高海拔地区软弱围岩隧道施工工艺

高海拔地区软弱围岩隧道施工工艺

摘 要：若软岩隧道处于高海拔地区，其施工会受到恶劣环境、不良地质等多种因素影响，不仅会降低工程整体施工质量，而且极易造成初期支护过程中的变形开裂问题。为更好地保证隧道工程的施工安全和质量，必须控制好隧道初期支护的变形与开裂。文章结合工程实例，阐述了在隧道不利地段施工的基本原则，分析施工过程中存在的难点，如施工进度慢、施工方案变更，进而提出详细的施工方案优化措施，对施工进行合理安排，有效促进了高海拔地区软岩隧道施工质量的提升。

关键词：高海拔；隧道施工；软弱围岩；超前支护

1 工程概况

该隧道位于川西高原山区，横断山脉中断的大雪山脉与沙鲁里山脉之间，属于构造浸蚀高山地貌，地势起伏较大。平均海拔约4200m，常年温度偏低且氧气稀薄，冬季最低温度约-20℃，隧道全长2831m，属于高原区高寒长大隧道。常年受积雪融化入渗和自然降雨影响，地下水丰富。

2 隧道不利地段的施工基本原则

在隧道不利地段施工时，需要遵循以下基本原则：

（1）充分收集并利用围岩自身的结构特点和优势，争取在围岩变形可控的范围内选择适用性较强且收效显著的支护类型。

（2）要不间断监测施工过程，以便随时给施工提供指导；同时，结合现场实际可考虑先修筑底板、临时仰拱或仰拱，有利于将断面尽早封闭成环。

（3）对重点部位的支护进行加强，防止因部分支撑薄弱引发隧道塌方、滑坡；还要控制整个施工过程中的设计、检验、地质预测、测量反馈、方案修正等工作。

（4）隧道周围围岩松散，结构自稳周期短，所以，爆破、排险到位后要以最快速度开展锚、喷、挂网及型钢等架设施工，但此施工过程中要注意出渣的同步或交错进行，尤其对地下水活动强烈区段，支护施工要及时跟近，便于稳定围岩。

（5）仰拱要跟紧施工进程，对于地质条件不良的区段，在二次衬砌之前需要完成底板施工，在完成拱、墙部的初期支护后紧跟着完成仰拱施工，这样不仅能方便初期支护尽快形成封闭的受力结构，也能为后续二次衬砌施工中模板台车轨道的铺建提供有利条件，同时方便洞内材料运输。

3 隧道不利地段施工技术难点

在隧道不利地段施工时，存在施工进度慢、施工方案变更以及隧道塌方及变形超限三个技术难点。

（1）施工进度慢。由于隧道进出口地质属于呈霹雳面发育的砂岩或千枚岩，存在产状紊乱、层间结合力差等特点，施工时局部会出现韧性剪切破碎带且此类岩石质地较软，遇水会发生软化、层间滑脱情况，这些问题都会在不同程度上延缓施工进度。

（2）变更施工方案。初期支护设计方案为：选用长4.5m 的A42 小导管加强锁脚锚

杆，同时选取本项目中Ⅴ形加强型衬砌和双层小导管进行超前支护施工，将预留变形量增至25cm，保证各项工序紧密衔接，严格把控施工程序，对初期支护结构及时封闭。但从施工的情况来看隧道局部仍存在初期支护变形超限情况。

（3）隧道塌方与变形超限。施工中隧道多次出现塌方，存在变形超限问题的共3 段，全长125m，隧道拱腰为超限多发段，最大超限值达70cm，均由施工控制不当或受隧道地质制约原因引起。

4 施工进度缓慢的原因

针对施工进度缓慢的原因，具体分析后确定为以下三方面：

（1）本工程处于高原高寒地区，气候恶劣，有效施工时间极短，设备使用率相对较低

[1]。

（2）施工经验不足，施工中因未及时封闭仰拱引起的变形、塌方较多，处理时间过长。

（3）方案设计不合理，前后工序衔接不紧密，要点把握不到位，造成多段返工。

5 优化施工方案

一般情况下，软弱围岩地段自支护能力较差，故对软弱围岩隧道进行施工时要以提高围岩自支护能力为主要目的，这样才能让初期支护快速封闭成环。本隧道工程中拱部和仰拱结构处承压较大，因此出现变形的概率也会增加。

