浅埋软弱围岩下隧道施工工艺及支护施工技术

1  浅埋软弱围岩隧道介绍

浅埋软弱围岩隧道一直是隧道设计和施工的难点，存在安全事故多发的问题，国内外对此均十分重视，且开展了较多研究。

1）软弱围岩特征  软弱围岩具有岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎等特点，以V、VI 级围岩为主，部分为IV级围岩。

2）浅埋隧道特征  相对于深埋隧道，浅埋隧道的主要问题在于在开挖时不能形成承压拱，隧道上方往往存在严重的风化问题，稳定性差，同时极易受到地表水的影响，开挖后如果不及时支护，极易造成拱顶掉块、坍塌等地质灾害。

综上，浅埋软弱围岩隧道水文地质条件差、围岩自稳能力差，部分隧道需穿越既有建（构）筑物，若是开挖、支护方法不到位，极易出现初期支护变形、崩塌等问题，对此必须加强隧道开挖方法、超前预加固、支护方式、围岩稳定性控制、监控量测等方面的研究分析，切实保证隧道作业安全。

2  施工工艺及支护施工技术

2.1  施工工艺

浅埋软弱围岩下的隧道施工前，需根据隧道长度、断面形状、工程地质以及周边环境合理选择施工工艺，无论是开挖还是支护等方法均需慎重比选，总的来看可将其施工工艺概括为以下3种：

1）明挖法   此方法施工简单、方便、经济、安全，关键工序包括：①降低地下水位；②边坡支护；③土方开挖；④结构施工；⑤防水作业。我国城市隧道发展初期将此方法作为施工首选开挖技术，但是其对周边环境影响较大，现主要用于软弱浅埋隧道，且要求周边地表建筑物较少。

2）暗挖法  此方法适用于无法采用明挖法施工的隧道，主要采用“新奥法”施工原理，遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”施工原则，采用管棚、小导管进行超前支护，增强围岩自稳能力，开挖进尺过程中做好初期支护工作，施做好防水层后再做二次衬砌。

3）盖挖法  此方法适用于隧道穿越公路、建筑等障碍物施工，主要是从地面开挖至一定深度后封闭顶部，然后完成其余下部工程，具体可分为盖挖顺作法、盖挖逆作法、盖挖半逆作法。

上述3种方法各有优缺点与适用范围，实际工程实施中应根据项目情况进行合理比选。

2.2  浅埋软弱围岩下隧道开挖断面形式 

浅埋软弱围岩下隧道开挖断面形式较多，下面重点就台阶法、CD（侧壁导坑）法、双侧壁导坑开挖法3种做简要分析。

1）台阶法  隧道台阶法开挖施工相对较为灵活，可采用大型机械设备，将其用于浅埋软弱围岩地段，需合理调整施工方法，如：分散爆破、超前施作混凝土仰拱等，切实保证作业安全、稳定，同时在保证工期方面具有较大优势。

2）中壁法（CD法）  在掌子面不稳、埋深浅、围岩差的隧道工程中，CD法使用较多，其纵向分割断面，开挖断面相对较小，在保证掌子面稳定方面具有一定优势。此方法施工难度较低、工序少、进度快、造价低，步步成环，配合超前支护手段，可有效保证结构受力良好，安全性高。

3）双侧壁导坑开挖法  此方法较多用于埋深超浅、围岩特别差的隧道工程中，其分割断面细，通过超前导坑探明前方地质情况，在保证掌子面稳定、控制地面沉降方面优势显著。但是此方法工序较为复杂，无法使用大型机械，施工速度较慢。

2.3  浅埋软弱围岩下隧道支护技术

2.3.1  超前支护技术

浅埋软弱围岩下隧道施工需要解决的首要问题就是掌子面的稳定性，超前支护是不可缺少的手段，工程实践中多采用管棚或超前导管法，开挖前在隧道开挖轮廓线外弧线上安装伞形金属保护棚架（由大惯性力矩钢管构成），然后打入金属钢管，使用注浆机压入水泥砂浆，待其凝固后方可进行开挖施工。

2.3.2  初期支护技术

现代支护理念认为所有结构性岩层均具备自稳能力，因此在进行支护施工时需将其与围岩看作是一个统一的整体，当前我国初期支护主要采用的是喷锚支护体系，根据实际需要包括以下几种技术方法：①喷射混凝土支护，包括“干喷”和“湿喷”两种；②锚杆支护，包括普通锚杆和预应力锚杆；③喷射混凝土锚杆支护，喷射混凝土+锚杆；④钢筋网喷射混凝土支护，喷射混凝土中设钢筋网，增强了喷层整体性、抗弯与抗剪能力；⑤钢筋网喷射混凝土锚杆支护，即：钢筋网喷射混凝土+锚杆。

3  实例探析

3.1  工程概况

本标起止里程为：ZK1+220—ZK1+738 YK1+224—YK1+740，左线长518m，右线长516m，位于湖里区高崎段附近，场地原始地貌位于海陆交互地段。主线隧道界限界净宽为10.5m，三车道隧道限界净宽为14.5m，A匝道隧道限界净宽为9.7m，紧急停车带隧道限界净宽为13.5m，车行横洞建筑限界净宽4.5m，人行横洞建筑界限净宽2.0m，净高2.5m。

