復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境軟巖大變形的快速施工技術(shù)

郭永發(fā)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)的不斷轉(zhuǎn)變，人們交通運(yùn)輸需求的多元化發(fā)展，使得鐵路工程的施工技術(shù)逐步優(yōu)化?，F(xiàn)階段，隨著鐵路建設(shè)向西南地區(qū)推進(jìn)，軟弱圍巖大變形的問(wèn)題一直困擾著鐵路建設(shè)。為推進(jìn)鐵路交通運(yùn)輸體系的建設(shè)與完善，保證在復(fù)雜施工環(huán)境中的工程質(zhì)量，針對(duì)隧道工程常見(jiàn)大變形問(wèn)題，施工單位應(yīng)結(jié)合地質(zhì)環(huán)境特征，合理選擇深埋單線交通鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工技術(shù)，根據(jù)鐵路單線建設(shè)與運(yùn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮建設(shè)條件、成本與安全性等條件，規(guī)范深埋鐵路隧道快速施工流程，預(yù)防、控制軟巖大變形的影響，全面提升鐵路工程的安全性與效率性。

當(dāng)前階段，我國(guó)鐵路隧道建設(shè)規(guī)模、難度大幅度提升，鐵路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理成為控制工程質(zhì)量的重要保障。單線鐵路深埋隧道建設(shè)項(xiàng)目管理，應(yīng)適用于環(huán)境較為復(fù)雜的建設(shè)地區(qū)，以降低軟巖層產(chǎn)生的大變形影響。在此基礎(chǔ)上，本文從工程實(shí)際案例出發(fā)，通過(guò)對(duì)深埋鐵道地區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行調(diào)查、分析，提出兩臺(tái)階帶仰拱同步施工技術(shù)，對(duì)地應(yīng)力高、軟巖層等深部巖體地區(qū)的鐵路隧道快速施工要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的探究。

一、軟巖大變形的類型與特征

1.炭質(zhì)系圍巖大變形

炭質(zhì)系圍巖的變形情況主要發(fā)生在頁(yè)巖、板巖層，由于巖質(zhì)較軟，呈薄層狀，在巖層中裂隙發(fā)育，松散、破碎，受地下水影響節(jié)理面泥化進(jìn)一步降低巖體力學(xué)性能，導(dǎo)致鐵路隧道圍巖在開(kāi)挖時(shí)，塑性區(qū)范圍大，圍巖存在滑移、剪切破壞，引發(fā)隧道初期支護(hù)大變形問(wèn)題。

2.滇中紅層變形

云南地區(qū)滇中紅層分布范圍較為廣泛，作為軟巖弱圍巖的一種，具有特殊的工程施工特性，屬于易滑地層，在鐵路隧道施工中，容易引發(fā)大變形災(zāi)害。滇中紅層主要由砂巖、泥巖、泥灰?guī)r等構(gòu)成，透水性較弱，抗風(fēng)化能力弱，在隧道開(kāi)挖施工時(shí)，容易出現(xiàn)破碎、塑變、遇水軟化等問(wèn)題，影響圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.軟巖大變形的特征

大變形發(fā)生的主要地區(qū)包括泥質(zhì)砂巖、頁(yè)巖以及泥灰?guī)r等構(gòu)造為主的沉積巖及變質(zhì)巖分布地區(qū)，這些軟弱圍巖在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，遇水加劇軟化過(guò)程。又因爆破作業(yè)對(duì)周邊圍巖及掌子面前方地質(zhì)條件影響較大，導(dǎo)致掌子面前方圍巖初始松動(dòng)及后方圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步擴(kuò)大，加劇了已有初期支護(hù)上的應(yīng)力作用，引發(fā)支護(hù)位移、破壞等問(wèn)題。軟巖大變形不僅會(huì)對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量與進(jìn)度產(chǎn)生影響，嚴(yán)重情況下還會(huì)帶來(lái)較大的安全威脅。

二、工程案例

為有效探討軟巖地區(qū)深埋單線運(yùn)輸鐵路隧道工程的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)，本文選擇處于應(yīng)力作用強(qiáng)、屬于軟巖地質(zhì)條件的工程案例，對(duì)鐵路工程的施工實(shí)況進(jìn)行分析。該地區(qū)由于巖體整體性受到侵入活動(dòng)影響，地應(yīng)力平均值相對(duì)較高。施工階段洞內(nèi)實(shí)測(cè)最大地應(yīng)力5.16-12.70MPa，線路走向與區(qū)域構(gòu)造線大致平行，最大主應(yīng)力近似垂直于線路走向，在開(kāi)展深埋鐵路施工時(shí)，容易受到偏壓順層影響，導(dǎo)致隧道工程出現(xiàn)大變形問(wèn)題。

