软弱围岩隧道施工 原宏伟
前言：随着我国加快铁路建设的步伐，给我们铁路施工企业带来了前所未有的发展良机，铁路隧道的建设大大缩短了行车里程，创造了良好的社会效益，但是某些隧道必须穿越不利于隧道施工的软弱围岩（Ⅳ、Ⅴ围岩），容易造成隧道坍方、作业人员伤亡的事故发生，给施工单位带来了严重的经济损失和很坏的社会影响。
摘要：软弱围岩 隧道施工 变形 控制技术
一、软弱围岩主要工程地质特点
软弱围岩一般指岩质软弱、承载力小、岩石节理裂隙发育、结构破碎的围岩，期工程特点有：
（1）岩体破碎松散、粘结力差：这类岩体一般为土层、岩体风化严重、挤压破碎带等构成的岩石；由于结构破碎松散，岩体间的粘结力差，开挖洞室后，仅靠颗粒间的摩擦效应和软弱胶结作业成拱，这类岩体极不稳定，易造成坍塌或冒顶的发生。
（2）围岩强度低、遇水易软化：一般为页岩、泥岩、片岩、千枚岩等，由于强度低、稳定性差、开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是深埋地段受高应力影响易发生塑性变形，造成洞室内挤，缩小原始开挖体积，严重影响正常的事故生产。
（3）岩体结构面较软弱、易发生滑塌：这种结构主要位于结构面切割影响严重的块状岩体中，由于结构面的粘结强度较低，开挖后周围岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等破坏现象。这种变形由三部分组成：1.隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出。2.掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道变现为地表下沉，形成沉降槽。3.刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移。若这种变形不能进行有效的控制，则可能发生隧道坍方。常见的隧道坍方分为两大类：1.掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方。2.支护下沉过大，出现整体失稳坍方。
二、隧道支护
软弱围岩隧道支护一般采用复合式衬砌。复合衬砌由初期支护、二次衬砌两部分组成。初期支护是隧道开挖后进行的锚杆、钢拱架和喷射混凝土的施工，起到承受围岩压力，约束围岩变形的作用，并根据对隧道变形量的监控结果施作二次衬砌。
1.初期支护
初期支护由锚杆、喷射混凝土、钢架组成，是复合衬砌隧道的主要承载结构。
喷射混凝土
喷射混凝土能及时有效地防止开挖面岩层的松散、离层和掉落，保护围岩、防止塌方。
喷射混凝土施工要点：1.喷射混凝土要具有有效的早期强度，以尽快对围岩提供支承力，24小时抗压强度不应低于10Mpa。2.喷射混凝土应具有足够的后期强度，强度等级不应低于C25。3.与围岩应具有足够的粘附强度，使喷射混凝土与围岩尽快形成整体，防止围岩松动、掉落，与围岩的粘结强度不应低于0.5Mpa。4.软弱围岩采用钢筋网喷射混凝土，增强混凝土的抗剪强度，提高粘附性。
喷射混凝土的湿喷工艺：
湿喷法其喷射混合料进入喷射机前要按照规定加入水拌合均有，因此较干喷工艺具有水灰比能准确控制，利于水泥的水化，施工粉尘小，回弹少，混凝土均质性好，强度高的优点。喷混凝土必须与岩面密贴，不能有空洞，以保证良好的共同受力状态。喷混凝土必须快速、及时施作。
2.锚杆
（1）软弱围岩中锚杆的作用
在软弱围岩中单凭喷射混凝土往往难以抵抗围岩巨大的变形压力，不能有效地保证支护的可靠性。在这种情况下，需要将喷射混凝土与锚杆联合使用，并把锚杆作为主要的支护措施。软弱围岩中安装锚杆的主要作用是在隧道外轮廓线外形成一个一定厚度的围岩加固层，由这个加固层承担外层围岩传来的荷载，使得最后传到喷射混凝土层的荷载降低，减少隧道轮廓线的变形。
锚杆对围岩的加固是通过锚杆周围的水泥砂浆与围岩的粘结力来实现的，因此需保证锚固可靠，且锚杆垫板必须与岩面紧贴。
（2）锚杆的施工要点：
