極高地應力軟巖隧道雙層支護技術

司劍鈞

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 7 10043)

0 引言

隨著我國鐵路網的完善和建設標準的提高，隧道建設規模和技術水平也踏上了一個新的臺階，同時也面臨著復雜環境和不良地質安全施工問題的挑戰，其中軟弱圍巖隧道施工變形的問題對控制技術的要求在不斷提升。

蘭渝線蘭廣段處于青藏高原東北緣復雜特殊的地質構造環境，尤其是強烈的擠壓構造作用。地質構造十分復雜，地應力狀態屬高-極高。受多期強烈變形和極低級變質作用改造以及構造、斷層、高地應力及地下水等多種因素的影響，形成軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂等，在國內外是罕見的，是特殊環境的特殊地質問題，是一條國內外在建、已建地質條件最復雜的高標準山區鐵路。

蘭渝線二疊系板巖及炭質板巖、三疊系板巖、志留系千枚巖等段落總長約83 km，巖性軟弱、強度應力比小，屬高-極高的地應力環境，被專家譽為“特類圍巖”，圍巖穩定性差、變形大、變形持續時間長，施工中多座隧道發生了擠壓性大變形問題，出現初期支護噴混凝土開裂、掉塊，鋼架扭曲、斷裂，初期支護失穩及侵限破壞等現象，使施工安全和結構運營安全面臨極大的挑戰。

文獻［1-4］以現場量測數據為依托，結合理論計算，分別以圍巖的相對變形、強度應力比、原始地應力、彈性模量作為分級指標，采用綜合指標判定法給出了大變形的分級標準以及相應的防治措施;文獻［5］在烏鞘嶺單線鐵路隧道通過F7斷層大變形地段，采取優化隧道斷面形式、加強支護參數等措施，控制了隧道變形;文獻［6-9］通過對隧道內超前導洞法與三臺階法進行現場試驗，分析了施工方法在高地應力軟巖地層的變形控制效果，總結了三臺階法施工各階段的圍巖變形規律;文獻［10-11］采用理論分析、地質分析、現場試驗、模型計算等手段研究了雙層初期支護在大變形隧道中的應用效果;文獻［12］采用超前大鉆孔對地層高地應力進行預釋放，以減小作用于支護結構上的壓力，使支護系統受力處于安全范圍內，以達到控制變形的目的。

本文針對兩水隧道穿越炭質軟巖，在施工中多次出現擠壓大變形，造成初期支護開裂、剝落、鋼架扭曲、折斷、初期支護侵限拆換，特別因二次襯砌施作前初期支護未穩定，而引起襯砌開裂、鋼筋彎曲等嚴重問題，分別開展雙層支護和雙層襯砌的試驗研究，為兩水隧道支護和襯砌結構優化提供實踐依據。

1 工程概況

蘭渝鐵路兩水隧道位于甘肅省隴南市，隧道穿越剝蝕中低山地貌，絕對高程為170～700 m，隧道最大埋深為346．00 m。設計為單洞雙線隧道，全長4 945．346 m，隧道洞身通過的地層主要有志留系中、上統千枚巖夾板巖、炭質千枚巖夾板巖及灰巖等，炭質千枚巖地層長約3 662 m，占隧道全長的74%。隧道范圍內未見區域性大斷裂通過，但巖體受構造運動的影響，揉皺、褶皺發育，軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊狀，巖體破碎，完整性極差。

隧道以水平地應力為主，且地應力的分布呈不均勻性，圍巖強度應力比為0．07，屬于極高地應力狀態。

2 前期施工出現的問題

2009年2月隧道開工，進口及斜井工區實際揭示為炭質千枚巖(如圖1所示)，巖質較軟，薄層狀，結構面光滑，張開，層間結合差，受構造影響很嚴重，巖體破碎-極破碎，揉皺發育，夾石英脈體，局部有股狀出水點。

圖1 炭質千枚巖Fig．1 Carbon phyllite

施工過程中，初期支護結構變形較大，噴射混凝土大量開裂、掉塊，部分鋼拱架扭曲、斷裂，支護結構失穩，初期支護結構侵入襯砌凈空，拆換拱情況頻繁發生，局部地段二次襯砌開裂(如圖2—5所示)。

圖2 鋼架扭曲斷裂Fig．2 Distorted and fractured steel arch

圖3 初期支護開裂變形Fig．3 Cracked primary support

圖4 二次襯砌開裂掉塊Fig．4 Spalling of secondary lining

圖5 二次襯砌鋼筋扭曲Fig．5 Distorted steel bar of secondary lining

3 雙層初期支護及雙層二次襯砌試驗

針對隧道施工中出現的問題，前期進行了大量試驗，并召開了多次研討會，經過3年的摸索實踐，最終確定在兩水隧道 DK359+712～+742(30 m)及DK359+742～+772(30 m)分別設置了雙層初期支護及雙層襯砌試驗段。

3．1 試驗段支護參數

3．1．1 雙層初期支護試驗段DK359+712～+742(30 m)

