中老鐵路炭質(zhì)軟巖隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

梁鏡宇

(中鐵二局集團有限公司， 成都 610031)

瑯勃拉邦縫合帶處于墨江-程逸縫合帶中南段，寬約40 km，帶內(nèi)地層有層無序，比較雜亂。帶內(nèi)增生雜巖體，南北邊界分別為兩條延長數(shù)百公里的殼曼性深大斷裂所挾持，其間平臥、斜歪、復式褶皺和區(qū)域性大斷裂發(fā)育。區(qū)域內(nèi)炭質(zhì)軟巖巖性變化快、變形收斂大，當隧道通過此類地層時，受地下水及爆破開挖擾動影響明顯，圍巖變形持續(xù)時間長、變形量大[1-2]。部分隧道在施工期間頻繁發(fā)生初期支護噴混凝土開裂、鋼架扭曲斷裂、溜坍、變形侵限換拱等問題，施工安全風險高，施工進度極為緩慢。

在隧道施工過程中，圍巖變形甚至軟巖大變形是客觀存在的，同時也是可以控制的[3]。本文以中老鐵路會福萊隧道正洞施工為研究對象，總結(jié)出炭質(zhì)軟巖隧道施工技術(shù)及變形防治措施，以期為類似地質(zhì)環(huán)境的隧道工程施工提供參考。

1 工程概況

新建中老鐵路起于中老邊境口岸磨丁，北接我國云南玉磨鐵路，南至老撾首都萬象市，線路全長 418 km，鐵路沿線主要褶皺21個，長大斷層破碎帶30條，全線1/3的隧道穿越石炭系板巖、泥灰?guī)r、炭質(zhì)板巖夾砂巖地層。泥灰?guī)r為夾層，分布無規(guī)律，淺灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中層狀。炭質(zhì)板巖為深灰、灰黑色，變余致密結(jié)構(gòu)，薄層板狀構(gòu)造，裂隙極發(fā)育，炭質(zhì)含量高，遇水易軟化[4]，多為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，地層巖土物理學指標如表1所示。

表1 巖土物理力學性質(zhì)指標表

2 工程地質(zhì)

隧區(qū)位于瑯勃拉邦縫合帶內(nèi)，北以班會海、班內(nèi)海斷裂帶為界，以北為蘭坪-思茅地塊，南以班獻倫斷裂帶為界，以南為南海印支地塊[5]。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造成因復雜，屬次級構(gòu)造發(fā)育，為剝蝕中高山地貌，溝壑發(fā)育，地形起伏較大，偶有“V”字型河谷，地表多被植被覆蓋，基巖出露較差。隧區(qū)地表水多為山間溝水、河水，水量受季節(jié)降雨控制，地下水主要為基巖裂隙水，水量較豐富。洞身圍巖受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎且軟硬不均，局部受地下水或地應力影響，圍巖自穩(wěn)性差。

典型工點以會福萊隧道、普亞村一號隧道、達隆一號隧道、森村二號隧道為代表，開挖揭示地質(zhì)巖層為夾層，巖體呈碎石、板狀結(jié)構(gòu)，部分層面光滑，層間結(jié)合性差，巖質(zhì)軟，局部泥化較嚴重，開挖時易掉塊或局部小溜坍，影響人員及設(shè)備安全。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)與實踐

3.1 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1.1微臺階開挖

隧道穿越軟巖等復雜地質(zhì)地層較多，易發(fā)生軟巖變形的段落多為Ⅴ級圍巖，下臺階開挖或仰拱開挖施工時，支護結(jié)構(gòu)的突變給隧道施工造成極大的安全風險，為保證仰拱快速封閉成環(huán)、控制圍巖變形，現(xiàn)場優(yōu)化傳統(tǒng)的三臺階開挖方案，采用“短進尺、弱爆破”的微臺階法開挖，并根據(jù)圍巖情況設(shè)計加工懸臂拼裝多功能臺架進行施工。上臺階長度為3～5 m，操作方便，翻渣量小[6]。上臺階高度為3～3.5 m，每循環(huán)進尺為1.2 m ,下臺階緊跟，仰拱每循環(huán)開挖進尺不大于3 m，仰拱初支不超過6 m封閉成環(huán)，初支封閉成環(huán)位置距離掌子面不超過15 m，并及時施作仰拱及襯砌。采用微臺階法施工后，量測某隧道最大拱頂沉降為 31 mm，拱腰收斂34 mm，絕大部分拱頂沉降和周邊收斂在20 mm以內(nèi)，現(xiàn)場施工安全可控。

