軟弱圍巖隧道施工技術探討

郭王義

(太原鐵路局建設管理處，山西太原 030012)

北同蒲鐵路沿線有豐富的煤炭資源，占大秦線集運約50%的煤炭運量，但既有北同蒲鐵路修建年代較早，技術標準低、行車速度慢、通過能力小，已經不能適應客貨運輸要求。北同蒲線山陰至原平取直線(以下簡稱:北同蒲取直線)工程建成后，將使北同蒲既有鐵路近期釋放1.4億t、遠期釋放1.7億t的煤炭運輸能力，對保證我國的能源安全具有重要的戰略意義，同時對促進沿線地區的社會經濟發展和提高當地群眾的生活質量也是十分必要的。雁門關隧道是北同蒲取直線鐵路工程唯一的隧道，也是全線的重點控制性工程，該隧道施工正洞穿越多條斷層破碎帶，地質條件極其復雜，地下水極為豐富，屬極高(Ⅰ級:特別嚴重)風險隧道。隧道建設過程中，不可預見因素多，施工安全很難保證。在施工前方案制定時，對工程難度進行了詳細分析，并制定了行之有效的可靠措施。雁門關隧道于2007年11月18日正式開工，在施工過程中，嚴格落實審批通過的各項措施，狠抓施工現場管理，克服了地下水豐富、圍巖軟弱、斷層破碎帶等種種不利因素，于2013年4月30日順利貫通，在整個施工過程中實現了“一人未傷”的安全預期目標，為全線早日通車奠定了基礎。

1 工程概述

北同蒲取直線雁門關隧道，設計為單洞雙線隧道，起訖里程DK110+855～DK124+940，隧道全長14 085 m。隧道穿越以恒山山脈為主干的構造侵蝕、剝蝕基巖山區地貌，地面山高谷深，群峰連綿，最大埋深約820 m。隧道圍巖為古老的變質巖地層，巖性復雜多變，斷層、層面和構造節理發育，多見層間摩擦面和巖脈穿插，燕山期多次的地質構造變動，使區內生成了一系列斷裂構造。隧道正洞穿越19條斷層破碎帶，地下水極為豐富，設計最大涌水量達29 800 m3/d，且具有承壓性，由于特殊的地理、氣候和構造條件，隧址區水文地質條件極為復雜，工程施工難度非常大，為極高(Ⅰ級:特別嚴重)風險隧道。

2 工程重難點分析

1)地下水蘊藏豐富，圍巖節理發育，開挖時容易發生涌水、突泥等災害;2)隧道地質構造復雜，正洞穿越斷層破碎帶達19處，圍巖破碎、自穩性差，易誘發塌方等安全事故，造成人員傷亡和財產設備損失;3)圍巖地應力大，容易發生巖爆和初支、二襯變形開裂等問題;4)該隧道為全線重點控制性工程，工期壓力非常大。

3 主要施工技術措施

3.1 重視防排水措施是關鍵

1)減少洞頂地表水下滲。施工前，對隧道中線走向的山體地形等現狀進行詳細調查，及時封堵山體地表裂縫，對地形坑洼地段進行回填，并疏導山體自然排水系統，盡量減少地表水的下滲。

2)注漿防水。注漿防水施工應根據現場的圍巖狀況、出水量大小等實際情況制定合理的方案，并按照現場試驗進行參數調整和工藝完善，保證注漿效果。在富水地段或軟弱地層，水壓和涌水量較大，且圍巖自穩能力差的地段，采用全斷面預注漿進行堵水;涌水量較大，但水壓不大，且圍巖有一定自穩能力的地段，采用帷幕注漿進行堵水，加固范圍均擴大至開挖輪廓線外3 m～8 m。

3)及時抽排隧道內積水。施工中應根據現場實際引水歸槽，集中排放，在下臺階適當位置設臨時集水坑，集水坑與邊墻初支、仰拱開挖面隔開一定的距離，避免積水長時間浸泡初支墻腳和隧道基底。按掌子面和初支出水量大小配齊、配足抽水設施，及時將作業面的積水抽排至隧道外，保障隧道施工安全。

3.2 抓好超前地質預報工作是前提

1)施工前，編制超前地質預報實施細則，其內容包括實施方案、分段預報內容、方法及技術要點等。2)施工中，把超前地質預報真正納入工序管理，并給予必要的施作時間。3)超前地質預報結論在開挖方式中的應用。根據超前地質預報和掌子面地質素描結果，對圍巖極度破碎地段及時調整開挖方式和方法，現場采用微臺階分步開挖工藝，效果比較明顯，其施工藝流程圖和工序示意圖見圖1，圖2。4)超前地質預報結論在變更設計中的應用。在隧道施工過程中，超前地質預報的結論與設計地質資料及時對比分析，為變更設計提供依據，為施工安全和結構質量提供了保證。該隧道圍巖原設計地質情況為:Ⅱ級圍巖9 595 m，Ⅲ級圍巖1 495 m，Ⅳ級圍巖1 685 m，Ⅴ級圍巖1 270 m，明洞40 m，總計14 085 m。應用地質預報結果，并根據現場實際情況及時進行了圍巖變更，變更后的地質情況為:Ⅱ級圍巖45 m，Ⅲ級圍巖470 m，Ⅳ級圍巖4 200 m，Ⅴ級圍巖9 351 m，明洞19 m，總計14 085 m。