1)預留變形量70 cm(實際施工中放大了20 cm)，初次預留變形量40 cm，二次預留變形量30 cm。

2)拱部120°范圍內設φ42 mm小導管并注水泥漿，環向間距40 cm，長3．5 m，搭接長度不小于1 m。

3)拱墻設置φ42 mm小導管徑向注漿，長4 m，間距1．5 m ×1．5 m。

4)第1層初期支護:全環設H175型鋼鋼架，縱向間距0．5 m/榀，全環噴C25混凝土，厚度為30 cm。采用R32N自進式錨桿鎖腳，每榀4處8根，長6 m。每榀拱架兩側邊墻大跨范圍內各增設3根R32N自進式錨桿，對拱架進行鎖固，長9 m。

5)第2層初期支護:拱墻噴C25混凝土，厚度為20 cm;拱墻設Ⅰ18型鋼鋼架，縱向間距為1．0 m/榀。

6)二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，仰拱厚度為70 cm，拱墻厚度為60 cm。

3．1．2 雙層襯砌試驗段DK359+742～+772(30 m)

1)預留變形量70 cm(實際施工中放大了20 cm)。

2)超前支護:拱部120°設φ42 mm注漿小導管，長3．5 m，環向間距40 cm，搭接長度不小于1 m。

3)拱墻設置φ42 mm小導管徑向注漿，長4 m，間距1．5 m ×1．5 m。

4)初期支護:全環設H175型鋼鋼架，間距0．5 m，全環噴C25混凝土，厚度為30 cm。采用R32N自進式錨桿鎖腳，每榀4處8根，長6 m。每榀拱架兩側邊墻大跨范圍內各增設3根R32N自進式錨桿，對拱架進行鎖固，長9 m。

5)第1層襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚50 cm。

6)第2層襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚30 cm，仰拱與第1層二次襯砌一起施作。

3．2 施工方案及監測結果

3．2．1 雙層初期支護試驗

采用三臺階預留核心土法施工，施工過程嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、弱爆破、快封閉、勤量測”的施工原則。如圖6所示，上、中、下臺階及仰拱開挖高度分別為 4．8，3．0，3．32，2．47 m，上、中、下臺階長度分別為5，6，9 m，仰拱一次開挖長度4～6 m，開挖循環進尺為0．5 m。

圖6 雙層支護試驗段三臺階預留核心土法開挖步序示意(單位:m)Fig．6 Excavation sequence of top heading and two-bench method in double-shell primary support experiment section(m)

第1層初期支護拱墻施工完成后，利用鋪掛防水板臺架在仰拱封閉前安裝第2層初期支護拱架，根據具體情況一次安裝3～4榀。

1)雙層支護試驗段最大拱頂下沉731．8 mm，最大拱腳水平收斂649．7 mm;平均拱頂下沉674．9 mm，最大拱腳水平收斂550．5 mm;最大下沉速率達34．5 mm/d，最大收斂速度達 30．6 mm/d。

各量測斷面拱頂下沉及拱腳水平收斂時間曲線如圖7和圖8所示。DK359+735斷面量測變形與施工步驟的關系曲線如圖9所示。

圖7 雙層支護試驗段拱頂下沉時間曲線Fig．7 Crown settlement Vs time in double-shell primary support experiment section

圖8 雙層支護試驗段拱腳水平收斂時間曲線Fig．8 Horizontal convergence at arch feet Vs time in double-shell primary support experiment section

圖9 DK359+735斷面量測變形與施工步驟的關系曲線Fig．9 Correlation between measured deformation and construction steps at DK359+735

2)上臺階開挖支護后，變形速率最大，最大拱頂下沉速率達34．5 mm/d，拱腳水平收斂速率達30．6 mm/d。中臺階和下臺階開挖后，拱頂下沉速率達30 mm/d，拱腳水平收斂速率達27 mm/d。在仰拱開挖前施作第2層初期支護后，變形得到有效控制，仰拱開挖前變形速率下降至2～4 mm/d。仰拱開挖支護后，變形速率基本保持在2～3 mm/d，直至鋪設防水板前變形速率下降至2 mm/d左右。

3)第1層初期支護與圍巖間的接觸壓力最大值為0．846 MPa，平均值為0．322 MPa;2層初期支護間接觸壓力最大值為0．750 MPa，平均值為0．171 MPa;二次襯砌與第2層初期支護間接觸壓力最大值為0．452 MPa，平均值為0．167 MPa。第2 層初期支護承擔了一部分圍巖荷載，減小了二次襯砌的受力。

4)第1層噴混凝土應力最大值為11．42 MPa，平均值為2．93 MPa;第1層鋼架應力最大值為73．79 MPa，平均值為44．51 MPa;第2層噴混凝土應力最大值為12．14 MPa，平均值為4．52 MPa;二次襯砌混凝土應力最大值為3．51 MPa，平均值為2．12 MPa;二次襯砌內側鋼筋應力最大值為55．75 MPa，平均值為35．34 MPa;二次襯砌外側鋼筋應力最大值為38．56 MPa，平均值為27．63 MPa。量測中，材料應力均未超過材料的容許應力，工作狀態良好。