通過(guò)鐵路工程實(shí)地勘測(cè)情況來(lái)看，建設(shè)地區(qū)的圍巖性質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，巖體被多期地震影響而碎裂，鐵路隧道工程容易出現(xiàn)大變形問(wèn)題。同時(shí)，巖體受深埋開(kāi)挖工程的影響，將會(huì)導(dǎo)致松動(dòng)圈的影響范圍達(dá)到5-6m以上。為此，隧道如果采用三臺(tái)階法施工，圍巖受開(kāi)挖擾動(dòng)次數(shù)多，剛架接頭連接差，導(dǎo)致受力不合理，鋼架作用大大減弱。往往鋼架接頭附近導(dǎo)致初期支護(hù)侵限。采用三臺(tái)階法初期支護(hù)封閉周期長(zhǎng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力低，從建設(shè)安全與支護(hù)效果來(lái)說(shuō)，無(wú)法達(dá)到快封閉的目的。與此同時(shí)，由于單線鐵路相對(duì)于其他道路工程的跨度更大，選擇直墻結(jié)構(gòu)不利于水平方向的收斂控制。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐調(diào)查與測(cè)量參數(shù)分析結(jié)果，鐵路隧道受地應(yīng)力影響初期支護(hù)出現(xiàn)位移、破壞的頻次較高，實(shí)際測(cè)量的下沉量偏低，工序變換過(guò)程中容易發(fā)生變形速率變化，主要控制水平向變形，通過(guò)快速封閉初期支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

三、兩臺(tái)階帶仰拱同步施工技術(shù)控制要點(diǎn)

1.工程設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)代鐵路施工技術(shù)研究，隧道支護(hù)工程在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮建設(shè)地區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)，計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力與圍巖作用。在軟巖地區(qū)建設(shè)鐵路隧道時(shí)，一方面，應(yīng)結(jié)合鐵道深埋的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圍巖塑性變形情況進(jìn)行分析，保證圍巖彈性勢(shì)能作用處于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；另一方面，應(yīng)控制圍巖變形，避免巖土層過(guò)于松動(dòng)，計(jì)算準(zhǔn)確的支護(hù)阻力，為工程提供專業(yè)性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。由于深埋工程技術(shù)中，三臺(tái)階法開(kāi)挖閉合時(shí)間長(zhǎng)，尤其是仰拱單獨(dú)挖作為一個(gè)步序，導(dǎo)致初期支護(hù)閉合存在滯后性，不能及時(shí)阻止變形的發(fā)展。當(dāng)大變形災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中，鋼拱架難以完成閉合，支護(hù)結(jié)構(gòu)受非線性影響，引發(fā)換拱頻繁現(xiàn)象，施工整體進(jìn)度被拖延。因此，施工單位結(jié)合軟巖隧道建設(shè)項(xiàng)目的技術(shù)要求與建設(shè)地區(qū)和水文地質(zhì)條件，采用了兩臺(tái)階帶仰拱同步隧道建設(shè)技術(shù)。

2.變形控制施工要點(diǎn)

兩臺(tái)階帶仰拱同步技術(shù)的施工步驟包括：首先，隧道上階、下階帶仰拱應(yīng)同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，保證鉆進(jìn)、爆破、通風(fēng)與排險(xiǎn)、扒碴施工作業(yè)，在上臺(tái)階進(jìn)行初期支護(hù)，下臺(tái)階進(jìn)行出碴。然后，在上臺(tái)階開(kāi)展超前支護(hù)作業(yè)，在下臺(tái)階上裝設(shè)立架，最后進(jìn)行噴射混凝土施工。上下臺(tái)階帶仰拱同步施工在大變形控制方面具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：一是保證開(kāi)挖、支護(hù)工程的同步性，工序安排緊湊，工程推進(jìn)的速率快；二是仰拱支護(hù)穩(wěn)定性高。在隧道開(kāi)挖后，及時(shí)采用噴錨支護(hù)技術(shù)，尤其應(yīng)重視初噴封閉地下水滲入通道的作用，延緩地下水滲入時(shí)間，能夠改善圍巖力學(xué)性能與受力狀況，可以有效提升隧道圍巖的實(shí)際承載力，提升工程穩(wěn)定性，控制隧道變形情況。初期支護(hù)的實(shí)際閉環(huán)周期短，可以有效控制非線性影響；三是隧道施工安全性高，對(duì)爆破作業(yè)控制嚴(yán)格，仰拱二襯同步性強(qiáng)。

