大跨度雙線鐵路隧道施工及變形控制技術研究

馬占凱

摘要： 隨著我國交通事業的發展，越來越多的鐵路隧道工程得到了建設。在本文中，將以某工程實例對大跨度雙線鐵路隧道施工及變形控制技術進行一定的研究。

Abstract： With the traffic development in China， more and more railway tunnel engineerings have been constructed. This paper stuies the tunnel construction and deformation control technology of the long-span double-track railway by taking a project as the example.

關鍵詞： 大跨度雙線鐵路；隧道施工技術；變形控制技術

Key words： long-span double-track railway；tunnel construction technology；deformation control technology

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0117-04

0 引言

在山區隧道工程施工中，隧道穿越軟弱圍巖時，初期支護常常出現大變形問題，如果再遇到地下水等不良地質條件時，大跨度隧道圍巖變形更為嚴重。國內多條隧道如關角隧道、烏鞘嶺隧道等，均出現過嚴重的變形。本文研究的山西中南部鐵路通道暖泉會隧道穿越了軟弱泥砂巖層，同時還存在隧道淺埋、拱頂粗圓粒土和豐富的地下水等不良地質條件，遇到了初期支護嚴重變形的問題，施工難度很大。因此，如何控制軟巖變形，確保安全快速施工，是隧道施工階段亟待解決的技術問題。

本文提出運用科學的圍巖量測手段和采取有針對性的工程措施來控制圍巖變形，大大提高了施工期間的圍巖穩定性，為快速施工創造了基礎條件，取得了良好的施工效果。

1 雙線鐵路隧道施工特點、圍巖變形的成因及危害

1.1 雙線鐵路隧道施工特點

鐵路隧道是修建在地下或水下并鋪設軌道供機車車輛通行的建筑物。根據其所在位置可分為山嶺隧道、水下隧道和城市隧道三大類，其中山嶺隧道是修建最多的隧道類型。綜合來看，鐵路隧道施工特點有三：

1.1.1 快速施工難度大

鐵路隧道施工的作業空間有限，處于一個相對封閉的空間內，在有限的空間內進行掘進開挖、裝車出碴、立架噴砼、仰拱及二襯砼等各道工序穿插施工，工序之間相互影響，緊前緊后工序相互制約，快速施工難度很大。

1.1.2 作業環境不佳

隧道處于一個相對封閉的狹小地下空間內，受掌子面爆破開挖和機械設備作業等影響，洞內粉塵較大；在爆破后，掌子面拱頂常有掉塊現象，施工人員存在一定的安全風險；如地下水豐富時，常會出現涌水和突泥等現象，作業條件十分惡劣。

1.1.3 隧道地質條件差

隧道屬于地下結構，當隧道路段中存在斷層、地下水、軟弱圍巖等不良地質條件時，施工時很可能發生大變形，如不及時得到控制，將會對現場人員的生命安全和施工設備造成嚴重的安全威脅，施工企業也會因此蒙受重大的經濟損失。

1.2 隧圍巖變形的成因及危害

1.2.1 成因

根據變形成因，通常可將變形圍巖分為受圍巖巖性控制、受圍巖結構構造控制和受人工采掘擾動影響三個主要的類型。在隧道施工中，圍巖變形往往是多個因素共同作用的結果，比如水文地質條件的變化、支護結構不合理、支護設備使用不當、施工工藝或技術措施不恰當、現場管理松懈等等。

1.2.2 危害

如果圍巖變形得不到及時控制，變形較小則導致拱頂掉塊、初支侵限，需要更換初支鋼拱架，變形較大可導致隧道塌方、冒頂或地表下沉等問題，會對現場施工人員的生命安全造成嚴重的威脅，施工方也將因返工而蒙受巨大的經濟損失。

2 雙線鐵路隧道施工工藝及圍巖量測

2.1 工程概況

我國山西中南部鐵路通道暖泉會隧道起訖里程改DK53+480～改DK55+923.68，全長2443.68m，為雙線鐵路隧道。隧道洞身拱頂為粗圓粒土，富含地下水，中下導坑穿過地層主要為水平薄層狀灰色泥質砂巖，夾薄層紫紅色泥巖，節理裂隙發育，地下水豐富；洞身穿越多處地表沖溝，有多處淺埋地段，Ⅴ級圍巖地段占隧道總長的81%。本隧道線間距5m，隧道開挖跨度最大為15.27m，屬于大跨度雙線鐵路隧道。

本隧道設計為復合式襯砌結構，V級圍巖初期支護為？準8鋼筋網、100cm間距的20a工字鋼架、25cm厚C20噴射混凝土噴錨結構， 45cm厚的C35鋼筋二襯砼。

2.2 施工工藝及施工方法

2.2.1 工藝流程

根據圖1所示隧道斷面結構，本工程擬用正臺階法進行隧道施工，工藝流程如圖2所示。

2.2.2 施工方法

①超前支護。

本隧道V級圍巖采用3.5m長的？準42小導管作為超前支護措施，環向間距40cm。為了利于導管入孔順利，將小導管的前端位置做成尖錐狀，每隔15cm在管壁位置進行鉆眼，眼孔直徑控制在8mm。使用YT28手風鉆鉆孔，鉆孔直徑？準45mm，沿著開挖輪廓線設6-10°的仰角，鉆孔完成后將事先加工好的導管打入孔中，并及時向導管內進行注漿，保證導管與巖體間縫隙填塞密實。