5.1 预留合适的变形量

隧道净空间与结构实际尺寸、初期支护变形情况是选定隧道开挖断面的基本要素，同时结合围岩级别、施工方案、断面规格、埋深、支护等，通过工程类比法预留支护变形量。待仰拱布设完成后，结合实测数据推算出当局部初期支护变形量为预留变形量的1/3 时，可使用后注浆措施，此时初期支护变形量可被控制在30cm 内。因此，在实际施工过程中30cm 为最佳的预留变形量，此时不仅能有效保证二衬厚度，还可在最大程度上缩减成本

[2]。

5.2 结合初期支护封闭成环时间优化施工方案

为避免初期支护施工中出现下沉、变形、开裂等问题，施工时要控制好中下层台阶间距，保证下层台阶的仰拱布设紧跟中层台阶完成，从而让初期支护尽快封闭成环[3]，可采用“三台阶七步法”施工，并将中层台阶与仰拱的距离控制在18m 之内。因上层与中层台阶均会出现初期支护下沉、变形、开裂问题，因此可将上层、中层、下层台阶的垂直高度重新修正为3m、3m和3.5m。为缩减初期支护封闭周期，12d 为中层台阶开挖初期支护到同榀仰拱封闭完成的最长周期。因仰拱使用整体浇筑法施工，为保障施工进度，需将仰拱和填充浇筑频率控制为6m、4d/次。采用增强的A42 注浆小导管注浆工艺对超前支护、系统和锁脚锚杆进行施工，注浆时严格选取止浆阀，认真完成注浆记录表。图1 为K85+303、K85+310 段的拱顶下沉和周边位移情况。监测时间均为2019 年。

图1 K85+303、K85+310 段的拱顶下沉和周边位移情况

由上图可知两段仰拱施工未及时完成，施工时借助实时监测数据调整该段后注浆施工；同时，拱顶下沉和周边位移有持续变形态势，最大变形可达50cm，不仅侵线严重，存在极大安全隐患，还在一定程度上增加了施工成本。由图2 可知，因K85+328 段仰拱布设及时，初期支护封闭成环迅速，10 天内拱顶下沉和周边位移出现收敛现象并有一定程度持续。

图2 K85+328 段的拱顶下沉和周边位移

结合图1 和图2 可知，仰拱施工时间可利用监测数据判定，但施工方案需结合实际调整。若初期支护变形量较大，不仅要采取有效的补救措施，并停止掌子面施工，尽快完成中、下层台阶，让仰拱尽快封闭成环。一般情况下，12～15 天为上层台阶开挖后最佳仰拱施工周期，超过此周期会增大初期支护变形量。由于本工程上层与中层台阶均出现了初期支护下沉、变形、开裂等问题，故施工时选用了三台阶预留核心法。在自然环境恶劣、地质条件比较复杂的地区进行软弱围岩隧道施工时，工人的施工效率低，为提升工人与设备施工效率，需将上层、中层、下层台阶的垂直高程重新调整并分别控制在3m、3m 和3.5m，并将中层台阶与仰拱间距控制在18m 内。

5.3 优化施工措施

（1）因本隧道地处高原地区，具有恶劣的自然环境，人工效率较低，现场无法加工工字钢，因此要提前联系工厂定制成品[4]。

（2）本工程的系统锚杆、锁脚锚杆均选用加强型A42 注浆小导管，上层与中层台阶、中层与下层台阶间每侧通过4 根A42 注浆小导管连接，同时将小导管通过A32U 型钢筋焊接，有效保证锁脚质量。

（3）支护措施开展时间为初期支护变形量是预留变形量的1/3 时，针对该段选择后注浆方法处理，严格遵照设计要求控制注浆压力、注浆孔间距[5]。若当初期支护变形量大于预留变形量，先进行后注浆处理，再布设仰拱并注浆，换拱作业要待整体稳定后再进行。

6 结束语

总而言之，高海拔地区拥有的恶劣环境和复杂气候，让软弱围岩施工在这种环境下进行时难度极大。为在最大程度上保证施工质量，需监测整个施工过程并分析监测数据，在此基础上调整优化施工方案，从而控制好隧道支护存在的变形、开裂等问题。在对本工程的施工方案进行相应优化和调整之后，后期施工中未出现塌方、滑坡等事故，且在保证安全的前提下，比计划节点提前完工，值得同类工程参考借鉴。