5)施工時間:第1層初期支護施工時間2012年8月26日至12月7日，第2層初期支護施工時間2012年10月21日至12月7日，二次襯砌施工時間2012年12月8日至2013年1月16日，共計143 d。

3．2．2 雙層襯砌試驗

采用三臺階預留核心土法施工，施工過程嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、弱爆破、快封閉、勤量測”的施工原則。如圖10所示，上、中、下臺階及仰拱開挖高度分別為 4．8，3．0，3．38，2．39 m，上、中、下臺階長度分別為5，6，7 m，仰拱一次開挖長度4～6 m，開挖循環進尺為0．5 m。

圖10 雙層襯砌試驗段三臺階預留核心土法開挖步序示意(單位:m)Fig．10 Excavation sequence of top heading and two-bench method in double-shell secondary lining experiment section(m)

第1層襯砌在仰拱封閉后20～30 m內及時施作，不受初期變形穩定的限制。第2層襯砌在初期支護和第1層二次襯砌受力趨于穩定后施作。根據結構受力現場量測數據，在第1層二次襯砌施作1個月后基本趨于穩定，開始施作第2層二次襯砌。

1)雙層襯砌試驗段最大拱頂下沉832．2 mm，最大拱腳水平收斂884．5 mm;平均拱頂下沉754．9 mm，平均拱腳水平收斂804．5 mm;最大下沉速率達30．3 mm/d，最大收斂速度達 34．6 mm/d。

各量測斷面拱頂下沉及拱腳水平收斂時間曲線如圖11和圖12所示。DK359+765斷面量測變形與施工步驟的關系曲線如圖13所示。

圖11 雙層襯砌試驗段拱頂下沉時間曲線Fig．11 Crown settlement Vs time in double-shell secondary lining experiment section

圖12 雙層襯砌試驗段拱腳水平收斂時間曲線Fig．12 Horizontal convergence at arch feet Vs time in doubleshell secondary lining experiment section

圖13 DK359+765斷面量測變形與施工步驟的關系曲線Fig．13 Correlation between measured deformation and construction steps at DK359+765

2)上臺階開挖支護后，最大拱頂下沉速率達15．4 mm/d，拱腳水平收斂速率達16．4 mm/d。中臺階和下臺階開挖后，拱頂下沉速率達30．3 mm/d，拱腳水平收斂速率達34．6 mm/d，至仰拱開挖前變形速率下降至5 mm/d。后期至鋪設第1層二次襯砌防水板前下沉及收斂速率分別為2．3 mm/d和1．2 mm/d。

3)初期支護與圍巖間的接觸壓力最大值為0．867 MPa，平均值為0．301 MPa;第1層二次襯砌與初期支護間接觸壓力最大值為0．328 MPa，平均值為0．095 MPa;第2層二次襯砌間接觸壓力最大值為0．066 MPa，平均值為 0．033 MPa。

4)噴混凝土應力最大值為9．96 MPa，平均值為2．29 MPa;鋼架應力最大值為 63．61 MPa，平均值為28．79 MPa;第1層二次襯砌外側鋼筋應力最大值為94．98 MPa，平均值為30．96 MPa;第2層二次襯砌混凝土應力最大值為1．96 MPa，平均值為1．15 MPa;第2層二次襯砌內側鋼筋應力最大值為32．77 MPa，平均值為20．26 MPa。量測中，材料應力均未超過材料的容許應力，工作狀態良好。

5)施工時間:初期支護施工時間2012年10月30日至2013年1月3日，第1層二次襯砌施工時間2013年1月15日至3月10日，第2層二次襯砌施工時間2013年4月10日至20日，共計173 d。

4 雙層初期支護與雙層襯砌對比分析

見表1。

表1 雙層初期支護與雙層襯砌對照Table 1 Comparison and contast between double-shell primary support and double-shell secondary lining

從隧道支護結構變形情況、結構受力穩定性、施工工效等多方面綜合考慮，后續施工隧道支護及結構參數采用雙層初期支護結構。

5 結論與建議

通過雙層初期支護和雙層二次襯砌試驗研究對比，雙層初期支護變形相對較小，噴混凝土應力、鋼架應力、二次襯砌混凝土應力及二次襯砌鋼筋應力均未超過材料的容許值，工作狀態良好，且從施工便利性角度考慮，雙層初期支護不需要再增加襯砌臺車，同時可減少綁扎鋼筋的工序。后續施工采用了變形相對較小、結構受力穩定、施工工效較高的雙層支護參數后，隧道基本杜絕了拆換拱現象，未發現二次襯砌開裂。建議今后在施工過程中嚴格控制第2層初期支護的施作時機，仰拱開挖支護前及時施作第2層初期支護，及時彌補第1層初期支護剛度不足而造成的變形發展，避免第1層初期支護的開裂、扭曲和變形侵限。

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