圖1 微臺階分步開挖工藝流程圖

圖2 微臺階分步開挖工序示意圖（單位：m）

3.3 增強初支剛度是結構和施工安全的保證

該隧道穿越斷層破碎帶較多，在圍巖節理發育，巖體極度破碎，自穩能力很差，地質構造復雜多變的情況下，單排小導管與普通初支鋼架難以保證施工安全及結構穩定。通過斷層極度破碎區段現場采取了初支結構強化措施，采用了雙排小導管注漿和雙層H175型鋼拱架，起到了很好的效果。

3.3.1 采用雙排超前小導管

為保證安全，超前支護在拱頂120°每環設置兩排φ50×3.5 mm超前注漿小導管，長4.0 m，環向間距每米3根，兩排超前導管內側一排外插角15°，外層一排外插角30°，每兩榀拱架設置一環，小導管注水泥—水玻璃雙液漿。

圍巖破碎且比較均勻地段的超前小導管，采用風槍直接推送，遇夾有堅硬巖塊部位，先用風鉆成孔后再推送就位。超前小導管安設前，先噴5 cm～10 cm厚混凝土封閉掌子面作為止漿墻，便于后續注漿時起到止漿作用，順序為從兩側拱腰向拱頂依次進行。

3.3.2 初支結構采取雙層H175型鋼拱架

對超前小導管先進行超前高壓預注漿，保證擴散半徑不小于2.0 m，固結破碎巖體，增強拱部圍巖的自穩能力。開挖時，在隧道初支設計輪廓線的基礎上，增加預留變形量約20 cm～50 cm(具體數值按照附近初支變形量確定)。

雙層H175鋼架的間距控制在0.6 m，鋼架間縱向連接筋采用φ22 mm(HRB335)鋼筋，間距1.0 m，單層 φ8鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm，拱腳以上50 cm處增設Ⅰ20b工字鋼縱向托梁，兩排間距30 cm(見圖3)。每臺階拱腳設置4根長度為5 m的φ50注漿鎖腳錨管，錨管端頭與鋼架焊接牢固，且外插腳30°～45°(見圖4)，鎖腳錨管中壓注水泥—水玻璃漿。

3.4 圍巖監控量測是指導施工的依據

3.4.1 原始數據的收集

為取得開挖后圍巖早期狀態變化數據，各項測點應盡量靠近掌子面布置(不大于2 m)，在開挖成型2 h內及時讀取初次讀數。對于隧道開挖時圍巖破碎地段應加大監控量測的頻率，認真記錄原始數據，現場加密后的量測頻率(見表1)。

圖3 Ⅰ20b托梁示意圖

圖4 鎖腳錨管示意圖

表1 圍巖監控量測頻率表(位移速度)

3.4.2 圍巖監控量測數據的分析及信息反饋

依據現場實際量測的數據，及時繪制圍巖變形—時間關系曲線分析圖(見圖5，圖6)，根據曲線圖預測結構變形發展趨勢，預測結構的安全性，評價施工方法，確定合理的工程技術措施。

圖5 圍巖橫向收斂分析圖（2010年）

圖6 圍巖拱頂下沉分析圖

3.4.3 監控量測信息的應用

根據某一段多個量測斷面的施工信息綜合分析處理結果，進行設計參數修正、施工方法優化、施工工序調整、預留變形量修正及需要采取輔助的施工措施等。由于該隧道屬高風險隧道，監控量測作為施工關鍵環節顯得尤為重要，應及時對監測數據進行整理和分析，判斷其結構穩定性并及時反饋到工程中去指導施工。在施工過程中，通過反饋的量測信息，多次及時停止了掌子面掘進作業，對初支采取了加固和補強措施，從而避免了大的安全事故發生。

4 結語

雁門關隧道在施工過程中，雖然涌水量比較大，正洞頻繁穿越斷層破碎帶，多次出現過掌子面坍塌和初支變形開裂，但未發生過人員傷亡和掩埋施工機械設備等安全事故，將經濟損失降低到了最小，為全線順利開通奠定了基礎。實踐證明軟弱圍巖隧道施工應該從以下幾方面引起重視:

1)隧道穿越軟弱破碎圍巖地段，施工必須引起高度重視的是地下水的影響。在軟弱的變質巖段，地下水的作用加快了圍巖的變形速率，使圍巖穩定條件惡化，易形成大塌方，所以在開挖時如有地下水，就應該及時施作初期支護，而且初支變形超過正常水平時，應及時變更設計對初期支護采取強化措施，抑制圍巖的進一步變形，防止發生坍塌。2)加強超前探孔和超前地質預報，綜合分析多種方法，及時了解前方圍巖狀況，從而聯系設計部門及時調整圍巖初期支護參數。3)隨時調整開挖方式及方法。特別對圍巖分布不均勻的情況，施工中采取超短三臺階預留核心土或微臺階分步等開挖方法，也許可以避免塌方或降低坍塌規模。4)在松散、軟弱、破碎圍巖段，需局部爆破時，必須嚴格控制炮眼深度、間距、裝藥量等爆破參數，減小對周圍軟弱破碎圍巖的擾動。5)施工過程中要加強和重視監控量測工作，必要段落適當加密監測頻次和范圍，對圍巖監控量測數據及時進行回歸分析，利用監控量測數據指導施工。6)合理安排部署，縮短各工序時間，選擇合理的循環進尺，使初支結構盡快閉合成環，加快二次襯砌施作，讓二襯和初期支護共同受力。

［1］TZ 331-2009，鐵路隧道防排水施工技術指南［S］.

［2］TZ 204-2008，鐵路隧道工程施工技術指南［S］.

［3］TB 10304-2009，鐵路隧道工程施工安全技術規程［S］.

［4］TB 10121-2007，鐵路隧道監控量測技術規程［S］.