公路隧道软弱围岩段超前预支护施工工艺改进与应用实践

引言

公路隧道软弱围岩段施工面临复杂地质条件，围岩自稳能力差，易发生变形甚至坍塌，对施工安全构成严峻挑战。超前预支护技术作为关键控制手段，能够有效改善围岩稳定性，保障开挖作业顺利进行。近年来，随着隧道工程向深埋、大断面方向发展，传统预支护工艺在适应性、施工效率及支护效果等方面亟待优化，为类似地质条件下的隧道施工提供参考。

1 公路隧道软弱围岩段超前预支护施工工艺现状分析

1.1 软弱围岩特性与工程影响

软弱围岩具有低强度、高流变性和显著的各向异性特征。其矿物成分以蒙脱石、伊利石等黏土矿物为主，遇水易发生软化崩解。在应力重分布过程中表现出明显的塑性变形，围岩自稳时间短，开挖后易出现收敛变形。这种地质条件会导致隧道初期支护承受较大形变压力，拱顶沉降速率加快，边墙位移量增大。围岩与支护结构的相互作用更为复杂，可能引发局部坍塌或支护失效。施工过程中需特别关注结构面发育程度对围岩完整性的影响，以及地下水渗透对岩体强度的弱化作用。

1.2 现有超前预支护工艺类型

当前超前预支护技术主要分为导管注浆类、机械支护类和冻结法三类。导管注浆类包括小导管注浆、大管棚支护等，通过浆液固结破碎岩体形成承载拱。机械支护类涵盖超前锚杆、水平旋喷桩等刚性支撑体系，直接提供径向约束力。冻结法则利用人工制冷暂时改良围岩物理性质。各类工艺中，管棚支护适用于浅埋段软弱地层，其纵向梁效应可有效控制沉降。水平旋喷桩在富水地层中能形成连续止水帷幕，而超前锚杆更适用于节理发育的碎裂岩体。工艺选择需综合考虑地层渗透系数、埋深及变形控制要求。

1.3 传统工艺存在的问题

传统工艺存在注浆扩散半径不足导致的加固盲区，管棚搭接长度不足易引发支护断层。机械支护的安装角度偏差会显著降低荷载传递效率，注浆压力控制不当可能引发地表隆起。冻结法存在能耗高、解冻后围岩强度骤降的风险。施工过程中，钻孔精度不足会导致支护体系受力不均，早强剂使用不当可能影响浆液后期强度发展。此外，工序衔接间隙过长会加剧围岩暴露变形，监测反馈滞后则难以及时调整支护参数。

2 公路隧道软弱围岩段超前预支护施工工艺改进策略

2.1 支护材料的优化选择

新型纳米改性水泥基注浆材料通过粒径级配优化，可实现更优的渗透性与早强特性。纤维增强复合材料锚杆具有更高的抗剪强度与耐腐蚀性，适用于化学生蚀环境。高分子吸水树脂作为添加剂可提升浆液在富水地层的留存率。微膨胀型注浆料能补偿收缩应力，避免加固体与围岩界面产生剥离。对于酸性地下水地层，宜选用硫铝酸盐水泥基材；在低温施工条件下，宜采用防冻型速凝剂。材料配比需通过正交试验确定最优参数组合，确保各龄期强度满足阶段性承载需求。

2.2 支护结构的创新设计

三维曲面管棚结构通过增大环向接触面积提升整体刚度，交错式布置可消除应力集中点。组合式支护体系将微型桩与注浆锚管分层设置，形成梯度加固区。智能张拉锚索配备压力传感器，可实现预应力动态补偿。蜂窝状注浆管网布局能实现浆液扩散的定向控制，避免资源浪费。结构设计引入 BIM 参数化建模，精确计算不同地质单元所需的支护密度。对于断层破碎带，可采用门架式超前支护配合径向注浆的综合方案，形成立体承载网络。

