩情况，本隧道在隧道顶部地表线路左右各10m，线路方向10m间距施作垂直钻孔（图7）。根据地质预报结果及时优化调整施工方案，加强施工措施。

图5超前水平探孔图6地质雷达扫描

图7地表钻孔

6.3控制仰拱及衬砌距离

仰拱及二衬施工紧跟，按照现场施工情况，临时仰拱距离掌子面距离不得大于3m，每2～3m施工一个循环，仰拱施工距离掌子面不大于35m，衬砌距离掌子面距离不大于70m，严格按照铁建设[2010]120号文关于隧道安全步距要求控制。

7.施工效果

在采用上述开挖方法后，围岩虽有变形，但在仰拱封闭后很快便达到稳定，拱架整体稳定性较好，未出现拱架因变形而使支护需要置换等情况。

8.结束语

在类似地质情况下施工，坚持短进尺、早封闭、强支护、弱爆破、勤量测的原则，初期支护应尽快封闭成环，开挖方法可根据现场情况采用三台阶临时仰拱+大拱脚法。这种方法在这类地质中能取得较好的效果主要在于：

（1）三台阶临时仰拱法能够使拱部开挖及时封闭成环，临时仰拱有效控制了受力较大的拱部、拱腰变形以及拱脚软弱下沉量；此外，划整为零开挖有效控制了围岩暴露时间，减少爆破对周边围岩扰动，减弱了洞内渗水对围岩的不利影响。

（2）大拱脚法能够增加钢架拱脚处受力面积，对减少沉降量起到较大作用。

（3）还宜采用超前小导管及锁脚锚管注浆等预加固措施提高围岩自承能力、减少洞内渗水。

参考文献:

高速铁路隧道工程施工技术指南铁建设(2010)241号。

高速铁路隧道工程施工质量验收暂行标准TB10753-2010。