浅析软弱围岩隧道施工质量问题及应对措施

李克晶

摘要：为了保障公路的平稳性，越来越多的穿山公路选择了隧道施工的方式来进行设计与实现，而受到我国地质条件的限制，大部分山体隧道存在围岩地质条件偏软等现象。在这样的背景下，如果不在施工工艺及其质量保障方面提出并执行一整套计划及对策，容易对施工过程或者后续的公路使用造成严重的安全隐患。本文针对软弱围岩隧道的施工条件对其具体的施工技术及其质量保障进行分析，希望通过本文的探讨能够为今后的相关科研与施工提供一些有益的帮助。

关键词：软弱围岩隧道；施工质量；存在问题；对策

一、引言

隧道的开通是现代交通尤其是城市间高速交通的重要保障，同时在降低社会运输成本、降低运输时间、提高运力方面有着突出的功效。而我国大部分地区，尤其是丘陵山区的山体隧道往往存在圍岩软弱等地质特征；在这种背景下，围岩自身无法支撑隧道墙体的稳定性，容易出现变形、塌方等事故，严重的影响了施工安全以及后续隧道的使用安全。本文以软弱围岩地质特征为基础讨论该种地质条件下的隧道施工容易出现的施工质量问题，并结合问题产生的根本原因对可行的对策进行分析。

二、软弱围岩地质特征

软弱围岩主要是按照隧道围岩的地质特征来进行命名的，其岩石构造主要为硬度较低、松散度较高的岩石类型组合而成，其地质特种主要分为如下几个方面：

第一，岩体强度低。软弱围岩的岩石强度一般情况下不超过30MPa，并多由松散的软岩或软质岩组成。在施工的过程中往往通过单轴饱和抗压方法来进行测定。此种松散的软岩结构无法对其上部的山体应力形成良好的支撑，同时也无法形成隧道顶部的粘合作用。甚至在部分特定地质条件下，受到人为扰动的软弱围岩会与水体结合成具有流动性的类流体，进一步加剧了隧道施工过程中的安全隐患。

第二，岩体破碎。在地质学领域，将岩体条纹结构破坏率超过30%的岩石称之为碎岩。而软弱围岩中存在大量的碎岩。就碎岩形成的原因学术界有多种说法，其中频繁的地质运动是主要的解释原因。当围岩中存在大量碎岩的情况下，碎岩间距是围岩运动性产生的根本原因。此外，由于碎岩间的应力体系被阻断，进而会形成大规模的脱落情况，严重的会造成一定程度的塌方。

第三，赋存环境差。由于碎岩以及岩体强度等因素的影响，软弱围岩的含水量往往超出其他岩体。有研究表明碎岩比例每增加1%则含水量增加1.8%；软弱围岩的总体含水量往往在32-45%之间。此种含水量在受到人为扰动时，会存在一定的聚集现象，进而在隧道内部产生塌方，涌水等安全事故。

三、软弱围岩隧道施工质量存在的问题

由于软弱围岩的特征条件不满足隧道直接施工的要求，因此我们需要对其施工过程中可能存在的问题进行分析。从安全施工与质量保障的角度来说，施工过程中存在的问题主要分为变形、塌方与渗水等三个方面：

变形方面：在隧道施工的过程中，周围软弱围岩受到人为扰动较大，其在外力干预下会产生一定的形变。其过程主要分为弹性形变、蠕变等两个重要过程。在此阶段中以隧道挖掘后时间为变化横轴。从施工的角度来看待形变，其在施工过程中为负形变（以垂直向下为正方向），形变量一般在30-50mm之间，此阶段的形变变化为弹性形变。而在隧道掘进后的3d内，弹性形变逐步恢复，并形成向下的形变增量。其变化量往往在500-150mm之间，增长比例与掘进期间相比在150%左右，当隧道施工完成后，随着时间的推移，此种弹性形变逐渐转变为蠕动形变，在此过程中形变速度放缓，但形变方向更为复杂。除了上述的垂直方向形变之外，还会存在部分水平蠕动，此阶段对隧道施工安全性的影响最大。