②洞身掘進及初期支護。根據隧道斷面結構特點，我們采用臺階法進行施工，首先開挖上部導坑，再開挖下半斷面，最后進行仰拱混凝土及二次襯砌，每次開挖完成后及時施作初期支護；下半斷面施工完成一定長度后施做仰拱；最后施工二襯和附屬工程。

上臺階采用支架式風鉆鉆孔，Ⅴ級圍巖采用微震動控制爆破工藝開挖。下臺階風鉆鉆孔，人工裝藥，非電毫秒雷管微差控制爆破，上臺階開挖爆破施工完畢后，初噴混凝土封閉圍巖。待混凝土初凝后，按設計的支護參數施作砂漿錨桿。錨桿安裝完畢，在錨桿外端掛設鋼筋網片或工字鋼架，復噴混凝土達到設計厚度。開挖爆破后，采用挖掘機配合裝載機裝碴，自卸汽車運輸。

③拱墻二次襯砌。

隧道襯砌采用12m長整體式液壓襯砌臺車，一次施工長度12m，采用混凝土輸送泵泵送作業，由下向上，對稱分層，先墻后拱灌筑，入模傾落自由高度不超過2.0m，通過插入式振搗器以及附著式振搗器進行聯合振搗。

2.3 隧道圍巖量測方法

結合隧道臺階法開挖施工工法特點，本工程圍巖變形量測選擇拱頂下沉、洞內收斂、地表沉降、洞內外觀察、圍巖壓力、初支噴砼應力、二次應力等指標，對隧道圍巖變形進行全面監測，本文主要介紹拱頂下沉、洞內收斂、圍巖壓力的監測方法。

2.3.1 拱頂下沉

拱頂下沉量測是通過監測隧道拱頂的下沉值，了解隧道斷面變化情況，判斷拱頂圍巖是否穩定的一種量測手段。拱頂下沉測點設于拱頂軸線上，開挖后，在拱頂圍巖內壁鉆孔并預埋觀測標。觀測標采用直徑20mm螺紋鋼筋，具體長度根據噴射混凝土厚度+基巖打眼深度+外露長度確定，一般錨固深度20cm，外露長度不宜大于3cm。外露端粘貼反射膜片。在噴射混凝土時將反射膜片保護好，防止污損其反射膜表面。測點縱向間距Ⅴ級圍巖為5m，Ⅳ級圍巖為10m，采用水準儀倒尺或全站儀反射片測量。測點埋設時間為爆破完成后及時進行，量測頻見表1，初始讀書最晚必須在下一循環開挖前完成。

2.3.2 洞內收斂

洞內收斂是通過量測洞內兩點之間的距離變化來判定隧道圍巖的穩定性。洞內收斂量測在中臺階和下臺階各設2個測點，與拱頂下沉測點聯合設置6條測線，2條水平側線和4條斜側線，見圖3，采用收斂儀或全站儀反射片測量。洞內收斂與拱頂下沉測點應設于同一斷面，測點應盡量對稱布置，以便于整個量測形成信息體系，相互印證。洞內收斂的量測頻率與拱頂下沉相同，見表1。

2.3.3 圍巖壓力量測

圍巖壓力量測是監測地層與初期支護之間的接觸壓力，采用振弦式雙膜壓力盒配合頻率接收儀的二次儀表監測。隧道開挖后，先掛細鐵絲網用水泥砂漿抹平，用水泥釘固定壓力盒，再分次噴混凝土至設計厚度，保證壓力盒的表面法線方向與圍巖壓力方向一致。在埋設之前測試一次頻率讀數，埋設后，再測讀一次傳感器頻率。

2.4 監控量測控制標準的判定

2.4.1 根據位移變化速度判定

拱頂下沉、凈空變化速度持續達5mm/d或累計達100mm時，圍巖處于急劇變形狀態，應停止掘進，并及時分析原因，采取處理措施。

水平收斂（拱腳附近）速度小于0.2mm/d時，拱部下沉速度小于0.15mm/d，圍巖基本達到穩定。

在淺埋地段以及膨脹性、擠壓性圍巖等情況下，應采用其它指標判別。

2.4.2 根據位移時態曲線的形態來判別

將量測數據進行處理和分析，目前，國內主要選用以下三種非線性曲線函數中精度最高者進行回歸分析，觀測數據不宜少于25個。

對數函數 u=A+B/Lg（1+t）

指數函數 u=Ae-B/T

雙曲函數 u=t/（A+Bt）

u：變化值（mm）；A、B：回歸系數； t：監測時間（d）。

回歸結果表明：對數函數用于初期支護變形可取得較高的回歸精度；初支基本穩定后因對數函數為發散型函數，與實測值有較大偏差，而此時采用指數函數可獲得較滿意的結果；而雙曲函數則可預計最終位移值U∞=1/B。一般情況會出現如下兩種時間——位移特征曲線，見圖4所示。