3.1.2溜坍處治措施

當發(fā)生溜坍時，暫停開挖施工，利用洞渣或砂袋施作反壓平臺穩(wěn)定掌子面，采用濕噴混凝土對空腔部位圍巖和溜坍體進行封閉處理，對洞身塌體及周邊進行注漿加固，超前支護采用超前小導管及管棚聯(lián)合支護[7]。對初支發(fā)生變形處及時拆換拱架，逐榀跟進，空腔最高處預留高低錯落埋設(shè)混凝土泵管，待拱架落地后，分次泵送混凝土回填。處理完成后，在溜坍段支護襯砌處設(shè)置監(jiān)測斷面，跟蹤監(jiān)測圍巖穩(wěn)定情況。

3.1.3加強監(jiān)控量測

以信息化為手段，提高工程質(zhì)量和安全，全線隧道均實行圍巖監(jiān)控量測信息上傳，及時報警處置，降低隧道安全事故發(fā)生的概率[8]。根據(jù)監(jiān)控量測情況及時掌握圍巖變化規(guī)律，開挖時按實際測出的預留變形量確定開挖輪廓尺寸，防止變形后侵占隧道凈空[9]。

3.1.4含水巖組富水性較強地層施工技術(shù)

隧區(qū)洞身有水的軟弱圍巖斷層地段，其破碎帶主要由板巖夾砂巖、泥灰?guī)r組成，角礫膠結(jié)差，導水性好，巖層裂隙富水。為防止開挖施工引起涌泥或地下水，采取“以堵為主、限量排放”原則加強初期支護，通過采取超前周邊注漿加固破碎帶等措施，控制地下水流量，降低施工安全風險，保證圍巖穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 富水軟巖支護結(jié)構(gòu)體系圖

3.2 工程實踐

3.2.1工程概況

會富萊隧道全長6.969 km，為單線隧道，全線控制性工程，洞身最大埋深635 m，隧道穿越普巴道山、會福萊1號、會福萊2號、班會海斷層破碎帶。隧道在Ⅴ級圍巖地段施工過程中，累計發(fā)生12次較大～大規(guī)模塌方，初期支護產(chǎn)生9次較大變形，不同失穩(wěn)類型失穩(wěn)次數(shù)統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 不同失穩(wěn)類型失穩(wěn)次數(shù)圖

現(xiàn)場采用三臺階法進行開挖，D2K 130+330～D2K 130+360預留變形量上臺階為65 cm，下臺階為60 cm， 采用I16型鋼支護。該段落巖層產(chǎn)狀扭曲變形嚴重，巖體擠壓破碎強烈，隧道施工過程中初期支護變形嚴重，主要表現(xiàn)為噴混凝土開裂、拱架扭曲、初期支護侵限等。D2K 130+335里程段施工過程變形曲線如圖3所示，D2K 130+300～D2K+400段復合式襯砌支護參數(shù)如表2所示。

圖3 D2K 130+335變形曲線圖

表2 復合式襯砌主要支護參數(shù)表

3.2.2原因分析

(1)工程地質(zhì)原因：①隧道位于瑯勃拉邦縫合帶，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)條件復雜，區(qū)域內(nèi)炭質(zhì)板巖分布廣泛，巖體抗壓強度極低，受構(gòu)造應力影響極易誘發(fā)高地應力軟巖大變形現(xiàn)象。②巖層的單軸抗壓強度低，隧道D2K 130+230～D2K 130+370段圍巖開挖揭示為板巖夾炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖，巖石單軸飽和抗壓強度分別為2.25 MPa和3.89 MPa，屬于極軟巖類。③水平構(gòu)造應力場特征極其明顯，隧址區(qū)地應力測試結(jié)果顯示，埋深530 m時最大水平應力達20.41 MPa，豎向應力13.81 MPa，側(cè)壓力系數(shù)高達1.47。④巖體極破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)軟，穩(wěn)定性差，TSP超前地質(zhì)預報該段均為Ⅴ級圍巖。

(2)施工原因：①采用三臺階不留核心土法施工，仰拱及二次襯砌不能緊跟掌子面，導致初期支護變形持續(xù)時間增加，不能有效控制洞室穩(wěn)定；②現(xiàn)場存在鋼架安裝不到位、支護不及時、監(jiān)測不到位、變形加固不及時等問題，造成變形增大甚至侵限換拱。

