天生橋隧道古溶蝕洼地段初支大變形控制技術

李雪林

(中鐵三局集團西南工程有限公司， 成都 610083)

天生橋隧道古溶蝕洼地段初支大變形控制技術

李雪林

(中鐵三局集團西南工程有限公司， 成都 610083)

滬昆客運專線天生橋隧道通過古溶蝕洼地段，圍巖具有中等～強膨脹性，遇水后發生軟化，導致上臺階初期支護產生49 m長、最大4.2 m的沉降量。通過采用在未變形段加強初期支護強度、增加臨時支撐,以及在大變形產生段施工中采用上臺階回填、超前帷幕注漿、初期支護及二次襯砌加強、拱墻徑向注漿、拱腳部位鎖腳錨管加強、上臺階設置φ32縱向槽鋼梁、基底鋼管樁注漿加固等綜合技術，成功控制圍巖變形，順利通過大變形段，對同類地質條件工程具有重要參考價值。

初期支護大變形； 徑向注漿； 帷幕注漿； 鋼管樁

軟弱圍巖隧道開挖過程中易發生大變形等情況，尤其膨脹性圍巖遇水后更容易產生大變形。關于大變形隧道理論研究、支護理論、施工技術的研究一直屬于該領域的熱點和難點問題。關于軟巖隧道大變形產生機理和理論分析，孫鈞[1]等人提出了高地應力條件下隧道軟弱圍巖發生擠壓大變形的復雜力學行為，歸屬為變形速率快而收斂速率慢的非線性流變變形。何滿潮[2]等人對小變形力學數值方法分析軟巖工程大變形問題的合理性問題進行了研究。在軟巖大變形隧道的支護理論研究方面，申鵬[3]等人提出了一種環狀間隔式襯砌與主動性卸載相結合的永久性支護理念。司賢超[4]認為前人提出的“先柔后剛、先放后抗”的處理原則和理論不適應軟巖大變形隧道的控制。在軟巖大變形隧道的支護設計和施工中，侯超[5]提出了采用調整隧道邊墻曲率，預留變形量、加長中空錨桿、加長系統錨桿、加強單層初期支護的方案等措施，確保施工安全。朱安龍[6]等人提出支護初期維持原支護體系原有支護剛度，在充分發揮支護體支護力的前提下實現大變形讓壓，以釋放圍巖壓力，提高支護效果，控制圍巖及初期支護變形量的觀點。在現場施工過程中，針對大變形隧道初期支護的施工控制也采取了諸如超強鋼支撐加強支護、注漿加固、擴挖換拱[7-8]等措施。本文結合天生橋軟巖膨脹性圍巖在開挖過程中出現的長距離大變形(最大值4.2 m)、重復大變形等問題，從大變形產生原因機理、變形控制措施、安全施工等方面進行闡述。目前，關于如此大變形隧道初期支護的控制技術應用等方面的研究也鮮有報道。

1 工程概況

滬昆客運專線云南段天生橋隧道某段埋深約85 m，巖性為玄武巖，拱墻范圍為全風化層，仰拱位于弱風化層，屬于V級圍巖。坡面覆蓋第四系全新統坡殘積(Q4dl+el)膨脹土。該段為古溶蝕洼地，原始地貌覆蓋有一些古沖、洪積的沉積物，為一富水的負地形，既有原來古洼地的沉積風化物和巖漿噴發的火山灰形成的凝灰巖的風化物，也有玄武巖本身風化成土狀和角礫狀的成分復雜，整體性差。同時該段地表相對為一負地形，有利于降雨下滲，導致該段富水，地下水類型主要為第四系松散土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水。坡面坡殘積土層、第四系松散土層孔隙水量較豐富。巖體發育的裂隙貫通性好，裂隙水發育。洞身巖溶發育，巖體多破碎，溶洞、溶槽、溶蝕破碎帶發育，富水巖體比重含量大，巖溶水極發育。復雜的圍巖成分與地下水的軟化作用，導致該段塌方和突泥風險較高。

