簡談隧道軟巖大變形施工綜合控制技術(shù)

楊選擇

（中鐵八局集團昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，在山嶺地區(qū)修建的隧道越來越多，復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道修建技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。當(dāng)隧道穿越高地應(yīng)力及軟弱破碎圍巖體時，易產(chǎn)生圍巖大變形等相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害。大變形的危害程度大，處治費用高且方法復(fù)雜，若造成大量侵限換拱，既影響施工進度，又浪費施工成本，因此，采取有效的施工綜合控制技術(shù)解決隧道初期支護變形過大的問題就顯得尤為重要。

1 工程概況

磨萬鐵路富萊隧道全長6 968m，為全線重難點隧道工程，V級圍巖超過80%，不良地質(zhì)為巖溶、斷層破碎帶、巖爆、軟巖大變形、有害氣體等。施工過程中多次遭遇軟巖大變形、突泥涌水、塌方等工程問題，其中軟巖大變形對施工進度、成本影響較大。軟巖大變形主要分布在富萊隧道進口工工區(qū)和橫洞工區(qū)，軟巖大變形段落通過地層主要為泥巖夾砂巖、泥巖、碳質(zhì)板巖等地層，發(fā)育普巴道山斷層（與線路交于D2K130+400附近，該斷層為一壓扭性逆斷層）、會福萊1#斷層（與線路交于D2K130+040附近，該斷層為普巴道山斷層的分支）、會福萊2#斷層（與線路交于D2K131+100附近，該斷層為普巴道山斷層的分支）。

橫洞工區(qū)正洞小里程開挖30m后因初支變形較大被迫停工改由會富萊進口單口掘進，大里程進入會富萊2#斷層影響帶期間變形較大，產(chǎn)生局部變形侵限換拱，會富萊隧道進口在通過會富萊1#斷層后從D2K130+230開始發(fā)生初支較大變形，且部分侵限換拱。為攻克軟巖大變形問題，施工單位中鐵八局聯(lián)合北京交通大學(xué)開展科研攻關(guān)，并多次邀請中鐵二院、老中公司及中國鐵路總公司專家現(xiàn)場指導(dǎo)，解決軟巖大變形的技術(shù)難題和施工難題。針對軟巖大變形施工控制，提出了在隧道軟弱圍巖大變形控制中應(yīng)遵循“多措并舉，綜合控制”的總體施工控制原則，采取了一系列措施，有效控制了變形，促進工程順利進行。

2 軟巖大變形特征

1）發(fā)生大變形段的隧道埋深相對較深，圍巖為強度低的軟巖類，在結(jié)構(gòu)上巖體具原生結(jié)構(gòu)的特點，不同程度地存在高地應(yīng)力問題，由于圍巖強度低，地應(yīng)力高、形成了很高的應(yīng)力強度比。

2）地下水的軟化作用在圍巖大變形中發(fā)揮重要作用，圍巖變形破壞的模式主要為塑性流動、彎曲變形。

3）圍巖變形量較大，持續(xù)時間長，往往表現(xiàn)為初期支護破裂、鋼拱架扭曲，侵入隧道限界，二次混凝土襯砌的破裂和剝離、混凝土底板的折斷翹等。

典型例子：會富萊隧道進口開挖揭示為炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)板巖，屬于極軟巖，整體性及自穩(wěn)性差，埋深175m。已經(jīng)支護的型鋼拱架被擠壓扭曲，初支砼不規(guī)則開裂及剝落，現(xiàn)場監(jiān)測拱頂下沉最大達(dá)45cm，水平收斂最大達(dá)148.6cm，初支變形極其嚴(yán)重，造成大量更換初支結(jié)構(gòu)，進度不能保證、安全風(fēng)險較高、成本投入較大。見圖1。