2.3 施工流程的合理调整

推行”钻注一体化”作业模式，将钻孔、安装、注浆工序整合为连续流程。采用跳仓施工法控制群锚效应，相邻管棚施工间隔不少于3 个循环。引入机械臂精准定位系统，将钻孔偏斜度控制在 1 % 以内。注浆实施分序加密策略，先外围后中心形成闭合止浆圈。关键节点设置工艺验收环节，包括管棚搭接长度验证、浆液稠度现场测试等。建立信息化管理平台，实时采集钻进参数、注浆压力等数据，指导施工参数动态优化。

2.4 质量控制要点的明确

原材料进场需进行批次抽样检测，重点监控水泥凝结时间、锚杆屈服强度等指标。钻孔施工实行”三定”原则：定孔位、定角度、定深度，采用全站仪进行放样复核。注浆过程实施”双控”标准：既控制注浆总量又控制压力峰值，避免劈裂破坏。养护阶段要求保持加固区 28 天湿润环境，冬季施工需采取保温措施。建立完整的质量追溯档案，包括材料检测报告、隐蔽工程验收记录、第三方检测数据等。关键工序实行首件验收制，样板达标后方可展开大面积施工。

3 公路隧道软弱围岩段超前预支护施工工艺应用实践

3.1 实际工程案例概况

某特长公路隧道穿越 F8 区域性断层，围岩以泥质粉砂岩为主，饱和单轴抗压强度低于 5MPa，裂隙发育密度达 8 条 / 米。隧道埋深 60-120m，地下水位位于拱顶以上 15m。原设计采用 Φ89 管棚支护，施工中出现多次涌泥事故。工程团队重新勘察发现断层影响带宽达35m，具承压水特征。经专家论证，决定采用改进型支护方案，重点解决高压富水条件下的围岩稳定控制问题。施工区段划分三个试验段，分别测试不同工艺组合的适用性。

3.2 改进工艺的具体实施

试验段 A 采用玻璃纤维锚杆配合超细水泥注浆，锚杆间距加密至 。试验段 B 应用液压同步顶进系统安装 Φ 108 管棚，环向间距30cm，纵向搭接长度增至 5 m. 。试验段 C 实施局部冻结法，冻结壁厚度设计为 。注浆采用后退式分段注浆工艺，压力控制在 1.0-1.5MPa 范围。引入地质雷达进行超前预报，每循环进尺不超过 。施工期间配置自动监测系统，实时采集拱顶沉降、周边收敛等数据，预警阈值设为日变形量 3mm。

3.3 应用效果的监测评估

监测数据显示：试验段A 的最终收敛值控制在 1 2 m m 内，注浆体芯样28 天强度达 。试验段 B 的管棚受力均匀性提升 4 0 % ，地表沉降曲线符合 P e c k 公式预测范围。试验段 C 冻结壁交圈时间较预期缩短 20 % ，解冻后采用补偿注浆确保长期稳定。经对比分析，试验段B 的综合效益最优，其每延米造价较原方案增加 1 5 % ，但事故处理费用降低 8 2 % 。全断面地质扫描显示加固区岩体波速提高 3 0 % ，满足二级围岩判定标准。

3.4 经验总结与推广建议

改进工艺的成功实施验证了三项关键技术：高压富水地层的防渗控变技术、动态信息施工技术、多方法协同支护技术。建议在类似工程中优先采用大直径管棚与纳米注浆的组合方案，断层带区域应预留 20 % 的支护参数调整余量。推广价值体现在：机械化施工降低人为误差风险，材料改良提升结构耐久性，智能监测实现风险预控。后续研究应聚焦于新型形状记忆合金支护材料的工程化应用，以及人工智能算法在参数优化中的深度应用。

结束语

公路隧道软弱围岩段超前预支护施工工艺的改进与实践，为复杂地质条件下的隧道建设提供了有效解决方案。通过优化支护参数、改进施工方法及引入先进技术，显著提升了围岩稳定性与施工安全性，为隧道工程的可持续发展奠定坚实基础。

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