軟弱淺埋隧道圍巖大變形控制技術(shù)研究

孫健家 （寧安鐵路有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

0 前 言

軟弱淺埋隧道由于地質(zhì)條件較差，施工過程中圍巖大變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限等現(xiàn)象常有發(fā)生，而目前國內(nèi)在工程可行性研究階段和設(shè)計(jì)階段往往對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)因素分析不夠全面，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估不夠準(zhǔn)確，這也往往會(huì)給施工階段的工程質(zhì)量造成極大地安全隱患，因此有必要深入分析軟弱淺埋隧道施工過程中圍巖大變形的內(nèi)在發(fā)生機(jī)理及外在影響因素，有針對(duì)性的提出行之有效的控制和優(yōu)化。本文結(jié)合寧安客運(yùn)專線鐘鳴隧道施工中典型地段的圍巖大變形現(xiàn)象，系統(tǒng)提出該類隧道圍巖大變形的控制和優(yōu)化措施。

1 工程概況

在建寧安客運(yùn)專線鐘鳴隧道巖體破碎、強(qiáng)度極低，全隧埋深10m～25 m，屬于淺埋軟巖隧道，在隧道開挖過程中圍巖變形大，有初支侵限現(xiàn)象發(fā)生，特別是在粗圓礫土軟弱夾層中，由于其顆粒間黏聚力較小，開挖面自穩(wěn)能力極差，極易發(fā)生失穩(wěn)，施工中圍巖變形控制及穩(wěn)定性判斷非常重要。

鐘鳴隧道采用CRD工法施工（見圖1），開挖循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m(2榀鋼拱架)，具體施工流程為：分臺(tái)階開挖①、②、③，逐步施作導(dǎo)坑周邊主體結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)和中隔壁臨時(shí)支護(hù)，鉆設(shè)徑向系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴射混凝土；分臺(tái)階開挖④、⑤、⑥，其余步驟同左導(dǎo)坑；拆除開挖尾部靠近二次襯砌10m～12 m范圍內(nèi)的臨時(shí)中隔壁鋼架，開挖仰拱并填充。

圖1 CRD工法開挖步序圖

圖2 鐘鳴隧道軟巖大變形基本情況

圖3 鋼架豎向支撐

圖4 加強(qiáng)鎖腳鋼管

圖5 徑向小導(dǎo)管施

圖6 鑿除侵限鋼架混凝土

圖7 連接鋼板及鎖腳鋼管

圖8 增加臨時(shí)仰拱噴錨厚度

圖9 DK141+440左拱頂沉降時(shí)程曲線

圖10 DK141+465右拱頂沉降時(shí)程曲線

2 軟弱圍巖大變形機(jī)理

2.1 機(jī)理

隧道地質(zhì)環(huán)境不同，圍巖發(fā)生大變形的時(shí)間、位置、破壞程度、影響范圍也會(huì)不同。大變形發(fā)生的巖性、環(huán)境及約束條件，大、小變形的區(qū)別及力學(xué)機(jī)理對(duì)于分析和控制隧道圍巖大變形至關(guān)重要。圍巖大變形是指在軟弱圍巖隧道采用常規(guī)支護(hù)圍巖發(fā)生塑性破壞，變形得不到有效地約束，變形量超過了規(guī)范允許的變形量，或有超過規(guī)范允許變形量的趨勢(shì)，或在隧道完成二次襯砌較長時(shí)期后，邊墻、拱頂和拱角破裂、隆起等現(xiàn)象。

2.2 特點(diǎn)及分類

圍巖大變形根據(jù)不同的受控條件可以劃分為：受圍巖巖性和圍巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造控制及受人工采掘擾動(dòng)影響的大變形，其中受圍巖巖性控制的大變形主要包括巖性軟弱的泥質(zhì)頁巖和砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r以及具有膨脹性的軟巖等。對(duì)于軟弱淺埋隧道，由于松散圍巖形成的松散壓力直接作用在地下工程支護(hù)上，隧道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，部分圍巖或其結(jié)構(gòu)面失去強(qiáng)度，成為脫離母巖的分離塊體和松散體，在重力作用下，克服較小的阻力發(fā)生塌滑，軟巖在形變應(yīng)力較大時(shí)，將進(jìn)入塑性或流變變形階段，因而形成較大的圍巖變形。

根據(jù)《鐵路隧道施工規(guī)范》（TBJ204-86），單線隧道正常變形量一般不大于15cm，雙線隧道不大于30cm。也就是說，當(dāng)實(shí)際變形量超過這一數(shù)值時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了較大變形，對(duì)隧道大變形的變形量按三級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

