一种可针对隧道软岩大变形施工的施工工艺的制作方法

本发明涉及隧道工程施工，具体涉及一种可针对隧道软岩大变形施工的施工工艺。

背景技术：

1、我国西部高原地区隧道工程多穿越变质砂岩、板岩、千枚岩等软岩地层，该类区域地质构造复杂、地应力水平高，岩体节理裂隙极发育、破碎程度高，且遇水易软化、围岩自稳能力差。隧道开挖卸荷后易发生强烈大变形灾害，表现为变形速率快、累计变形量大、变形持续周期长、空间分布不对称，常引发初期支护开裂、钢拱架扭曲变形、结构侵限、仰拱隆起甚至二次衬砌开裂等病害，部分隧道累计变形量可达2米以上，需频繁换拱处置，严重威胁施工安全、拖慢工程进度、大幅提升建设成本。

2、但现有的可针对隧道软岩大变形施工的施工工艺在运作时存在如下缺陷：一是普通系统锚杆配合单层钢拱架的被动支护模式，无法主动约束围岩变形，在高地应力软岩中变形控制效果有限，难以遏制大变形发展；二是预应力锚索主动加固方案施工工序复杂，单环作业时间长，施工效率低，且长锚索对作业空间要求高，在台阶法施工的有限断面内施作难度大，机械化适配性差，综合造价高；三是常规“先锚后支”的锚杆安装方式，在软弱破碎围岩中预应力损失大，主动支护效果难以充分发挥。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可针对隧道软岩大变形施工的施工工艺，以解决现有软岩大变形隧道支护体系变形控制能力不足、施工效率低、成本高、作业空间适配性差的问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：包括以下步骤：

3、s1、超前预支护：在掌子面拱部设计范围内施作超前注浆中管棚，对开挖前方围岩进行预加固，形成超前承载拱结构；

4、s2、台阶法分层开挖：根据围岩破碎程度、渗水量与自稳能力，选择两台阶环形预留核心土法或三台阶法，采用机械非爆方式分层开挖，每阶开挖出渣完成后及时初喷混凝土封闭岩面与掌子面；

5、s3、第一层初期支护施作：在开挖后的岩面依次架设第一层型钢拱架、铺设钢筋网、施作锁脚注浆锚管，然后喷射c30早高强混凝土，形成第一层初期支护结构；

6、s4、预应力中空锚杆施工：采用“先支后锚”工艺，在第一层初期支护上按设计间距施作预应力中空锚杆，依次完成清孔、锚固剂安装、搅拌锚固、张拉锁定与非锚固段注浆，对围岩施加主动压应力；

7、s5、第二层初期支护施作：滞后第一层初期支护掌子面3～～5m距离，架设第二层型钢拱架、铺设钢筋网并喷射混凝土，形成双层型钢拱架联合支护体系；

8、s6、下台阶与仰拱闭合施工：下台阶采用左右错开方式开挖并同步完成边墙初期支护，仰拱紧跟下台阶施作，使支护结构尽早闭合成环；

9、s7、二次衬砌施作：待初期支护变形趋于稳定后，采用整体模板台车浇筑二次衬砌混凝土，形成永久承载结构。

10、优选地，步骤s1中，所述超前注浆中管棚采用φ76×4mm无缝钢管，单根长度6-12m，环向间距40cm，外插角5°～12°，布设范围为拱部102°；管棚管壁设置梅花形出浆孔，孔径10mm，纵向与横向间距15cm，尾部设置1m长不钻孔止浆段；成孔后注入水泥浆实现围岩预加固；通过在掌子面拱部102°范围内沿开挖轮廓线，以5°～12°外插角打设带梅花形出浆孔的φ76×4mm无缝钢管并注入水泥浆，浆液沿管壁出浆孔向周边围岩裂隙扩散、胶结，将破碎围岩颗粒黏结为整体，在开挖轮廓外形成一道连续的筒状超前承载拱结构；尾部1m止浆段可避免浆液向孔口流失，保证注浆压力与扩散效果。以此提前提升前方围岩的整体性与自稳强度，阻挡开挖后围岩向洞内松弛掉块，削弱地应力卸荷对掌子面的冲击，为后续台阶开挖与初支施工创造安全的作业空间。

11、优选地，步骤s2中，当围岩自稳能力较好时采用两台阶环形预留核心土法：上台阶高度7.16m，下台阶高度3.45m，核心土周边距开挖轮廓面不小于2m；上台阶开挖进尺为1～2榀拱架间距，下台阶开挖进尺为2榀拱架间距；开挖出渣后1h内完成掌子面初喷封闭，初喷混凝土厚度5～～10cm；当围岩破碎、渗水量大、自稳能力差时采用三台阶法：上台阶高度4.9m，中台阶高度2.8m，下台阶高度3.45m；上台阶长度不大于5m，中台阶长度不大于15m，左右中台阶纵向错开间距不小于3m；上台阶单次进尺1榀拱架间距，中、下台阶单次进尺1～2榀拱架间距；通过将隧道大断面拆分为多个小断面分层分步开挖，大幅减小单次开挖的临空面面积与围岩卸荷扰动范围；环形预留核心土可对掌子面形成反向支撑，抑制掌子面挤出变形；中、下台阶左右幅错开开挖，避免同侧围岩连续卸荷造成单侧失稳。配合短进尺开挖与出渣后1h内快速初喷封闭，最大限度缩短围岩裸露时间，阻断风化与软化路径。两台阶法工序少、效率高，适配自稳能力较好的围岩；三台阶法分步更细、扰动更小，适配极破碎、富水的软弱围岩，以此在保障开挖安全的前提下，兼顾不同地质条件下的施工效率。