锚杆的布置一般沿洞室周围径向布置，必要时底部仰拱也要加锚杆；为保证加固层有一定厚度，锚杆的长度与间距之比一般为2:1；为防止锚杆间围岩掉落，还应配合网喷混凝土，喷层主要承担锚杆间的局部坍塌荷载；为保证工程施工质量，
软弱围岩锚杆施工中应做到：1.锚杆锚固可靠，全长粘结；2.锚杆外露的端部要安装垫板，且垫板要求与岩面紧贴。
3.钢架
钢架分为型钢钢架和格栅钢架两种，与锚杆、喷射混凝土共同使用。
（1）钢架的作用有：
在喷射混凝土发挥作用前起到支撑围岩的作用；对喷射混凝土进行补强；作为超前支护的支点；与锚杆、喷射混凝土共同发挥初期支护的作用。
（2）钢架适应范围
钢架的最大特点是刚度大，架设后能够立即承载受力。因此，多用于软弱破碎或土质围岩中需要控制围岩变形迅速发展的场合。如浅埋、偏压及土层隧道等。
（3）钢架施工要点：
一般采用工字钢或“八字结”形联系钢筋的格栅钢架；钢架间距一般为0.6~1.0m。为增加钢架的整体性，每榀钢架间应设纵向连接构件；钢架拱脚及墙脚应有控制钢架位移和下沉的措施。街头是整个钢架的薄弱环节，必须加强；钢架应直立安装，并用混凝土预制块与围岩顶紧；型钢钢架应预留注浆孔，及时对喷射混凝土层回填注浆，保证与围岩密贴；分部开挖钢架落底接长时，要注意防止失稳。
三、隧道二次衬砌
软弱围岩中二次衬砌也是主要承载结构，二次衬砌与初期支护共同承担较大的后期围岩变形压力，应适时施作。
1.二次衬砌的作用：一是承受围岩荷载，二是安全储备，保障运营的安全。
2.二次衬砌的施工要点：二次衬砌原则上应在初期支护的位移收敛后施作，但是对于软弱围岩隧道，当初期支护位移不收敛时，应适时施作二次衬砌，软弱围岩施作二次衬砌时应采用钢架混凝土结构。软弱围岩二次衬砌应带仰拱，与边墙应圆顺连接，减少应力集中。二次衬砌应先施工仰拱，分段整体浇注。二次衬砌背后的空洞应及时回填压浆，保证拱部的结构密实。
四、软弱围岩变形控制技术
1.控制掌子面变形、坍塌的技术
掌子面过大的变形将导致坍塌事故的发生。这种事故占隧道坍方事故的比例很高，造成的人员、机械设备的损失最大，在设计施工中都应该引起高度重视。
超前支护是一种“先支后挖”技术，是控制隧道掌子面前方围岩变形，防止隧道掌子面坍塌的主要手段。常用的超前支护有：超前锚杆、超前小导管注浆、超前长管棚。
超前支护施工中要做的：1.超前管棚必须按照设计要求进行压浆，以起到加固围岩的作用。2.为保证管棚与钢架的联合支护作用，管棚外露部分应焊接于钢架上。
掌子面锚杆
设置掌子面锚杆的目的是控制围岩开挖后的先行位移，给大断面开挖创造条件，有利于控制先行和后期围岩、支护变形。掌子面锚杆的长度一般都在10~20m之间，宜优先采用易于切割的玻璃纤维锚杆。
掌子面喷射混凝土是现场使用较多的一种维持掌子面稳定的支护措施。
掌子面预留核心土：掌子面预留核心土防止掌子面失稳、塌方是隧道中运用最广、最简单、最经济的技术措施之一。
2.控制落底开挖塌方技术
隧道上台阶开挖支护完成，下道工序就是下台阶落底开挖。这道工序风险极大。落底时上半部支
护基础悬空，失去支撑，很容易引起支护和围岩失稳、塌方。这种事故一旦发生，很容易造成前方掌子面作业人员被困和伤亡。落底开挖的关键技术是在开挖前给上半断面支护结构提供一个临时或永久的基础，控制支护拱脚的快速下沉。
（1）锁脚锚杆技术
锁脚锚杆作为承载结构时，主要是传递来自于上部初期支护的压力，因此，应尽量沿拱脚切线方向设置。若施作不到位，会降低锚杆作用效果。
（2）临时仰拱技术
临时仰拱在台阶法开挖的软岩大断面隧道中经常使用，能让上台阶临时封闭成环，有效地控制上半断面支护的沉降，保证下台阶开挖的安全。
（3）扩大拱脚技术
扩大拱脚是通过展宽基础，减小地基压力的方法，实现控制支护沉降的技术手段。其关键是基础要有足够的宽度，设计宽度一般为0.8~1.0m，若拱脚宽度不够，将造成沉降过大，达不到设计要求。
在隧道施工过程中，要加强隧道断面的监控量测，随时收集原始数据，并及时整理分析变形的原因及规律，为在施工中随时调整施工方案提供理论依据。