隧道大變形的變形量劃分表 表1

2.3 原因分析

圍巖大變形區(qū)別于一般巖體失穩(wěn)如巖爆、坍塌等圍巖局部破壞的顯著特征是圍巖體的塑性變形，并具有累積性擴(kuò)展和明顯的時(shí)間效應(yīng)特征，并給施工處理造成了較大難度。處于軟弱和破碎地層中的淺埋隧道，其圍巖變形的特點(diǎn)是以垂直下沉為主。隧道大變形是巖性、地下水及施工工法等因素綜合影響的結(jié)果，其中包括不均勻淺埋軟弱地層、拱腳承載力不足、鎖腳錨桿失效、地表水下滲、地表開裂等因素；淺埋大跨度隧道由于埋深很淺的原因，隧道上覆巖層接近于整體沉陷，一般不能形成巖石承載拱，加之地質(zhì)條件復(fù)雜、巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，隧道圍巖自穩(wěn)能力差，導(dǎo)致初期支護(hù)大變形問題。

3 軟弱圍巖大變形控制及施工優(yōu)化

3.1 基本情況

鐘鳴隧道粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化層圍巖在施工過程中易發(fā)生較大變形，尤其是線路左側(cè)上、中臺(tái)階拱腳向洞內(nèi)方向45°左右變化最大，在孔隙水和基巖裂隙水的作用下，軟粉質(zhì)粘土和砂層向洞室臨空面擠出，粗圓礫土（夾有漂石）組成的巖石很不穩(wěn)定，易滲漏，容易造成圍巖內(nèi)細(xì)顆粒的大量流失，極易造成圍巖大變形和地表大沉降，重新?lián)Q拱施工至DK141+512.2后繼續(xù)按照CRD法向前施工，隧道出口施工至DK141+512.2處時(shí)，發(fā)生拱頂下沉0.9m～1.2m，下沉段為DK141+537～512.2，該段換拱處理結(jié)束后，DK141+512～465段中下臺(tái)階左側(cè)初期支護(hù)變形較大，開挖后日收斂最大值近2cm，施工預(yù)留變形量加大至40m～45cm、開挖完成后左側(cè)初支水平收斂量普遍為60cm～70cm，F(xiàn)2走向正斷層DK141+470嵌入隧道左側(cè)外緣，DK141+537～465斷層傾角和斷層破碎帶都向隧道左側(cè)圍巖拱腳底下傾斜延伸產(chǎn)生危害，DK141+465向小里程方向開挖，隧道左側(cè)局部圍巖還會(huì)不同程度受到影響。圖2為鐘鳴隧道軟巖大變形情況（見圖2）。

3.2 原因分析

①隧址區(qū)地質(zhì)條件差且淺埋偏壓，圍巖松散，易變形，自穩(wěn)能力不足，特別是遇水后，圍巖強(qiáng)度迅速降低，自穩(wěn)能力喪失。

②通過地質(zhì)素描、加長炮孔、超前水平地質(zhì)鉆探法等方法，在DK141+512.2向前開挖施工過程中發(fā)現(xiàn)圍巖中存在一條F2走向正斷層，發(fā)生拱頂下沉?xí)r，斷層破碎帶位于仰拱位置，該仰拱施工至DK141+540，斷層破碎帶還未開挖揭示。

③初步判定，斷層帶在開挖范圍內(nèi)的里程為DK141+538～465。斷距落差40m±，斷層產(chǎn)狀N67°E、NW 傾∠50°，構(gòu)成一條斷層破碎帶，斷裂帶寬2.5～3.0m；巖性雜亂，主要為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、褐灰色泥質(zhì)砂巖及灰黃色石英二長斑巖，呈菱角狀、條帶狀碎塊，混雜少許粘土等物，擠壓嚴(yán)重，巖質(zhì)特別軟弱。

⑤鋼拱架架設(shè)間距、鋼拱架縱向連接筋間距過大，鋼拱架架設(shè)前，對(duì)其拱腳部位的軟弱地基未作處理，鎖腳錨桿的數(shù)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

⑥降雪融化后的雪水下滲，對(duì)洞頂圍巖產(chǎn)生極不利影響，圍巖自穩(wěn)能力迅速下降，導(dǎo)致初支受力增大，形成不穩(wěn)定因素；地震作用也可能產(chǎn)生影響。

3.3 處理與控制措施

①對(duì)初支未成環(huán)侵限段增設(shè)臨時(shí)中支撐，把4根HW175鋼架利用16mm厚鋼板焊接成一個(gè)邊長為350mm正方形立柱做為豎撐，并按照0.6m間距設(shè)置（見圖3），HW175型鋼之間使用22鋼筋連接，直至仰拱施工前方可拆除。

②在CRD法開挖過程中，①、②、④、⑤部鎖腳鋼管由2根增為6根，在待置換拱架的上部及下部，即未侵限鋼架兩側(cè)加打鎖腳鋼管，左、右側(cè)各2組，每榀合計(jì)8根；鎖腳鋼管采用φ50，壁厚3.5mm，單根長5m，并用L鋼筋將兩者焊接牢固，使未侵限部位的鋼拱架處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4所示。

③對(duì)左線侵限段進(jìn)行圍巖注漿處理，采用鋼花管，L=5m，小導(dǎo)管上鉆注漿孔，φ10mm，孔間距15cm，呈梅花型布置，前端加工成錐形，尾部止?jié){段長度≤30cm，；注漿管在兩榀鋼架之間垂直于巖面打設(shè)，呈環(huán)向布置，間距0.5m；采用鉆孔打入法，使用氣腿鉆鉆孔，鉆孔直徑比鋼管直徑大3mm～5mm，然后將注漿管用鉆機(jī)頂入，頂入長度不小于鋼花管長度的90%。如圖5所示。