12、优选地，步骤s3与步骤s5中，所述型钢拱架为hw200×200型钢拱架，纵向间距0.6～～0.8m，拱架间采用i16工字钢作为纵向连接筋；钢筋网采用φ8mm钢筋制作，网格尺寸20×20cm；第一层喷射混凝土为c30早高强混凝土，厚度26cm，第二层喷射混凝土厚度24cm；锁脚锚管采用φ76×4mm注浆钢管，单根长度4.5m，每层拱架对应设置多组锁脚锚管；通过双层hw200×200型钢拱架提供高刚度径向抗力，共同分担围岩挤压荷载，避免单层拱架过载扭曲变形；i16纵向连接筋将独立的单榀拱架串联为整体空间受力体系，提升支护结构的纵向稳定性；φ8mm钢筋网嵌入喷射混凝土中，可约束砼收缩开裂、均布荷载，提升喷砼整体性与抗冲击能力；c30早高强混凝土可在短时间内达到设计强度，快速与岩面密贴填充、传递围岩压力。配合注浆锁脚锚管深入围岩锚固拱脚，限制拱架下沉与水平侧移，以此形成高强度、高整体性的被动承载结构，抵御软岩大变形的持续挤压作用。

13、优选地，步骤s4中，所述预应力中空锚杆为φ32×8mm中空锚杆，单根长度6m，环向间距1.0m，纵向间距与拱架间距一致；锚杆采用树脂锚固剂端头锚固，锚固长度不小于1.8m，设计张拉力为160～220kn，可根据围岩强度动态调整；非锚固段采用水泥净浆压力注浆填充，注浆压力0.5～1.0mpa；通过树脂锚固剂将锚杆端头与深部相对稳定的围岩牢固黏结，形成可靠的锚固端；张拉后锚杆对浅层破碎围岩施加主动径向压应力，抵消开挖卸荷产生的围岩拉应变，使围岩从单向受力转为三轴受压状态，主动提升围岩自身承载能力，约束围岩向内收缩变形。1.8m锚固长度保证锚固端抗拔力满足张拉需求，张拉力随围岩强度动态调整，可避免软弱围岩中锚杆被拉出失效；非锚固段压力注浆可填充锚杆空腔与孔壁间隙，胶结周边破碎岩体，同时对锚杆杆体形成防腐保护。以此实现主动支护与被动支护的协同作用，大幅提升对软岩大变形的控制效果。

14、优选地，步骤s4的具体施工流程为：

15、钻孔：采用拱锚一体机配合φ54mm钻头，沿初支法线方向钻孔，孔深适配锚杆设计长度m；钻孔采用高压风配合少量高压水排渣；

16、清孔装料：钻孔完成后用高压风清理孔内积水与岩屑，随即装入树脂锚固剂并推送至孔底；

17、搅拌锚固：插入中空锚杆，采用钻机带动锚杆旋转搅拌锚固剂不少40s，使锚固剂充分混合，静置至固化；

18、张拉锁定：锚固剂固化后，采用经标定的液压千斤顶按设计张拉力进行张拉，张拉速率平缓可控，张拉到位后拧紧锚固螺帽锁定；

19、注浆填充：锁定后在锚杆端头连接注浆管，向锚杆空腔与孔壁间隙注入水泥净浆，注满后封堵注浆口；通过拱锚一体机沿初支法线方向精准钻孔，保证锚杆受力方向与围岩变形方向一致，最大化预应力的约束效能；高压风配合少量水排渣，既避免孔内积水软化围岩、削弱锚固力，又抑制施工扬尘；清孔彻底去除岩屑与积水，保证树脂锚固剂与孔壁围岩紧密接触；匀速搅拌不少于40s使树脂a、b组材料分充分混合反应，保障端头锚固强度；平缓速率张拉可避免冲击荷载造成预应力瞬时损失，保证张拉力精准可控；最终注浆填充全部间隙，补足粘结力并隔绝腐蚀介质。以此从成孔、锚固到张拉、注浆全流程管控质量，确保每根锚杆的预应力有效传递，充分发挥主动支护作用。