圖1 隧道初支變形處理

3 軟巖大變形原因及變形等級

3.1 大變形原因

會富萊隧道地處瑯勃拉邦地質(zhì)縫合帶，受區(qū)域性斷裂的影響，測區(qū)內(nèi)主要發(fā)育普巴道山斷層（該斷層為一壓扭性逆斷層）、會福萊1#斷層（該斷層為普巴道山斷層的分支）、會福萊2#斷層（該斷層為普巴道山斷層的分支）、班會海斷裂（該斷層為壓紐性逆斷層）。會福萊隧道大變形段處于碳質(zhì)板巖、砂巖夾碳質(zhì)板巖地層，經(jīng)切割巖樣試驗，巖石天然單軸抗壓強度分別為2.25MPa和3.89MPa，屬于極軟巖類受普巴山壓扭性逆斷層及其分支斷層影響，巖體高度風(fēng)化、極度破碎、松散，圍巖自穩(wěn)能力極差，隧道開挖后，圍巖出現(xiàn)應(yīng)力重分布，在洞室四周形成一定厚度的破壞松動范圍（經(jīng)測圍巖松動圈大約為5.5m），加之隧道開挖的卸荷作用，在高地應(yīng)力作用下，使得圍巖產(chǎn)生大范圍塑性變形，表現(xiàn)為隧道變形隨著時間而不斷增大，長期無法穩(wěn)定。地應(yīng)力構(gòu)成以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，造成水平收斂變形比拱頂下沉變形大；受班會海壓紐性斷層影響，造成已經(jīng)支護的型鋼拱架被擠壓扭曲；部分段落地應(yīng)力不均，造成左右邊墻初支不對稱收斂變形。

3.2 大變形等級

《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》關(guān)于大變分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 鐵路隧道的大變形分級標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)地應(yīng)力測試、巖體強度試驗、監(jiān)控量測分析，會富萊隧道大變形段圍巖強度應(yīng)力比（Rb/σmax）為0.168～0. 218，開挖后位移較大，持續(xù)時間長，相對變形量為13.4%～26.6%，流變特征很明顯。2019年4月27日，老中公司組織專家現(xiàn)場研究分析確定為Ⅲ級軟巖大變形。

4 軟巖大變形綜合控制措施

4.1 優(yōu)化開挖斷面，加強支護參數(shù)

會富萊隧道進口與橫洞間剩余正洞段未開挖段落將通過普巴山壓扭性逆斷層，圍巖會更差，變形將更大。根據(jù)會富萊隧道進口已經(jīng)施工段落存在軟巖大變形情況，施工單位建議剩余段落調(diào)整斷面結(jié)構(gòu)形式，并加強支護參數(shù)，老中鐵路有限公司組織專家會研討同意中鐵二院優(yōu)化斷面和調(diào)整支護參數(shù)如下：

1）根據(jù)收斂變形遠(yuǎn)大于拱頂下沉變形情況，調(diào)整開挖輪廓線，采用橢圓開挖斷面，加大初期支護邊墻及仰拱曲率，改善受力結(jié)構(gòu)，并考慮現(xiàn)場實際情況二襯內(nèi)輪廓不變。

2）加強型鋼支護，鋼架由I18調(diào)整為HW175型鋼，間距0.6m，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)工14工字鋼作為連接型鋼。

3）結(jié)合已測松動圈范圍，系統(tǒng)錨桿采用長短結(jié)合主動強支護，短錨桿L=4m，采用φ22速凝藥包錨桿，長錨桿L=8m，采用φ32自進式錨桿，采用快凝早強漿液，初支形成后及時進行徑向注漿加固松動圈。

4）小導(dǎo)管超前支護，拱部140°范圍設(shè)φ42小導(dǎo)管超前支護，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)27根，每根長4.5m，縱向每間距2.4m。

