富水破碎巖層隧道變形原因及控制措施研究

魏紅濤

x摘要：在隧道圍巖破碎且富水的情況下，隧道施工存在順層滑塌、塌方、支護變形侵限等諸多難點。由中鐵十五局集團承擔施工任務的玉磨鐵路曼勒一號隧道存在上述施工難題，為了減少隧道施工中的塌方次數、抑制支護變形，在施工中采用了泄水引排、超前支護、控制施工等控制措施。通過對監控量測數據的分析，檢驗上述施工措施的有效性。實踐證明，上述施工措施在提高圍巖富水且破碎帶的施工效率上是有效的。

Abstract： Under the condition that the surrounding rock of tunnel is broken and water is abundant， there are many difficulties in tunnel construction， such as bedding collapse， collapse， deformation and invasion of support. In order to reduce the times of tunnel collapse and restrain the deformation of support， the control measures such as drainage and drainage， advanced support and construction control are adopted. Through the analysis of the monitoring data， the effectiveness of the above construction measures is tested. Practice has proved that the above construction measures are effective in improving the construction efficiency of water-rich and broken zone in surrounding rock.

關鍵詞：富水破碎帶;變形控制;推進式施工;落底施工

Key words： water-rich fracture zone;deformation control;propulsive construction;bottom drop construction

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）16-0096-03

1? 工程概況

曼勒一號隧道位于滇南地區勐臘縣境內勐遠～曼勒區間，全長8280m，最大埋深600m。地層巖性主要砂巖夾泥巖、頁巖，圍巖中厚～厚層狀，受區域地質構造影響，巖體結構面發育，結構面間結合程度差，此外，圍巖局部存在軟弱夾層，故巖體整體破碎;另一方面，地下水類型為基巖裂隙水且發育，開挖后，拱部地下水呈淋雨狀，掌子面及后方初支處多處可見地下水呈線狀，受地下水發育的影響，前述圍巖遇水易軟化、易崩解。該段原設計為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，現階段施工中，已多次出現順層滑塌、塌方，支護變形等施工難題。

2? 富水破碎圍巖隧道的工程現狀

在地層巖性及地下水共同影響下，曼勒一號隧道掌子面開挖后圍巖自穩時間短，甚至開挖后根本無法自穩;受巖層產狀等因素共同影響，地下水主要賦存形成為基巖裂隙水，掌子面開挖后，地下水不是集中流出，而是以分散水的形式從裂隙中流出，施工時若施工方法不當或支護不強，圍巖和支護結構極易發生變形，如掌子面溜塌、側壁開挖施工中局部掉塊抑或塌方事故（見圖1掌子面溜塌、富水， 見圖2初期支護開裂、變形）。

根據現階段，富水破碎圍巖施工現狀，該段發生溜塌或大變形的段落，發生在掌子面位置或掌子面后方15～30m處。具體表現形式如下：

2.1 變形數值大，變形速率快

掌子面開挖后，拱頂沉降和水平位移的變化率較大，水平收斂量是拱頂下沉量的三倍左右，隧道擠壓性顯著。圍巖30d周邊累計收斂473mm，最大變形率46mm/d，致使初期支護侵限（見圖3拱頂沉降速率、拱頂累計沉降量變化曲線，見圖4水平收斂速率變化曲線）。

2.2 變形不均勻、造成局部侵限

由于兩側邊墻為圍巖產狀不同，導致兩側初支受力不均勻，在同一斷面上，水平收斂明顯大于拱頂下沉，B、C單元部分鋼架侵入二次襯砌。

3? 變形原因

3.1 地質因素

首先，開挖揭示該段圍巖巖性為砂巖夾泥巖、頁巖，弱風化帶（W2），局部夾軟弱層，該套巖層在遇水并風化的條件下，巖體快速軟化崩解[1]，故巖體開挖后自穩時間短或無法自穩;其次，巖層層理不清晰，巖體破碎，結構面較發育，層間結合程度差;然后地下水發育，拱頂可見淋雨狀滲水，掌子面及后方初支多處可見地下水呈線狀、淋雨狀流出，故變形數值大，變形速率快。再次，圍巖產狀與隧道軸線結合方式不相同的情況下，圍巖對隧道支護結構的載荷程度不同[2]，本隧道在該里程上，圍巖產狀變化頻繁，隧道左右兩側邊墻支護結構對不同產狀圍巖的的受力程度不同或相同產狀圍巖因支護結構所在位置的不同，因此，不同里程上，隧道左右兩側收斂變形速率及總變形量均有差別[3]。

3.2 勘察設計缺陷

曼勒一號隧道目前開挖揭示的巖層，圍巖破碎且富水，但原設計為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，實際圍巖級別為Ⅴ級，故施工中采用的原設計支護結構不足以抵抗圍巖變形，致使初支結構多處侵限。