20、步骤s6中，仰拱单次开挖长度不超过3m，开挖后及时清理基底并施作仰拱初期支护，仰拱距掌子面距离不大于30m；步骤s7中，二次衬砌厚度不宜小于60cm，采用c35钢筋混凝土，抗渗等级不低于p10，二次衬砌距掌子面距离不大于50m，最大不超过70m；通过控制仰拱单次开挖长度不超过3m，减少基底围岩的暴露范围与卸荷扰动，避免仰拱开挖引发拱脚失稳；仰拱紧跟掌子面施作，可使初期支护快速由开口结构变为封闭环形结构，环形承载结构的整体刚度与抗变形能力远高于开口结构，能有效约束围岩全周向内变形与仰拱隆起。厚层c35钢筋混凝土二衬作为永久安全储备，承担围岩后期蠕变荷载，p10抗渗等级满足隧道防水要求；严格控制仰拱、二衬与掌子面的距离，避免围岩变形长时间无约束发展。以此实现“快开挖、快支护、快成环”，遏制软岩蠕变变形持续累积。

21、优选地，施工全过程配套监控量测与超前地质预报，通过监测围岩变形速率、累计变形量与支护结构受力，动态调整支护参数、开挖进尺与预留变形量，实现信息化动态施工；通过超前地质预报提前探明掌子面前方的围岩性质、裂隙发育与富水情况，提前预判大变形风险等级，为工法与支护参数调整提供依据；在施工中持续监测围岩变形速率、累计变形量与支护结构内力，实时掌握围岩变形发展趋势与支护受力状态。将监测数据反馈至施工环节，动态调整开挖进尺、拱架间距、锚杆张拉力与预留变形量，围岩变差时强化支护、围岩好转时优化参数。以此实现“量测—反馈—调整”的闭环管控，做到按需支护，既避免支护不足引发侵限、坍塌风险，也避免盲目加强支护造成工程浪费。

22、优选地，施工全过程采用机械化配套作业：开挖采用隧道专用破碎锤挖掘机非爆开挖，钢拱架安装、超前支护、锁脚与锚杆钻孔采用拱锚一体机作业，喷射混凝土采用湿喷台车施工，二次衬砌采用智能整体模板台车浇筑；通过隧道专用破碎锤挖掘机进行非爆开挖，避免爆破振动对破碎软岩的扰动破坏，减少围岩松弛变形；拱锚一体机集成钢拱架安装、超前支护钻孔、锁脚与锚杆打设等多工序功能，可实现连续作业，大幅减少工序衔接的等待时间，且成孔精度与效率远高于人工；湿喷台车可保证喷射混凝土密实均匀，提升初支质量与施工效率；智能整体模板台车保障二衬成型精度与浇筑质量。以此降低人工高强度作业的安全风险，提升施工效率与作业标准化程度，适配高原软岩大变形隧道快速、安全施工的需求。

23、优选地，支护结构设置分级预留变形量，外层预留变形量20-40cm、内层预留变形量30-50cm、开挖总预留变形量10cm；施工中根据监控量测数据动态调整预留变形量，围岩稳定性较差段落总预留变形量不小于60cm；通过设置分级预留变形量，为软岩的渐进式大变形提供合理的释放空间：外层预留20-40cm适配开挖初期围岩快速变形阶段，内层预留30-50cm适配支护结构闭合后的缓慢蠕变阶段，开挖预留10cm抵消施工误差与初始变形。允许围岩适度变形释放部分地应力，避免支护结构因变形受限制产生过大内应力而发生开裂、扭曲破坏；同时根据监控量测数据动态调整预留值，软弱围岩段总预留量不小于60cm，保证变形释放后支护结构仍不侵入建筑限界。以此实现“让压与控形”的平衡，在控制变形不侵限的前提下，充分利用围岩自承载能力，优化支护受力状态。

24、本发明具有以下有益效果：通过超前注浆中管棚预加固、双层型钢拱架被动承载与预应力中空锚杆主动约束的多重支护体系协同作用，达成围岩三轴受力状态优化、变形发展速率与累计变形量双受控的效果，以此有效避免初支侵限、钢拱架扭曲变形及大面积换拱病害，提升软岩大变形隧道的施工安全性与结构长期稳定性。

25、通过“先支后锚”施工工艺配合拱锚一体机实现钻孔、安设、张拉多工序机械化连续作业，达成单环锚杆施工时长有效压缩、工序衔接间隙大幅缩减的效果，以此适配台阶法施工的有限作业空间，保障隧道快速掘进节奏，整体提升施工效率。

26、通过采用φ32中空预应力锚杆替代传统预应力锚索作为主动加固核心构件，达成单延米支护材料成本降低的效果，以此配合施工效率提升带来的工期缩短效应，压降工程综合造价，具备良好的技术经济效益。

27、通过预应力锚杆主动向围岩施加压应力、双层钢拱架均匀分担围岩荷载的组合受力模式，达成内外层支护结构受力均衡、二次衬砌荷载分布更趋合理的效果，以此降低二衬局部应力集中与开裂风险，保障支护结构的长期服役性能。

28、通过两台阶与三台阶工法可灵活切换、锚杆张拉力与预留变形量可随围岩动态调整的参数化设计，达成不同破碎程度、不同渗水条件软岩地层的精准适配效果，以此覆盖多等级软岩大变形施工场景，尤其适配高原高地应力破碎软岩隧道的复杂地质工况。