2 初期支護變形產生和發展過程

2.1 首次大變形發生過程描述及變形情況

在D1K 1135+938～939安裝上臺階拱架過程中(掌子面里程D1K 1135+939.2)，拱頂不斷有土向洞內溜坍。4小時后，D1K 1135+890處裂縫明顯變大(長約為3.5 m，寬度約2 cm)，并能清晰的看到D1K 1135+890處初支混凝土在剝落，同時能聽到掌子面土體滑塌的聲音。掌子面拱架安裝完1 d后，監控量測結果顯示：上臺階D1K 1135+890～+939臺階面出現隆起，隆起高度1.5 m，D1K 1135+904～+939段初期支護下沉，5 d后最大下沉量達到4.2 m。隧道下沉如圖1所示。

圖1 隧道下沉示意圖

2.2 二次大變形發生過程描述及變形情況

初期大變形產生后，通過進行地質補勘和初步原因分析后，對大變形段采取環向兩榀鋼架中間施作套拱、槽鋼墊板縱向貫通連接鋼架、施工鎖腳錨管。隧道內鉆孔地質柱狀圖如圖2所示。

圖2 隧道內鉆孔地質柱狀圖

套拱加固完成后，上臺階施工臨時仰拱并進行臨時斜撐加固，隔榀支撐，并輔以徑向注漿和拱部設置大管棚超前支護、超前小導管注漿后變形區域穩定后進行換拱施工，隧道內臨時支撐設計如圖3所示。

圖3 臨時支撐設計圖

隧道換拱結束后，繼續向前開挖，對洞內的剩余監控量測點進行沉降觀測，變形情況如下：D1K 1135+935(下沉24.2 cm)、+930(下沉14.7 cm)、+925(下沉6.1 cm)、+920(下沉0.6 cm)。

2.3 大變形的發生發展主要特點

隧道初期支護大變形發展的主要特點：

(1)變形的速率快：初期支護從產生變形到達到最大值4.2 m的時間為5 d。

(2)波及范圍廣：變形最大值至初期支護發生裂縫的距離達到49 m長，變形波及范圍廣。

(3)呈現多次重復發生的特點：首次發生大變形后，通過采取多種組合措施后，變形呈現趨穩狀態，待重新進行開挖后，隧道初期支護即產生二次大變形，呈現反復發生大變形的特點，但第二次的變形量較第一次明顯變小。

3 大變形產生的主要原因分析

3.1 膨脹性圍巖因素

根據地質補勘和超前鉆探揭示，該段為玄武巖與灰巖接觸帶，施工擾動層土體呈軟塑～流塑狀，該段地層自由膨脹率82%～153%，為中等～強膨脹土。膨脹巖脹縮特性的實質是由于膨脹巖吸水和失水作用而發生的體積變化。

3.2 古溶蝕洼地不良地質因素

地勘資料顯示隧道初支大變形段位于古溶蝕洼地揭示范圍內。古溶蝕洼地原始地貌覆蓋物主要為古沖、洪積的沉積物，且地表相對為一負地形，有利于降水富集，巖漿巖在高溫蝕變和后期地下水軟化的共同作用下，圍巖的完整性、自身支護強度被顯著弱化，隧道發生塌方和突泥風險較高。

3.3 水的影響作用

膨脹性巖中的大量膨脹礦物在圍巖的破壞區吸收自由水引起膨脹壓力，對支護結構產生附加的膨脹性地壓，特別是在斷層及裂隙發育帶，膨脹壓力更為嚴重，巖石表層在開挖幾天后即黏土化，喪失大部分強度。

3.4 軟巖大變形隧道的支護強度

隧道開挖過程中，由于地應力、膨脹壓力等影響，導致初期支護受力過大，已不足抵抗外部荷載，初期支護的承載力不足導致鋼架和支護下沉變形，是產生軟巖大變形的主要原因之一。

4 變形控制施工技術

4.1 變形段處理技術

(1)下臺階已開挖段采用φ200鋼管對拱頂進行豎向支撐，上臺階段初期支護設置臨時仰拱及φ200豎向支撐，臨時仰拱及豎向支撐縱向間距1 m。

(2)拱墻范圍進行徑向注漿，以改良拱墻范圍內土體。

(3)對變形、侵限鋼架進行逐榀拆換，每次拆換不超過兩榀。

(4)初期支護采用全環I25a型鋼鋼架支護，縱向間距0.5 m，拱墻初支預留80 cm變形量，第二層補強鋼架根據監控量測適時確定。

(5)鋼架每臺階接頭處采用4根φ76注漿錨管加強鎖腳，長度6 m。

(6)上臺階拱腳位置設置縱向槽鋼，槽鋼長1 m，滿足兩榀鋼架架設條件，每個接頭兩側槽鋼底部各設置1根φ76注漿錨管，槽鋼與管身之間設置木墊塊，確保槽鋼平整。

4.2 基底處理

隧底承載力不滿足要求時，采用鋼管樁注漿加固。加固深度為進入弱風化灰巖0.5 m，仰拱基底范圍孔口管按1 m間距交錯布置，邊墻基底范圍按0.6 m交錯布置，鋼管樁注漿加固施工情況如圖4所示。