④全部鑿除后，再割除初支里面的鋼筋網(wǎng)、連接鋼筋、鋼帶及鋼拱架；在鋼拱架全部鑿出之后，將鋼拱架背后的混凝土及泥土擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)位置；在鑿除混凝土?xí)r每次最多鑿除2榀鋼拱架，嚴(yán)禁連續(xù)鑿出多榀鋼拱架。對(duì)侵限較長的鋼拱架，從下向上分段施工，不可一次性鑿除整個(gè)侵限部位的鋼拱架。如圖6所示。

⑤通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試將新置換的拱架準(zhǔn)確調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，并固定牢固，鋼拱架之間用鋼板連接，若鋼板間有間隙，加設(shè)φ22螺紋鋼筋補(bǔ)焊。在鋼拱架調(diào)整好后，對(duì)新置換的鋼拱架每1m打入一對(duì)鎖腳（徑向）鋼管，鎖腳鋼管采用φ50，壁厚3.5mm，單根長5m，并用“L”型鋼筋將鋼架及鎖腳連接牢固。如圖7所示。

圖11 DK141+480右拱頂沉降時(shí)程曲線

⑥拱架立好后，布掛鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片采用￠6盤圓加工，間距20cm×20cm，應(yīng)保證搭接長度（1～2網(wǎng)格）。鋼拱架之間采用連接鋼帶進(jìn)行連接，環(huán)向間距1m；噴射混凝土采用濕噴作業(yè)，混凝土由洞外拌和站集中拌料，混凝土運(yùn)輸車運(yùn)到工作面。噴射混凝土厚度28cm，在噴射混凝土之前在圍巖表面埋入厚度標(biāo)記，噴射作業(yè)應(yīng)變換噴嘴噴射角度和與受噴面的距離，將鋼架、鋼筋網(wǎng)背后噴填密實(shí)。如圖8所示。

3.4 效果分析

當(dāng)開挖至DK141+450后變形速率逐漸變小，施工圍巖變形處于正常變形狀態(tài)，并且DK141+512～DK141+485已經(jīng)完成換拱并施工完二襯。圖9～圖11分別為DK141+440、DK141+465和DK141+480斷面拱頂下沉隨時(shí)間變化曲線。

4 結(jié) 論

①結(jié)合軟弱淺埋隧道埋深較淺、圍巖破碎且強(qiáng)度較低、偏壓以及受地下水影響較明顯等地質(zhì)特征，圍巖大變形在施工過程中常有發(fā)生，由于不同風(fēng)險(xiǎn)因素錯(cuò)綜復(fù)雜，軟弱淺埋隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制必須建立在系統(tǒng)認(rèn)識(shí)風(fēng)險(xiǎn)因素和深入分析風(fēng)險(xiǎn)原因的基礎(chǔ)上，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、控制爆破、施工工法優(yōu)化、地下水控制和支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)綜合控制措施，對(duì)施工各個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)行嚴(yán)格控制。

②在隧道施工過程中，工程各參建方深入分析和全面總結(jié)既有典型風(fēng)險(xiǎn)事故的機(jī)理、原因和控制措施，成功應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、工法優(yōu)化、預(yù)加固、貫通技術(shù)和換拱技術(shù)等風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)和施工優(yōu)化方法，且提出一整套適用于該類隧道圍巖變形控制措施及優(yōu)化技術(shù)，為今后同類隧道的圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)控制及判斷提供技術(shù)參考。

[1]李偉平.公路隧道設(shè)計(jì)與施工的現(xiàn)狀及問題探討[J].公路,2011（8）.

[2]范建海,陳志超,夏述光.軟巖隧道礦山法施工大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].鐵道建筑,2013（7）.

[3]杜立新,王慶林.淺談蘭渝鐵路隧道四大高風(fēng)險(xiǎn)源及應(yīng)對(duì)措施[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011(2).

[4]高泗烈.大跨度軟弱圍巖隧道施工技術(shù)研究[J].技術(shù)市場(chǎng),2012(12).

[5]魯軍良,宋新杰.全風(fēng)化千枚巖圍巖雙連拱隧道變形控制技術(shù)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2012(1).

[6]王淑芳.軟巖隧道變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析[J].中國水運(yùn),2011(6).

[7]宋同新.泥質(zhì)軟巖隧道擠壓變形預(yù)測(cè)實(shí)踐[J].鐵道建筑技術(shù)，2013(S1).

[8]褚東升,劉志,靳柒勤,陽軍生.山嶺隧道穿越?jīng)_溝段施工風(fēng)險(xiǎn)分析與控制措施[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011(S2).

[9]吳廣明.高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012(4).

[10]胡鎮(zhèn)發(fā).某隧道大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].中國水運(yùn),2013(9).