四、質(zhì)量控制對(duì)策

1.完善安全施工制度，優(yōu)化施工流程

在實(shí)際施工過(guò)程中，為保證同步施工進(jìn)度的有效協(xié)調(diào)，應(yīng)加強(qiáng)平行作業(yè)的規(guī)范管理。具體來(lái)講，施工隊(duì)伍應(yīng)合理利用打鉆施工對(duì)錨桿進(jìn)行裝設(shè)，保證錨桿注漿的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)上導(dǎo)立架、下層出碴的施工目標(biāo)，統(tǒng)一上臺(tái)階仰拱的平行作業(yè)。與此同時(shí)，軟巖大變形受爆破振動(dòng)的影響，采取減少振動(dòng)的措施，可降低圍巖擾動(dòng)，更符合新奧法原理。在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，應(yīng)充分利用超前水平探孔、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、TSP等超前預(yù)報(bào)手段，整合施工信息，提升工程安全管理水平。此外，還應(yīng)設(shè)置動(dòng)態(tài)量測(cè)系統(tǒng)，對(duì)圍巖變形狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，及時(shí)反饋動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供專業(yè)性的指導(dǎo)，優(yōu)化施工流程。

2.科學(xué)控制施工進(jìn)度，加強(qiáng)支護(hù)管理

為保證初期支護(hù)封閉速率，兩臺(tái)階同步開(kāi)挖、支護(hù)工程中，應(yīng)科學(xué)控制施工進(jìn)度，在確保鋼架穩(wěn)定連接的基礎(chǔ)上，確保二襯仰拱有效跟進(jìn)、同步施工，降低換拱頻次，動(dòng)態(tài)控制鐵路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，在軟巖大變形災(zāi)害控制的過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)施工的管理。一方面，應(yīng)對(duì)超前導(dǎo)管質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，保證導(dǎo)管裝設(shè)的規(guī)范性。同時(shí)，拱架間采用工字鋼相連接，下導(dǎo)拱架加密超前導(dǎo)管防止垮塌；另一方面，邊墻與隧道拱部在錨桿作業(yè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)方案選擇錨桿類型與尺寸。通常情況下，每孔錨桿數(shù)量應(yīng)根據(jù)錨桿長(zhǎng)度確定，然后進(jìn)行注漿，按照實(shí)際要求裝設(shè)槽鋼后，加設(shè)錨墊板，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.嚴(yán)格落實(shí)鐵路工程施工規(guī)范，注重現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制

鐵路隧道單線深埋工程的現(xiàn)場(chǎng)管理是鐵路整體施工質(zhì)量的重要保障。在實(shí)際工程建設(shè)階段，由于鐵道建設(shè)與隧道開(kāi)挖的工程量較大、施工影響因素較多。因此，在工程施工現(xiàn)場(chǎng)管理階段，首先，需要加強(qiáng)安全施工宣傳，做好技術(shù)交底，幫助作業(yè)人員深入、全面掌握技術(shù)規(guī)范，做到有序、高效施工；其次，在設(shè)備管理方面，應(yīng)在施工前對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，合理規(guī)劃設(shè)備運(yùn)輸、裝設(shè)，同時(shí)，安排專業(yè)的操作、維修團(tuán)隊(duì)，保證設(shè)備的高效、平穩(wěn)運(yùn)行；第三，合理配置鐵路施工建設(shè)資源，注重對(duì)材料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)工作。結(jié)合施工設(shè)計(jì)與實(shí)際工程建設(shè)情況，對(duì)隧道不同位置的施工進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)籌，采用機(jī)械化配套，有效落實(shí)快速施工目標(biāo)。

五、結(jié)語(yǔ)

受限于地質(zhì)地層情況及機(jī)械化水平，使得現(xiàn)階段鐵路隧道施工的工程技術(shù)難度顯著提升。軟弱圍巖深埋單線鐵路隧道大變形問(wèn)題制約了鐵路建設(shè)，導(dǎo)致工期和投資不可控。為有效控制軟巖大變形、地應(yīng)力高等問(wèn)題對(duì)鐵路工程建設(shè)的影響，施工單位應(yīng)在充分、全面掌握建設(shè)地區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，優(yōu)化深埋單線鐵路施工組織，加強(qiáng)施工管理，合理運(yùn)用兩臺(tái)階帶仰拱同步施工法，實(shí)現(xiàn)隧道的軟弱圍巖大變形“快封閉”的控制目標(biāo)。