3.2  隧道施工方案总体思路

结合本隧道的特点、场地条件和施工难易度、工期、交通组织与相关施工经验，隧道施工主要采取明挖暗埋和浅埋暗挖两种施工方式。

1）明挖暗埋法施工  主线隧道进口侧ZK1+220—ZK1+490(YK1+224—YK1+497)段隧道采用明挖暗埋施工，基坑围护形式为上部放坡钻孔灌注桩+钢管内支撑+高压旋喷止水帷幕。

2）浅埋暗挖法施工  主线隧道ZK1+490—ZK1+738（YK1+497—YK1+740）采用浅埋暗挖法施工，主要下穿铁路盐专线、嘉禾路、北溪引水渠、佳贝美集团、特区供水管等，左线隧道暗挖长248m，右线隧道暗挖段长243m。

3.3  隧道开挖与支护施工方法

3.3.1  明挖暗埋法施工

1）基坑开挖

ZK1+220~ZK1+320(YK1+224—YK1+325)基坑开挖深度7~11m，基坑支护方案采用φ1000钻孔灌注排桩+一道钢管内支撑+桩间高压旋喷桩止水帷幕。 

ZK1+320~ZK1+400(YK1+325—YK1+407)基坑开挖深度10~14m，基坑支护方案采用局部放坡降低地表+坡面喷射C20混凝土+φ1200钻孔灌注排桩+2道钢管内支撑+桩间高压旋喷桩止水帷幕。 

ZK1+400~ZK1+490(YK1+407—YK1+497)基坑开挖深度10.5~16.5m，基坑支护方案采用高压旋喷隔水幕墙+φ1200钻孔灌注排桩+3道钢管内支撑。

基坑开挖采用挖机进行，开挖前先进行钻孔桩、止水帷幕、桩顶冠梁及排水系统、施工，然后进行开挖，开挖至一定深度时，设置第1道钢支撑，进行第2次开挖，设置第2道钢支撑，进行第3次开挖，设置第3道钢支撑，进行第4次开挖。开挖至基坑底后，设置基坑底排水沟，基坑尺寸为：50×50（cm），设置集水井、降水井。

2）明洞施工

ZK1+220~ZK1+320(YK1+224~YK1+325)隧道结构型式采用矩形明洞，ZK1+320—ZK1+490(YK1+325—YK1+497)隧道结构型式采用拱形明洞，明洞主体结构采用C40防水耐腐蚀钢筋混凝土，混凝土外防水层采用2mm厚反应粘结型高分子湿铺防水卷材，在防水卷材外采用M10水泥砂浆保护层5cm。

3.3.2  浅埋暗挖法施工

主线隧道ZK1+490—ZK1+738（YK1+497—YK1+740）采用浅埋暗挖法施工：

1）初期支护  由钢拱架、格珊拱架、系统锚杆、钢筋锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成，钢拱架及格珊拱架之间用纵向钢筋连接，与钢筋网焊接为一体，与围岩密贴；

2）二次衬砌  本项目围岩自稳定时间较短，施工时要求支护结构紧跟开挖面、尽早封闭成环，注意初期支护的变形与稳定检测、尽可能发挥岩体自成拱效应及初期支护的承载能力。

3）隧道防排水施工  遵守“防堵为主、因地制宜、综合治理”的全封闭防水原则，防止地下水在隧道中渗透和流失，切实保护好隧道工程生态环境、并保证隧道结构物和运营设备的正常使用。隧道的防水等级按二级防水标准要求，应达到：结构不允许漏水，结构表面可有少量湿润。

3.3.3  下穿铁路盐专线段隧道施工

下穿铁路盐专线段：隧道于ZK1+490—ZK1+530（YK1+497—ZK1+537）段从既有铁路盐专线下方近距离穿越，平面交角约88°，铁路线仅有1股道。隧道顶板与铁路盐专线的最小竖向距离9.13m，穿越地层主要为全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩及中风化花岗岩。为严格控制地表及铁路沉降，隧道洞外、洞内施工措施如下：

1）隧道洞外工程措施  ①采用D20型低高度施工钢便梁架空加固轨道；②列车实行限速运行，限制速度45km/h；③线间便梁支墩挖孔桩施工时，相应地段线路应扣轨加固，经常复查轨面高程保证行车安全；⑤布设严密的监控网，加强施工期间铁路路基、轨道沉降变形监控测量工作。

2）隧道洞内工程措施  ①拱顶设加钢筋笼单层超前长管棚（φ159×6mm）+超前小导管并注浆（φ42×3.5mm），控制洞顶沉降；②残积砂质粘性土等软弱围岩段，设全螺纹纤维增强树脂锚杆进行超前支护；③隧道开挖后及时施作初期支护，以纵向钢筋将支撑连成整体，背后及时回填注浆，减少沉降；④加强洞内拱顶沉降、净空收敛监控，根据现场测量数据施作二次衬砌结构；⑤隧道基底未修正地基承载力＜250Kpa时，采用φ50注浆钢化管进行加固处理，钢化管长度为4m，纵向、横向间距为1.0×1.0m，梅花型布置。

4  结语

综上所述，浅埋软弱围岩下隧道修建面临着较为恶劣的施工条件，其开挖后围岩自稳时间短、易坍塌，若是开挖或支护不当，极易出现较大变形甚至失稳破坏。对此，必须综合分析隧道地质条件、施工要求等，合理选择施工与支护方法，规范落实超前支护、地质预报、初期支护等工作，切实保证隧道开挖作业安全顺利的完成。