5）提高噴射混凝土強度，由C25噴射混凝土調(diào)整為C30噴射混凝土。

6）考慮大變形斷落的結(jié)構(gòu)安全，加強二襯結(jié)構(gòu)，厚度加厚，鋼筋加強。

原設(shè)計斷面見圖2，優(yōu)化后斷面見圖3。

圖2 洞身原設(shè)計斷面圖

圖3 洞身優(yōu)化后斷面圖

原設(shè)計開挖斷面為馬蹄形，優(yōu)化后的開挖斷面為橢圓形，加大了初期支護邊墻及仰拱曲率，改善了受力結(jié)構(gòu)，水平收斂變形比拱頂下沉變形大的情況得到改善，通過支護措施的加強，大大提高了隧道抗變形能力。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，變形速度及累計變形明顯減小，水平收斂與拱頂下沉趨于接近。實踐證明，合理的開挖斷面和匹配的支護措施，對軟弱圍巖大變形起到?jīng)Q定性的作用。

4.2 加強預(yù)報監(jiān)測，合理預(yù)留變形量

采用物探與鉆探相結(jié)合的方式，綜合分析判斷前方及周邊圍巖情況，提前采取措施。加強監(jiān)控量測，根據(jù)已施工相同地質(zhì)段落變形監(jiān)測分析，合理預(yù)留變形量。調(diào)整斷面前，變形預(yù)留量從開始的30cm調(diào)整至65cm，調(diào)整斷面和加強措施后，變形大幅減小，調(diào)整預(yù)留變形量至40cm，后面基本穩(wěn)定在25cm左右，并根據(jù)不對稱收斂情況調(diào)整左右側(cè)預(yù)留變形量。

實際施工中，一方面預(yù)留量相對于開挖預(yù)留變形量存在偏差，另一方面，在開挖到初支噴射混凝土完成的時段已存在一定變形，加上作業(yè)水平的差異，在初支施工作業(yè)中難免存在鋼架安裝偏差和噴射砼厚度偏差，三者的偏差（簡稱初始修正偏差）難于分別測定，通過采用斷面儀掃描量測方法，及時進行初支初始監(jiān)測并進行換算修正，避免產(chǎn)生誤判。隧道存在不對稱變形，相對累計變形未發(fā)生變化或很小時，由于隧道整體向一側(cè)發(fā)生平移，信息平臺系統(tǒng)不會自動報警，現(xiàn)場往往是在不對稱變形位移已十分明顯的情況下目測發(fā)現(xiàn)，為此，過程量測通過采用斷面儀掃描法，及時準(zhǔn)確掌握各測點絕對位移情況，避免產(chǎn)生誤判，同時根據(jù)不同的變形情況，采用黃、紅預(yù)警控制，及時采取對應(yīng)的措施進行過程變形處理控制，抑制變形發(fā)展，達(dá)到變形不換拱的目的。通過合理預(yù)留變形量、控制開挖斷面、初始修正和絕對位移監(jiān)測等，形成一套針對軟巖大變形的有效監(jiān)測方法，結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，便于管理人員參考決策?！端淼拦こ誊浫鯂鷰r變形監(jiān)測方法》專利申請已獲國家知識產(chǎn)權(quán)局受理，申請?zhí)枮?01911302093.2。

4.3 優(yōu)化工法工藝，卡控關(guān)鍵環(huán)節(jié)

4.3.1 優(yōu)化工法工藝

1）采用三臺階快速成環(huán)施工方法，做到上、中、下各臺階同時掘進，仰拱初支快速封閉成環(huán)，仰拱初支成環(huán)達(dá)一模仰拱長度后及時施作仰拱襯砌，拱墻二襯緊跟。

2）采用洗挖機非爆開挖，消除爆破振動對圍巖的擾動。見圖4。

圖4 洗挖機非爆開挖照片

3）采用快速注漿工藝，在打鉆和立架工序時施作徑向注漿，以提高施工效率，減少工序用時。見圖5。

圖5 錨桿鉆機快速注漿施工照片

4.3.2 卡控關(guān)鍵環(huán)節(jié)