3.3 施工因素

①開挖支護封閉不及時，為富水破碎巖繼續風化提供空間和時間條件。不能以環狀結構體系參與受力，未充分發揮環狀支護結構的承載能力。

②作業人員對隧道圍巖條件的變化情況及復雜性認識不足，支護措施不到位或針對性不強。這當中有勘測設計不全面的問題，也有施工方面的原因，出現問題如能果斷有針對性采取應變加強措施，也可防止事故或減小損失。

4? 施工控制措施

針對曼勒一號隧道地層巖性及地下水發育狀況，為了減少隧道施工中的塌方次數、抑制支護變形等，中鐵十五局集團玉磨鐵路項目部組織人員詳細研判了地層巖性、分析了監控量測數據，并試驗了多種支護措施，以抑制支護結構及圍巖變形。

4.1 施工總體思路

針對該段富水破碎圍巖的特性，隧道施工中須遵循“早預報、管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤測量”的施工原則[4]，故在該段富水破碎圍巖施工中，制定了“泄水引排，超前支護，控制進尺”等措施。

4.2 富水破碎圍巖變形控制技術

富水破碎圍巖施工的核心技術就是在保證開挖施工的同時，控制圍巖或支護變形及坍塌。具體控制措施：

4.2.1 超前預報

首先，針對該段地層巖性較為復雜的實際情況，提前掌握掌子面前方巖體完整程度等信息，當超前地質預報所描述的圍巖等級與原設計不符時，有針對性的加強支護措施。其次，為了提高超前地質預報的準確性[5]，該段施工采用地質圍巖分析為基礎，各類預報措施（物探預報、鉆探預報、電法預報）相互結合驗證并綜合評判，以提高預報的準確性;再次，針對該段巖性及水文現狀，增加了瞬變電磁的預報措施。

4.2.2 泄水引排

針對該段地下水發育無明顯規律可循的特點，首先，采用瞬變電磁對該段地下水較為集中位置做初步探測[6]，然后針對地下水賦存的深度，施做入巖角度不同及深度適當的泄水孔，泄水孔孔徑Φ110mm。

為了減緩開挖后臨空面的圍巖風化并將前述的散水集中引排，開挖作業完成排險后，立即對圍巖裸露面施作噴射混凝土，混凝土厚8cm。

在鋼拱架及噴射混凝土等初支施工中，對局部存在裂隙股狀水處埋設Φ60mm波紋管進行引排（見圖5裂隙股水引排示意圖）。

4.3 超前支護

為了抑制開挖后，拱頂的沉降，對原設計的超前支護措施加強，具體方法如下：拱部設置Φ89大管棚超前預支護[7]，管棚縱向間距6m，管棚范圍由原設計的拱部120°調整為180°范圍，長9m/根，環向間距40cm，29根/環，開挖前在管棚之間增設單排Φ42×4mm小導管作為超前支護補強，縱向間距2.4m，長4.5m/根，28根/環;大外插小導管外插角10°～15°，小外插角大管棚外插角1°～3°，施工時可根據現場實際情況作調整。針對現階段施工中，地下水發育的現狀，對前述大管棚及小導管注漿材料及注漿工藝做如下專項設計：

①注漿材料：水泥-水玻璃雙液漿或水泥漿液（水量大處采用雙液漿，水量相對較小處采用水泥漿）;

②水泥：P.O42.5;水玻璃：波美度Be=40;水泥漿：水玻璃漿液=1：0.8;水泥漿水灰比=0.5～0.8：1;

③注漿壓力：初壓0.5～1.0MPa，終壓1.5～2.0MPa;

④注漿前應先在現場進行注漿試驗，通過現場注漿試驗來確定注漿參數并結合實際情況，以保證現場施工。

4.4 控制施工

為減小大爆破施工對圍巖的擾動，該段施工中的開挖及支護施工均做了專項設計，具體措施如下：

①控制開挖進尺，減少施工擾動。該段總體施工設計開挖采用三臺階法[8]施工：上臺階高度控制為2.8～3.3m，長度為5～7m，中臺階高度控制為2.8～3.3m，長度為5～7m，下臺階高度為2.5～2.8m。采用機械配合人工的開挖法施工，避免爆破震動影響;同時控制上、中、下臺階開挖進尺，上臺階每循環0.6m，中、下臺階每循環開挖進尺不得大于2榀拱架，并嚴格控制中、下臺階不允許對稱開挖，必須左右側錯開不少于3榀且不少于2.4m，特別地，為了避免初期支護長時間暴露而引起的累計變形量過大，該段采用“推進式”施工，其核心要點是掌子面掘進的后方工序優先，用后方工序“壓迫”掌子面推進。為達到推進式施工的目的，上中下三臺階同步掘進。該工法使各部開挖及支護自上而下分成三個小單元進行開挖，縮小開挖斷面，減少隧道圍巖變形。

