復雜地質環境軟巖大變形的快速施工技術

郭永發

經濟發展形勢的不斷轉變，人們交通運輸需求的多元化發展，使得鐵路工程的施工技術逐步優化。現階段，隨著鐵路建設向西南地區推進，軟弱圍巖大變形的問題一直困擾著鐵路建設。為推進鐵路交通運輸體系的建設與完善，保證在復雜施工環境中的工程質量，針對隧道工程常見大變形問題，施工單位應結合地質環境特征，合理選擇深埋單線交通鐵路建設項目施工技術，根據鐵路單線建設與運行的技術標準，綜合考慮建設條件、成本與安全性等條件，規范深埋鐵路隧道快速施工流程，預防、控制軟巖大變形的影響，全面提升鐵路工程的安全性與效率性。

當前階段，我國鐵路隧道建設規模、難度大幅度提升，鐵路的建設標準化、規范化管理成為控制工程質量的重要保障。單線鐵路深埋隧道建設項目管理，應適用于環境較為復雜的建設地區，以降低軟巖層產生的大變形影響。在此基礎上，本文從工程實際案例出發，通過對深埋鐵道地區的復雜地質構造進行調查、分析，提出兩臺階帶仰拱同步施工技術，對地應力高、軟巖層等深部巖體地區的鐵路隧道快速施工要點進行系統的探究。

一、軟巖大變形的類型與特征

1.炭質系圍巖大變形

炭質系圍巖的變形情況主要發生在頁巖、板巖層，由于巖質較軟，呈薄層狀，在巖層中裂隙發育，松散、破碎，受地下水影響節理面泥化進一步降低巖體力學性能，導致鐵路隧道圍巖在開挖時，塑性區范圍大，圍巖存在滑移、剪切破壞，引發隧道初期支護大變形問題。

2.滇中紅層變形

云南地區滇中紅層分布范圍較為廣泛，作為軟巖弱圍巖的一種，具有特殊的工程施工特性，屬于易滑地層，在鐵路隧道施工中，容易引發大變形災害。滇中紅層主要由砂巖、泥巖、泥灰巖等構成，透水性較弱，抗風化能力弱，在隧道開挖施工時，容易出現破碎、塑變、遇水軟化等問題，影響圍巖的結構穩定性。

3.軟巖大變形的特征

大變形發生的主要地區包括泥質砂巖、頁巖以及泥灰巖等構造為主的沉積巖及變質巖分布地區，這些軟弱圍巖在區域構造應力作用下，整體地質結構穩定性差，遇水加劇軟化過程。又因爆破作業對周邊圍巖及掌子面前方地質條件影響較大，導致掌子面前方圍巖初始松動及后方圍巖松動圈進一步擴大，加劇了已有初期支護上的應力作用，引發支護位移、破壞等問題。軟巖大變形不僅會對工程建設質量與進度產生影響，嚴重情況下還會帶來較大的安全威脅。

二、工程案例

為有效探討軟巖地區深埋單線運輸鐵路隧道工程的技術應用特點，本文選擇處于應力作用強、屬于軟巖地質條件的工程案例，對鐵路工程的施工實況進行分析。該地區由于巖體整體性受到侵入活動影響，地應力平均值相對較高。施工階段洞內實測最大地應力5.16-12.70MPa，線路走向與區域構造線大致平行，最大主應力近似垂直于線路走向，在開展深埋鐵路施工時，容易受到偏壓順層影響，導致隧道工程出現大變形問題。