軟弱圍巖變形不可避免，但可抑制其發(fā)展速度和最終變形量，在開挖斷面和支護參數(shù)一定的情況下，施工過程唯有通過加強重要工序關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制，才能對變形進行有效控制。鋼架接頭處為初支的薄弱部位，往往發(fā)生鋼架接頭處初支變形較大，甚至發(fā)生接頭處初支局部侵限換拱，因此，必須加強鋼架關(guān)鍵工序質(zhì)量控制，避免接頭處發(fā)生局部侵限換拱事件發(fā)生。

1）加強臺階面與鋼架腳相對高差控制，確保鋼架腳比臺階面低20cm，避免鋼架腳高于臺階面造成鋼架普遍掉腳懸空而加速下沉變形?！八淼冷摷苣_加強支墊結(jié)構(gòu)”獲專利授權(quán)，專利號ZL2019 2 2115902.0。

2）通過鋼架底腳基礎(chǔ)處理和支墊處理控制，提高鋼架腳基礎(chǔ)承載力，確保鋼架腳落在實處，從而抑制初支下沉變形。

3）通過鋼架安裝測量定位、加工質(zhì)量驗收、安裝質(zhì)量驗收，確保鋼架安裝位置正確，防止鋼架安裝位置偏差較大導(dǎo)致初支變形前的“假變形”產(chǎn)生。

4）通過鋼架連接鋼板三面滿焊加強控制，減小接頭處與其他部位的受力差異，以確保接頭薄弱問題得到加強，確保環(huán)向初支受力均勻，提高初支整體抗變形能力。

5）通過鋼架鎖腳錨管安裝位置角度控制、灌注漿液充填握裹控制，確保鋼架鎖腳效果，抑制鋼架腳內(nèi)收和下沉變形，特別是在落臺工序轉(zhuǎn)換時有效抑制鋼架腳內(nèi)收和下沉變形的加劇，避免鋼架腳變形過快影響下接鋼架安裝連接質(zhì)量，同時避免鋼架腳變形過快帶動其他部位初支加速變形?！八淼佬弯撲摷苕i腳結(jié)構(gòu)”獲專利授權(quán)，專利號ZL2019 2 2102042.9。

4.4 抑制變形發(fā)展，加強二次襯砌

根據(jù)監(jiān)控量測分析預(yù)警，及時采取措施可以對變形發(fā)展進行抑制，減小變形速率，減小累計變形。變形速率達(dá)到紅色預(yù)警，暫停掌子面掘進，采取注漿加固措施；累計變形量達(dá)到橙色預(yù)警，進行斷面掃描，根據(jù)變形情況采取局部注漿加固或全環(huán)注漿加固等措施；累計變形達(dá)到紅色預(yù)警，停止掌子面掘進，加快仰拱二襯施工進度，并進行斷面掃描，對局部已侵限進行處理，確保二襯厚度。

優(yōu)化設(shè)計后的二襯厚度加厚，鋼筋加強，嚴(yán)格按優(yōu)化設(shè)計進行施工，配筋正確，厚度達(dá)標(biāo)，施工過程中加強工藝控制，確保二襯結(jié)構(gòu)施作質(zhì)量，確保大變形斷落的結(jié)構(gòu)安全嚴(yán)格控制安全步距，仰拱襯砌距掌子面的距離不超過35m，拱墻二襯距掌子面的距離不超過70m。

通過采取以上綜合措施，有效扼制了變形侵限更換情況的發(fā)生，促進隧道施工有序進行，施工進度由最初的平均不足30m/月提高到45m/月以上，且安全有序可控。

5 小結(jié)

掌握隧道軟弱圍巖大變形原因及其變形特征，施工中遵循“多措并舉，綜合控制”的總體施工控制原則，綜合采取“優(yōu)化開挖斷面 ，加強支護措施；加強預(yù)報監(jiān)測，預(yù)留合理變形；優(yōu)化開挖工法、卡控關(guān)鍵環(huán)節(jié)；抑制變形發(fā)展，加強二次襯砌”的施工綜合控制技術(shù)，就能有效做好隧道軟圍巖大變形控制，達(dá)到變形不換拱，提高隧道施工進度，保證施工及結(jié)構(gòu)安全。