摘要：某隧道穿越软弱围岩，且埋深较小，具有浅埋软弱围岩的特征。本文详细讨论了该条件下隧道的施工技术。根据各种隧道施工工艺特点分析认为矿山法是本工程的优选施工方法，并根据浅埋软弱围岩隧道在施工过程的受力特点，提出了隧道洞身和进出口的施工支护方案和质量控制要点。相关工程经验可为此类隧道结构的施工建造提供参考。
关键词：浅埋；软弱围岩；隧道；施工技术；进出洞；支护措施
1 前言
公路是国民经济的重要命脉，由于其特有的灵活和优越性，发挥着其他运输方式不可替代的作用。道路、桥梁和隧道是公路工程的主要组成体系，在我国西部和东南部山区，为了实现路线的跨越往往需要采用隧道结构，因此随着我国公路交通基础设施的发展，隧道的建设将会越来越多。
某隧道工程具有软弱围岩环境，而正是由于软弱围岩性质使得该隧道的施工变得复杂。论文首先总结目前隧道施工的主要工艺，分析其技术特点从而明确各工艺的应用范围，选择依托工程的隧道施工方法；其后，针对本隧道工程软弱围岩特点，分析其施工难点，并对其中的进出洞施工技术进行详细总结，保障隧道的施工安全。
2 依托工程概述
某公路隧道全长约1000m，隧道埋深仅5～40m；岩性为薄层煤岩和灰岩组成，周边发育很大范围的煤矿。隧道进出口地表覆盖粉土和黏土，基岩节理裂缝发育。由于软弱围岩具有诸多不稳定因素，其变形难以控制、力学稳定性差及施工过程不确定性等，在浅埋条件下隧道的拱部难以形成自承拱，使得该条件下施工问题更加突出，特别是隧道的进出口。
根据本工程特点以及目前隧道主要施工工艺，确定软弱围岩条件下的隧道施工工法，明确主要的施工技术；其次分析软弱围岩情况下的浅埋隧道力学问题和施工的难点，从而提出这种情况下进出洞口的施工方法和质量管控措施，保障隧道的施工安全。
3 隧道施工主要工艺及应用特点
隧道工程根据其所处的环境特点，其施工方法差异很大[1]。首先，根据隧道基础是土质环境还是岩石环境，施工方法不相同。土质环境的隧道结构，由于土质的散体特性，因此可以采用明挖法、盖挖法和盾构法进行施工。岩石环境的隧道结构，由于岩体高强度、稳定性好的特点，其施工方法往往采用掘进机和矿山法进行施工，其中矿山法应用最多。以下详细分析这些施工方法的技术要点和应用范畴，综合本工程特点，给出施工工序解决方案。
3.1 矿山法施工
矿山法以钻眼爆破的方法开挖隧道断面，其基本原理是爆破开挖造成岩体松弛，并随时可能坍塌。基于松弛荷载理论，其施工原理和方法也是分步骤形成的，边开挖边支撑以保证施工的安全，因此支撑施工比较复杂，所需的支撑材料较多。
矿山法施工的基本步骤如图1所示，首先进行隧道上部断面台阶的钻爆施工，施工完成后立即进行混凝土喷锚并安装锚杆进行支护，随着上部台阶布设钢筋网进行围护结构的加固，并采用格栅和钢架进行加固，喷射混凝土和锚杆，形成了隧道断面上部结构。其次，以上部台阶为基础，进行中部台阶的钻爆施工和开挖，随着开挖的进行，混凝土的喷射和锚杆、钢架网片及格栅施工同步开展，喷射完混凝土后就形成了中部台阶的支护结构。最后，进行下部隧道断面下部台阶的钻爆施工，施工方法基本相同，随着开挖的进行喷射混凝土并安装锚杆，同时安装钢筋网与格栅网架，喷射混凝土形成整个隧道断面的支护结构。
图1. 矿山法施工主要步骤与要点
矿山法适用于岩石环境，可以将进行全断面一次性施工，也可以先施工侧墙后施工上拱的方法，还有蘑菇形状方法等，具体根据施工隧洞的大小确定。矿山法一般采用爆破技术实施，而爆破技术目前也逐渐发展起了光面爆破、预裂爆破和毫秒爆破等技术。
3.2 盾构法施工
盾构法是城市轨道交通和软土环境隧道施工的主要方法，其施工过程包含盾构施工和衬砌施工两个，盾构机工作机理是通过尾部已经施工完成的衬砌作为掘进的支点，利用前端刀盘进行切割将土层或岩层弄碎，并同时进行排土和拼装后面的隧道衬砌，实现标准化工作。
盾构法施工的主要步骤是：①土层开挖，将盾构机的切口贯入土层进行开挖；②推进纠偏，通过调整千斤顶的顶推力、开挖面压力和顶进的速度，操作盾构体的施工并及时进行纠正；③衬砌拼装，可以根据受力的要求进行通缝和错缝的拼接；④衬砌的压注，通过灌注混凝土将衬砌空隙填满，改善其防水效果。
盾构法施工具有施工速度快、洞体质量稳定且对周边环境影响小的特点，由于盾构机适宜在软弱地层或者破碎岩层中进行钻进，因此该方法也主要适用于软土地基和破碎岩层的地质环境。
图2. 盾构法施工的盾构设备与现场施工图
3.3 浅埋暗挖法施工
浅埋暗挖法施工就是针对埋深较浅的地下洞室进行开挖的一种方法，利用小导管超前支护进行施工，可以在软层地基中快速施工，通过初次支护承担起隧道全部荷载，并通过二次衬砌作为施工和运营的安全储备，如下图就是浅埋暗挖法的现场施工图以及工艺流程图。浅埋暗挖主要过程是：①通过对工程地质环境的调研，明确选用工程加固与预支护方案，为隧洞的开挖提供基本前提；②进行隧道土方的开挖，并在开挖过程中进行初期支护，采用钢拱锚喷混凝土技术；③对施工过程进行监控测量，并随时判断岩土的稳定性，如果发现存在不安全和不稳定的因素，应该及时修改施工方案，直到满足安全性和稳定性的要求。