塌方方面：由于弹性形变以及蠕动形变的存在，使得软弱围岩间应力作用更小，进而产生小范围脱离显现。此种现象在施工层面被定义为塌方，而塌方现象的存在不仅影响隧道的施工进度，更容易造成安全事故。有研究表明当软弱围岩隧道施工过程中，脱离当量超过1000kg的脱落与塌方频率为0.54次/m，这是施工安全保障的重要环节。

渗水方面：软弱围岩岩石间距较大，同时，此种地质条件的形成也往往是由于距离山体表面较近。在这样的背景下，不仅碎岩间含水量超过一般地质条件，且地表的下渗水对围岩渗水的影响也是十分显著的。因此，渗水也是此种施工条件下的主要问题之一。此种问题具有一定的隐蔽性，当地表（山体表面）含水量较低时，围岩含水量在正常范围之内（10%-15%）；而当地表存在径流时，则围岩含水量急剧增加，部分区域能够达到70%以上。此种显现不加以处理的话会严重的影响隧道的使用安全与使用寿命。

四、软弱围岩隧道施工对策分析

为了解决上述三方面问题，并切实的提高软弱围岩隧道施工的质量，我们需要从如下几个方面入手对施工方法进行优化：

4.1 掘进方式优化

当面对软弱围岩条件时，要适当的调整施工的掘进方式，来确保施工的安全性。在具体的对策方面可以分为掘进方式的改变以及封闭方式的改变两个层面。

首先，采用两台法与预留法相结合的掘进方式，并降低单次的挖掘量，以环形单次掘进的方式代替重复爆破挖掘的方式，进一步降低人为扰动的频次与强度。其次，对开挖步距进行控制，降低步距幅度50%左右，并在环顶挖掘完毕后进行及时的封闭。根据上文的研究我们发现，弹性形变是造成后续岩石脱离的主要因素，而此过程往往发生在挖掘后的3d之内，在施工过程中封闭施工时间保障在3d内完成能够有效的降低由于弹性形变而产生的安全隐患。最后，环形挖掘过程中的弧顶角度是软弱围岩稳定性的重要指标，在实际的施工过程中需要根据地质测量结果对弧顶进行具体的规划。以单轴承压能力测试为主要依据，以30MPa为分界点，当硬度降低1MPa时，环顶弧度增加0.3°。

4.2 支护方式优化

在支护方面的优化主要以提前支护与深度支护两个方面。所谓的提前支护是指在支护施工过程中应该与掘进中的封闭相结合，采用同时施工，同时完工的方式来进行。此种施工安排能够有效的增加支护的力度，同时从软弱围岩动态变形的角度来考虑，掘进后的1-3d之内是变形贡献最大的时期，在该时期内进行的支护施工最为有效。在具体的支护施工方面可以选择超前支护与注浆相结合的方式来进行。在支护深度方面则主要是指实际施工过程应该加强支护的刚度，除了上述的要求之外，还需要对支护类型进行优化。采用S4b符合衬砌的方式是一种有效手段。有研究表明此种支护方式与传统支护相比，提供的支撑比例能够提高约45%左右。另外，在支护过程中也需要考虑防渗问题。建议使用防渗与引流相结合的方式来进行。引流通道的修建尺寸需要在3cm以内，而间隔则不应该超过3m。

4.3 施工管理优化

为了达到较好的施工效果与质量，在完成了上述的施工方案优化的基础上，应该对具体的施工管理进行细化。具体做法可以从如下两点来进行：第一，引入现场检测与评价机制，对施工后的隧道围岩动态进行实时的监控，并用应力模型与动态分布来表征施工质量。对于存在施工问题与隐患的工段进行加固处理；第二，对现场的施工予以严格监理，如注浆的配比、原料的检验等。做到上述几点才能够有效的保障软弱围岩隧道施工的安全性与质量。

参考文献

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