圖4中，（a）圖表示絕對位移值逐漸減小，支護結構趨于穩定，可施立模筑砼襯砌；（b）圖表示位移變化異常，反彎點噴錨支護出現嚴重變形，這時應及時通知施工管理人員，該段支護須采取加強措施，確保隧道不坍方；嚴重時施工人員須迅速撤離施工現場，保證施工人員安全。

2.5 量測成果分析與信息反饋

現場量測數據中存在偶然誤差，具有一定的離散性，量測數據在時間散點圖上會上下波動，難于找出規律。故每次量測后應立即對量測數據進行校核和整理，包括原始數據的記錄、檢驗和觀測物理量的換算以及填表、繪圖、誤差處理、曲線回歸分析、量測結果分析和異常值判別等日常工作。量測結果分析采用散點圖（時態曲線）和回歸分析法，根據監控量測判別標準，依據時態曲線的形態，結合圍巖穩定性、支護結構的工件狀態、對周圍環境的安全性進行綜合評價，如有異常應及時補測。位移-時間曲線最能直接明確的反映圍巖和支護受力狀態隨時間的變化情況。量測數據分析應包括以下主要內容：

①根據量測值繪制時態曲線。②選擇回歸曲線，預測最終值，并與控制基準進行比較。③對支護及圍巖狀態、工法、工序進行評價。④及時反饋評價結論，并提出相應工程對策建議。⑤監控量測數據分析利用計算機進行，可采用指數模型、對數模型、雙曲線模型、分段函數、經驗公式等其中最合適的一種形式進行計算分析，并預測最終值。實測數據在正常預測曲線附近分部時則說明隧道圍巖變形正常，當實測數據曲線出現反彎點或每天的相對凈空變化超過1mm時，則說明圍巖變形出現異常性速率開始變大，應加強觀測，并通知現場施工密切注意支護結構的變化，同時需采取加強支護措施，必要時暫停開挖。分析如圖5、圖6。

3 圍巖變形控制措施

通過對各個圍巖量測指標的觀測和分析，綜合判斷圍巖的穩定性，建立信息反饋機制。有針對性的采取各種工程措施和組織措施，在施工中動態控制圍巖變形，從而糾正各個監控量測指標，使其處于安全范圍內，最終保證隧道結構安全和施工人員、機械設備的安全。

①徑向注漿，加固圍巖。

從提高圍巖力學性能著手，主動加固圍巖，采取注漿加固圍巖，使之承受一部分荷載，提高圍巖的自穩能力，減少圍巖松弛變形。

②加長加密錨桿，增設鎖腳錨管。

加長加密錨桿，增設拱腳鋼架的鎖腳錨管，使鋼架承受的荷載通過錨桿和鎖腳錨管傳入基巖深部，從而增大初期支護的承載能力，防止拱腳下沉和內移，保證圍巖的穩定，控制圍巖變形。

③采取適宜的開挖工法。

對不同圍巖，可采取短臺階法、帶臨時仰拱的臺階法和雙側壁導坑法等開挖方法。開挖時，支護要及時，縮短支護閉合成環時間。防止初支整體下沉，水平收斂增大，引起過大變形，導致拱部巖層坍塌。增設臨時仰拱，使其上半斷面先成環，保證上半斷面的相對穩定。

④加大預留變形量，調整一次開挖進尺。

預留足夠的變形量，使初期支護發生一定的變形，通過適量的柔性變形消耗圍巖中儲存的能量，并防止斷面侵限；同時縮減一次開挖進尺，加密拱架間距，加強支護。

⑤加快仰拱及填充施工進度，快速成環。

加快仰拱施工進度，縮減仰拱至掌子面的距離，使其開挖段的初支盡可能多的封閉成環，成環后，受力結構合理，對控制圍巖變形效果顯著。

⑥加強施工組織管理，規范作業。

嚴格控制作業標準，規范作業，杜絕各種違章施工，減少施工缺陷對圍巖變形的影響；控制爆破裝藥量，減小對軟弱圍巖的擾動。

總之，控制圍巖變形主要是從加固圍巖本身、加強支護措施、選擇適合的開挖工法和加強施工組織等幾方面進行，各個方面相輔相成，往往是各種措施共同作用效果更佳。

4 變形控制效果

根據圍巖變形量測反饋信息，有針對性的采取工程措施和組織措施后，及時有效的控制了圍巖變形。在暖泉會隧道的施工中未出現不可控的大變形、未出現塌方、冒頂等安全事件，并按期快速完成了施工任務，保證了工程質量和施工工期。

5 結論

本文我們對大跨度雙線鐵路隧道施工及變形控制技術進行了一定的研究，總結出一些控制大變形的技術手段和工程措施，希望今后在類似的工程實踐中，能起到一定的借鑒和參考作用。

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