图4. 盖挖法现场施工图
盖挖施工中围护结构的变形很小，因此可以很好地控制住周边土体的变形和沉降，有利于保护临近的建筑物和构造物；基坑底部的土体稳定较好，施工较为安全；且盖挖法施工基坑的暴露时间较短，可以在城市环境中使用，并能够尽快的恢复路面的使用。盖挖法的缺点是混凝土内衬的施工处理较为繁杂，施工难度大且费用很高。
4 软弱围岩隧道施工及关键技术
根据各类施工工艺及其应用特点，本工程属于浅埋型软弱围岩性质的隧道，由于隧道长度较大，采用矿山法施工是最好的选择。根据隧道所处的环境特点，可以总结为如下几点：首先，隧道的埋深较浅，覆土很少，使得隧道的边坡稳定性很差，再加上围岩特性较差；其次，隧道所处的进出口位置地质条件也很差，主要为耕土情况，属于软弱岩层，地质条件较差；最后，本隧道区域降雨较多，往年资料显示每年都会出现连续的大降雨天气，由于雨水对土质和岩层特性的影响，因此很容易出现滑坡和滑塌问题。
根据上述环境特点的总结，矿山法是本工程优选方法，但需要针对软弱围岩力学问题，对其进行支护，包括洞身和进出洞口，都需要进行特别管理，保障施工中的安全。
4.1 软弱围岩下隧道施工力学特点分析
软弱围岩自身的材料性能不好，力学受力不稳定，使得很多岩体与岩体的连接处成为薄弱环节。另一方面，软弱围岩的孔隙率较大，在承受上部荷载作用下很容易发生变形，这给隧道的施工和运营造成安全隐患。这些受力问题在深埋情况下不够显著，因为上部填土很高的情况下隧道拱的受力特征使得结构的整体稳定性较好，但是浅埋状态则变得很不稳定[2]。
随着隧道施工的开展，浅埋隧道周边的围岩特性和相互作用情况也在不断地发生变化，一旦出现围岩变形过大或者受力稳定不足，则会引起安全隐患。这就要求在施工中需要制定详细的组织方案和施工工艺，进行必要的加固，才能很好地避免软弱围岩对于隧道施工安全的影响。
4.2 软弱围岩矿山法隧道施工的支护措施
具有软弱围岩情况下的浅埋隧道，需要采用矿山法进行支护施工，主要支护手段有双侧导坑开挖和上半断面台阶开挖两种[3]。根据区域特点选用双侧导坑开挖作为支护措施，将隧道进行区域划分，主要为上部核心土、左右侧壁导坑和下台阶，进行支护施工的主要过程是：①进行初次支护，在有效闭合的情况下对一侧导坑建立支护；②施工上部核心土，使得核心土拱脚处于两侧导坑的初次支护上；③以初次支护为基础施工下台阶，闭合初次支护断面，这样在拆除导坑后就能进行矿山法二次作业。
4.3 隧道进出洞口的支护措施分析
软弱围岩下不仅隧道主体施工需要支护，在进出洞位置由于没有形成土拱，其施工支护更为重要，为了保障施工安全，需要进行隧道超前管棚支护和进洞联合支护，如图5所示。
图5. 软弱围岩浅埋隧道的进洞施工措施
隧道超前管棚支护。结合本隧道特点，制定如下超前管棚支护方案：①加固护拱，护拱是进行超前支护的基础，加固护拱可防止外界作用下出现沉降变形而影响进洞施工和周围边坡的稳定性；②将护拱与超前管棚固结，护拱内设置钢架进行支护；③加固局部围岩，使得固结连接性能有保障，避免出现局部破坏和坍塌问题；④注浆管棚连接，形成支护整体，可采取跳跃式注浆以保证注浆质量和效果。隧道进洞联合支护。超前管棚支护并不能完全保证支护效果，但进出洞位置由于围岩没有形成压力拱从而使围岩失去自身稳定性，因此需要采用进洞联合支护保证洞口施工质量与安全。联合支护通过初期支护与护拱的连接达到进洞区域的支护加固效果，一般需要在进洞区设置2~3个钢拱架和初期支护钢拱连接。
5 结论
结合依托工程浅埋软弱围岩特点，提出这种环境下的隧道施工工艺以矿山法较优，并总结软弱围岩下隧道施工过程的力学演变特点，针对隧道洞身和进出洞位置提出相关的支护手段，特别是隧道进出口位置需要联合采用管棚超前支护和进洞联合支护，才能保证隧道的施工质量与安全。
参考文献：
[1] 李艳国. 隧道施工工艺与安全控制[J]. 山西建筑，2015，41（14）：193-194.
[2] 李沛莹. 软弱围岩浅埋隧道施工工法研究[J]. 东北水利水电，2016（2016 年 01）：28-30，70.
[2] 刘继南. 浅埋隧道软弱围岩段施工控制技术研究[J]. 中国水运：下半月，2011（8）.
论文作者:陈鑫
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/29
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