圖4 鋼管樁注漿加固示意圖

4.3 超前加固

(1)采用洞碴回填上臺階至掌子面段落。

(2)于D1K 1135+933～+937段設置止漿墻，墻身采用C20模筑混凝土，止漿墻內預埋φ133孔口管。

(3)采用超前預注漿對D1K 1135+937～+962段巖體進行超前帷幕注漿加固。注漿加固長度25 m，開挖20 m，預留5 m止漿巖盤。注漿擴散半徑2.0 m，孔底間距3.0 m，每循環設置7環注漿孔，共129孔。

4)注漿參數：鉆孔孔徑φ108 mm，注漿終壓不小于8 MPa，注漿材料為硫鋁酸鹽水泥，水灰比0.8～1∶1。

(5)鉆孔和注漿順序由外向內，同一圈孔間隔施工，采用后退式注漿。

(6)注漿量：根據地層圍巖孔隙率37%～55%，單孔每米設計注漿量4.5～7.0 m3，超前帷幕注漿孔位布置如圖5所示。

圖5 超前帷幕注漿孔位布置圖(cm)

4.4 襯砌加強

該段采用特殊設計襯砌，拱墻厚60 cm，仰拱厚度65 cm，襯砌環向主筋型號為HRB400，仰拱主筋為3根一束，由5束/1 m調整為6束/1 m，拱墻襯砌主筋采用雙排鋼筋，由10根/1 m調整為12根/1 m。

5 效果分析

通過采用上述措施后，隧道初期支護變形得到有效控制，監測結果表明，沉降變形值及變形速率滿足控制要求。

6 結束語

本文通過對軟巖大變形段隧道產生大變形原因分析、變形控制措施等的研究和試驗，得到如下結論：

(1)膨脹性圍巖遇水膨脹作用及圍巖承載力不足，是初期支護產生大變形的主要影響因素。

(2)通過上臺階回填后超前帷幕注漿，輔以初期支護及二次襯砌加強、徑向局部補注漿、加強拱腳部位鎖腳錨管、上臺階設置縱向槽鋼梁、基底鋼管樁注漿加固等綜合措施，可改善隧道初期支護大變形段支護體系的受力性能，改善支護效果，確保施工安全。

(3)在隧道大變形段施工中，加強初期支護，提高基底承載力，在控制軟巖大變形方面是有效的。

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(編輯：蘇玲梅 張紅英)

Technology for Large Deformation Control of Primary Support of Tianshengqiao Tunnel in the Ancient Karst Depression Section

LI Xuelin

(Southwest Engineering Co.,Ltd of China Railway No.3 Engineering Group Chengdu 610083, China)

The surrounding rock of ancient karst depression section where Tianshenqiao tunnel passes through on Shanghai-Kunming Passenger Dedicated Line is of medium to strong expansibility and is softened when the water infiltrates into the rock, which leads to settlement with a length of 49 m and a depth of 4.2 m in the primary support of upper bench. In the section without deformation, the primary support has been strengthened and temporary support has been increased. In the large deformation section, such comprehensive construction technologies have been used as upper bench backfill, advanced curtain grouting, strengthening of primary support and secondary lining, radial grouting in the arch wall, strengthening of locking anchor pipes at the arch foot, setting of φ32 mm longitudinal steel channel beams at the upper bench and grouting strengthening of pipe pile at the bottom of the tunnel. The above measures have effectively controlled the deformation of surrounding rock and ensured the construction of the tunnel is successful in the large deformation section, which can provide important reference for projects under the similar geological conditions.

large deformation of primary support; radial grouting; curtain grouting; steel pipe pile

2016-05-27

李雪林(1973-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)06—0052—04

U452.2

A