3.2.3優(yōu)化設(shè)計

通過組織現(xiàn)場會勘，做好設(shè)計變更，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

(1)調(diào)整開挖輪廓線，加大初期支護邊墻和仰拱曲率，改善受力結(jié)構(gòu)。

(2)加強支護型鋼，鋼架支護由I16工字鋼調(diào)整為HW175型鋼，間距0.6 m。

(3)鋼架內(nèi)外側(cè)均設(shè)置縱向連接鋼筋，并在上臺階拱腳處增設(shè)I14工字鋼作為連接型鋼。

(4)系統(tǒng)錨桿采用長短結(jié)合主動強支護。短錨桿長度4 m，采用φ22速凝藥包錨桿。長錨桿長度8 m，采用φ32自行式錨桿，快凝早強漿液注漿。

(5)在拱部140°范圍內(nèi)采用φ42小導管進行超前支護，單根長度為4.5 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)27根，按縱向2.4 m/環(huán)布置。

(6)噴射混凝土強度由C25調(diào)整為C30。

(7)加強鋼架連接板接頭連接質(zhì)量，M20×65高強度螺栓由4顆調(diào)整為6顆，鋼架連接板采用三面滿焊以增強鋼架整體性。

(8)采用雙鎖腳，在原設(shè)計基礎(chǔ)上增設(shè)一道鎖腳錨桿，加強支護抗變形能力。

(9)根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，適當調(diào)整預留變形量。

3.2.4施工方法及措施

(1)暫停掌子面掘進，增加臨時支撐，防止初期支護侵限，現(xiàn)場采用快速注漿工藝。

(2)現(xiàn)場嚴格規(guī)范施工，因變形侵限需換拱的部位，注漿完成待圍巖變形穩(wěn)定后，對拱墻逐榀進行換拱處理，避免再次換拱，同時做好超前地質(zhì)預報和監(jiān)控量測工作[10]。

(3)優(yōu)化工法，將爆破開挖調(diào)整為機械開挖，采用銑挖機開挖以消除爆破震動對圍巖的擾動?，F(xiàn)場采用微臺階法施工，開挖過程中控制臺階長度不超過6 m。

(4)安全質(zhì)量控制措施：①完善安全質(zhì)量管理制度，制定應急預案，完善救援措施，定期組織突發(fā)事件處置演練；②軟巖地段嚴格按設(shè)計方案施工，下臺階和仰拱施工及時跟進，避免工序安全步距超標；③做好地質(zhì)風險揭示工作，及時制定技術(shù)措施，確保施工安全和開挖進度；④及時清除噴混凝土回彈的虛碴，做好基礎(chǔ)處理與支墊措施，安裝鋼架要位置準確，下臺階開挖一次不超過2榀，避免鋼架懸空吊腳；⑤加強施工過程自檢，規(guī)范濕噴工藝和混凝土灌注工藝，現(xiàn)場嚴格工序交接驗收程序；⑥對境外水泥性能進行課題研究，通過國內(nèi)外水泥檢測指標對比，優(yōu)化混凝土配合比，同時加強對試驗室、拌和站的專項檢查，從源頭抓好質(zhì)量控制；⑦定期開展施工安全及工期風險分析專題會議，現(xiàn)場采取有效措施，保證不良地段施工安全質(zhì)量；⑧洞身通過石炭系地層炭質(zhì)板巖時，可能存在瓦斯等有害氣體，施工中應加強有害氣體監(jiān)測和隧道通風，確保施工安全。

3.2.5處理效果

通過優(yōu)化斷面及支護參數(shù)、嚴格重要工序關(guān)鍵環(huán)節(jié)、采取施工技術(shù)改進措施和做好監(jiān)控量測工作，初期支護開裂情況減少，圍巖變形得到有效控制，基本無侵限換拱現(xiàn)象發(fā)生，隧道軟巖段開挖月進度從 22.8 m提高到43.7 m，施工進度明顯加快。變形從開挖到二襯施工完成一直存在，后期速率降低，但不能完全收斂[11]，優(yōu)化后D2K 130+445的不良地質(zhì)變形曲線如圖4所示。

圖4 D2K 130+445變形曲線圖

4 結(jié)束語

中老鐵路炭質(zhì)軟巖地層主要集中在瑯勃拉邦縫合帶內(nèi)的24座隧道工程施工管段，隧區(qū)圍巖自穩(wěn)能力差，其中石炭系地層易引起軟巖大變形。當掌子面地質(zhì)情況發(fā)生變化時，需注意做好圍巖級別、支護形式等變更設(shè)計工作，已發(fā)生軟巖變形的隧道，選擇合適的工法施工，在對變形侵限部位更換初支的基礎(chǔ)上，采用微臺階開挖、增加臨時橫撐、施作臨時仰拱、地表注漿、徑向注漿、超前注漿、增設(shè)鎖腳、增加超前管棚周邊注漿、加大超前支護范圍等措施，能有效控制隧道軟巖大變形。