成蘭鐵路松潘隧道軟弱圍巖變形控制施工技術

李 明 （中鐵二十五局集團第二工程有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

據統計，到2020年我國鐵路隧道總長將達2萬公里左右，位居世界第一。由于我國幅員遼闊，西北、西南地區軟弱破碎圍巖分布很廣。近年來淺埋、軟弱圍巖隧道塌方、變形的事故時有發生，造成較大的經濟損失和人員傷亡。據統計塌方事故占隧道事故的64%以上。因此，提高認識、加強管理，提高軟弱破碎圍巖隧道施工水平，對保證隧道施工安全、按期完工是十分必要。本文結合成蘭鐵路所涉及到的一些軟巖及炭質板巖隧道中出現的問題，提出軟弱圍巖隧道防塌方、防變形施工措施，為同類施工地質條件下的隧道提供借鑒。

2 工程概況

松潘隧道位于松潘至川主寺區間，為單洞雙線隧道，設計時速200km/h。進口里程D3K239+630，出口里程D3K247+678，全長8048m。線路設計為6‰～15‰單面上坡，軌面高程2837.433m～2922.473m。進口接路基工程，出口接右所屯1號雙線大橋，埋深50m～270m。共分進口工區、斜井工區、出口工區共三個工區組織施工。隧址位于岷江左岸，地處岷江活動斷裂南段右側150～700m，位于岷江斷裂的下盤（被動盤），地層巖性主要為三疊系（T3x）炭質板巖夾板巖、砂巖，地層單一，受岷江斷裂構造影響，小型褶曲發育,層間擠壓構造突出，巖體破碎，次生小斷層及柔皺較發育，層理產狀變化較快。受岷江斷裂構造影響，開挖揭示該段隧道巖性為板巖、炭質板巖互層，局部夾石英巖脈，巖質較軟，節理裂隙發育，多數巖層陡傾，且走向與線路方向基本一致，局部段落褶曲發育，拱頂有掉塊現象，含裂隙水，圍巖整體穩定性差。

3 松潘隧道軟巖大變形及破壞特征分析

①總變形量大。松潘隧道2012年12月21日開工，至今共發生變形侵限12次，拱腳累計最大變形726mm,如圖1所示。變形特征為：掌子面未擠出變形，隧底無隆起；變形較大點多位于靠山側拱腰部位；變形以水平收斂為主；中下臺階及仰拱施作時變形較大；地下水發育段變形大；仰拱施作后變形趨于穩定；措施加強后變形速率基本能受到控制。

圖1 松潘隧道變形數據

②前期圍巖變形速率較大，后期變形持續時間長（多發生在拱頂及靠山側邊墻位置），隧道開挖后即變形,變形速率較大、延續時間長，具有明顯的流變特征。選取D3K244+262試驗斷面圍巖位移時程曲線圖，如圖2所示。由圖2可知，D3K244+262斷面洞壁處左邊墻、拱頂處洞周位移較大，其它測點位置的洞周位移較小，左邊墻的最大位移為-22.7mm,發生在2014年12月21日，位移變化趨勢為先變大，后位移小幅度變化。拱頂的最大位移為-23.65mm，發生在2014年12月11日，位移變化趨勢為逐漸減小，后趨于穩定，其中左邊墻變形速率平均2.1cm/d。

③壓力增長快。圍巖壓力在很短的時間內，圍巖即與支護結構接觸產生較大的圍巖壓力。選取D3K244+262試驗斷面圍巖壓力時程曲線圖，如圖3所示。由圖可知，該斷面右邊墻圍巖壓力的最大值為0.572MPa，拱頂圍巖壓力出現了先增大后減小，最終又持續增大的情況。右邊墻在12月21日左右的時候出現了突變，之后基本呈線性變化，其他測點的圍巖壓力變化速度減小，圍巖壓力繼續加大，未收斂。

④變形破壞形式多樣。變形破壞形式一般表現為噴射混凝土嚴重開裂、初期支護變形侵限、鋼架變形扭曲、拱頂掉塊坍塌等，如圖4所示。

圖2 D3K244+262試驗斷面圍巖位移時程曲線

圖3 D3K244+262試驗斷面圍巖壓力時程曲線圖

圖4 初支變形情況

4 松潘隧道變形控制施工技術

本工程在總結多次侵限、換拱教訓的基礎上，從“保護圍巖、加固圍巖、提高圍巖自承能力”出發，通過“長錨桿及后注漿為主的變形主動控制體系”，控制了圍巖塑性區的發展。施工階段按照“主動控制”變形的理念，“加深地質、強化錨桿、工法配套、優化工藝”，充分體現“快”字，即快挖、快支、快錨、快封閉。

①開挖方法的選擇。三臺階預留核心土增設臨時仰拱施工工法開挖，增加炮孔數，減少爆破對圍巖擾動。采用短進尺、多循環的作業方式；仰供及時封閉成環、襯砌緊跟，上臺階長度宜為5～7m，仰拱距下臺階不超過20m，二襯離掌子面距離控制在40～60m以內。

②強化錨桿施工。大變形段應強調錨桿施工效率及錨固力發揮的及時性，實現主動加固圍巖，限制塑性區擴展。關鍵工序為兩步：a.合理選擇錨桿類型。因該隧道圍巖自穩性較差，極破碎，錨桿鉆進時易塌孔，經現場調試采用長自進式錨桿，變形得到有效控制；b.長短結合，先短后長。變形發展迅速的嚴重變形段，先利用短錨桿（≤4m）施作便捷快速的特點，用于初期變形控制，為長錨桿創造施作時間。同時長短交錯結合形成群錨效應。長錨桿施工應配備合理機械設備，例如鑿巖臺車或專業錨桿機，8m長錨桿施作時間應控制在20min以內。本隧道施工中原設計采用普通錨桿和自進式錨桿效果對比圖如圖5所示。

圖5 本隧道施工中原設計采用普通錨桿和自進式錨桿效果對比

③強化鋼架施工。施工期間，發現H175型鋼施工段變形均明顯小于I20b型鋼鋼架施做段，說明H175型鋼鋼架在抑制變形方面具備優勢。同時，鋼架施工時，應重點加強各單元之間的連接，鋼架接頭上下部位采用型鋼等連接方式。

④優化超前支護，施作范圍擴展至邊墻。

⑤注漿加固圍巖。在變形至10cm以上時，適時對圍巖進行補強注漿，填充初支背后空隙，加固破壞圍巖。采用初支預留注漿孔或后設徑向鉆孔進行,鉆孔深度5m。

⑥其他：單層φ8鋼筋網及噴射C30混凝土厚30cm；調整預留變形量由設計10～5cm變為40cm。變形段圍巖量測數據最大拱頂累計大于設計值，凈空收斂最大累計量為16cm，即提前采用加長錨桿及徑向注漿加固。如變形不收斂，采取反壓土停止掘進。

5 結論和建議

隧道是由圍巖和支護結構共同承受荷載的結構體，特別是軟巖隧道由于圍巖不穩定造成其設計和施工更具有特殊性，其施工技術仍處于不斷深化認識和工程實踐階段。成蘭鐵路松潘隧道遵循“保護圍巖、巖變我變，支護寧強勿弱，二襯及早跟進”的原則，充分調動圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形和松弛，取得了良好的施工效果，可為我國同類工程施工提供借鑒與參考。