②加強支護，控制落底。根據圍巖累計變形量及仰拱二襯施工進度，實際施工中，因受初支收斂變形量的影響，采取了“以空間換時間”的方式，預留變形量調整為40cm[9]。

為了加強支護結構對圍巖變形的承載力，對支護結構做如下的加強措施：鋼架采用I20工字鋼，原設計邊墻的Φ22砂漿錨桿變更為Φ42徑向注漿小導管，間距1.2m×1.0m（環×縱），單根長3m，注漿工藝同前述超前支護處。

為了防止中下臺階施工中拱架短時間懸空造成的坍塌等事故，該段采取控制落底[10]措施，具體工法如下：每榀鋼架增加8根鎖腳錨管，兩側采用Φ42×4mm小導管，每根長度由4m調整為4.5m，于上下臺階鋼架接頭處各設置2根，并施作臨時橫撐（I18工字鋼）加強，縱向每兩榀設置一處。拱腳30cm范圍采用風鎬進行開挖，拱架底墊16mm鋼墊板落地，加強鎖腳錨管的施工質量控制，錨管斜向下20角度[11]（施工過程中鎖腳錨管的設置角度和方向應結合巖層傾角及走向、節理發育方向等進行適當地調整），用兩根“L型”鋼筋（Ф22螺紋鋼）與鋼架焊接牢固并嚴格注漿。

③監控量測：主要進行拱頂下沉和水平收斂檢測，并對量測數據進行回歸分析。建立等級管理、信息反饋制度，負責及時將監控量測信息反饋指導施工及加強或減弱支護措施的依據。

根據《鐵路隧道監控量測技術規程》（Q/CR 9218-2015）要求，曼勒一號隧道施工過程中拱頂下沉、凈空變化監測測點應布置在同一斷面上，從DK448+718里程處開始，按Ⅴ級圍巖斷面3m/道布設圍巖變形監控量測點并適當加密，里程分別為DK448+718、+721、+724、+727、+730、+733（共6組），沉降和收斂在規范允許范圍內。

為更好的掌握隧道開挖后初支變形的具體情況，先初測監控量測斷面中各測點的絕對坐標位移變化值，按X. Y.Z軸方向的三維坐標值獲得初始讀數并記錄，對數據進行對比分析，及時繪制各斷面初支累計沉降、收斂及變形速率的時程曲線圖。

5? 結束語

根據曼勒一號隧道現場施工和監控量測反饋的實際情況，目前施工現場采取的控制措施使得圍巖及支護變形得到有效控制，且坍塌等施工事故頻率明顯降低。通過施工工法的調整及施工組織的改進，目前該隧道掘進平穩，平均進度為0.6m/d，此進度在現階段仍需進一步提高，后續施工施工中，根據監控量測及超前地質預報結果，不斷優化前述的支護加強控制措施及控制落底措施。

參考文獻：

[1]程崇國，江星宏.公路隧道施工坍塌預防技術研究[J].公路交通技術，2018，34（06）：97-104.

[2]趙作富，陳建，胡國軍，羅建輝.巖層傾角與隧道走向間關系對大斷面隧道圍巖穩定性的影響[J].公路與汽運，2014（05）：190-194.

[3]郭健，陽軍生，陳維，沈東，劉濤，柴文勇.基于現場實測的炭質板巖隧道圍巖大變形與襯砌受力特征研究[J].巖石力學與工程學報，2019，38（04）：832-841.

[4]孟凡軍.復雜地質條件下鐵路隧道施工技術研究[D].西南交通大學，2007.

[5]涂孝波，易萍華，陳亮.綜合超前地質預報技術在銅盤山隧道中的應用[J].重慶建筑，2019，18（04）：54-57.

[6]江球.煤層火燒區富水性瞬變電磁法探測研究[D].長安大學，2018.

[7]王炳智.軟弱圍巖隧道管棚超前預支護技術研究[D].重慶交通大學，2018.

[8]胡守云，吳廷堯.三明鐵路隧道三臺階法開挖施工圍巖變形特征研究[J].施工技術，2016，45（19）：86-90.

[9]王華松.炭質頁巖隧道大變形原因及應對措施研究[J].鐵道建筑技術，2018（03）：70-72.

[10]張洪生.杏子山隧道軟弱圍巖大變形控制技術研究[J].價值工程，2019，38（10）：145-147.

[11]王永春.順層偏壓隧道極軟巖綜合施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2018（03）：66-69，85.