通過鐵路工程實地勘測情況來看，建設地區的圍巖性質相對復雜，巖體被多期地震影響而碎裂，鐵路隧道工程容易出現大變形問題。同時，巖體受深埋開挖工程的影響，將會導致松動圈的影響范圍達到5-6m以上。為此，隧道如果采用三臺階法施工，圍巖受開挖擾動次數多，剛架接頭連接差，導致受力不合理，鋼架作用大大減弱。往往鋼架接頭附近導致初期支護侵限。采用三臺階法初期支護封閉周期長，支護結構的承載力低，從建設安全與支護效果來說，無法達到快封閉的目的。與此同時，由于單線鐵路相對于其他道路工程的跨度更大，選擇直墻結構不利于水平方向的收斂控制。根據相關工程實踐調查與測量參數分析結果，鐵路隧道受地應力影響初期支護出現位移、破壞的頻次較高，實際測量的下沉量偏低，工序變換過程中容易發生變形速率變化，主要控制水平向變形，通過快速封閉初期支護來實現。

三、兩臺階帶仰拱同步施工技術控制要點

1.工程設計

根據現代鐵路施工技術研究，隧道支護工程在實際設計過程中，應充分考慮建設地區圍巖結構，計算支護結構承載力與圍巖作用。在軟巖地區建設鐵路隧道時，一方面，應結合鐵道深埋的施工技術標準，對圍巖塑性變形情況進行分析，保證圍巖彈性勢能作用處于技術標準內；另一方面，應控制圍巖變形，避免巖土層過于松動，計算準確的支護阻力，為工程提供專業性的設計指導。由于深埋工程技術中，三臺階法開挖閉合時間長，尤其是仰拱單獨挖作為一個步序，導致初期支護閉合存在滯后性，不能及時阻止變形的發展。當大變形災害發生過程中，鋼拱架難以完成閉合，支護結構受非線性影響，引發換拱頻繁現象，施工整體進度被拖延。因此，施工單位結合軟巖隧道建設項目的技術要求與建設地區和水文地質條件，采用了兩臺階帶仰拱同步隧道建設技術。

2.變形控制施工要點

兩臺階帶仰拱同步技術的施工步驟包括：首先，隧道上階、下階帶仰拱應同時進行作業，保證鉆進、爆破、通風與排險、扒碴施工作業，在上臺階進行初期支護，下臺階進行出碴。然后，在上臺階開展超前支護作業，在下臺階上裝設立架，最后進行噴射混凝土施工。上下臺階帶仰拱同步施工在大變形控制方面具有以下幾方面的優勢：一是保證開挖、支護工程的同步性，工序安排緊湊，工程推進的速率快；二是仰拱支護穩定性高。在隧道開挖后，及時采用噴錨支護技術，尤其應重視初噴封閉地下水滲入通道的作用，延緩地下水滲入時間，能夠改善圍巖力學性能與受力狀況，可以有效提升隧道圍巖的實際承載力，提升工程穩定性，控制隧道變形情況。初期支護的實際閉環周期短，可以有效控制非線性影響；三是隧道施工安全性高，對爆破作業控制嚴格，仰拱二襯同步性強。

四、質量控制對策

1.完善安全施工制度，優化施工流程

在實際施工過程中，為保證同步施工進度的有效協調，應加強平行作業的規范管理。具體來講，施工隊伍應合理利用打鉆施工對錨桿進行裝設，保證錨桿注漿的質量，實現上導立架、下層出碴的施工目標，統一上臺階仰拱的平行作業。與此同時，軟巖大變形受爆破振動的影響，采取減少振動的措施，可降低圍巖擾動，更符合新奧法原理。在超前地質預報工作中，應充分利用超前水平探孔、地質雷達、紅外探水、TSP等超前預報手段，整合施工信息，提升工程安全管理水平。此外，還應設置動態量測系統，對圍巖變形狀況進行實時觀測，及時反饋動態測量數據，為現場施工提供專業性的指導，優化施工流程。

2.科學控制施工進度，加強支護管理

為保證初期支護封閉速率，兩臺階同步開挖、支護工程中，應科學控制施工進度，在確保鋼架穩定連接的基礎上，確保二襯仰拱有效跟進、同步施工，降低換拱頻次，動態控制鐵路隧道安全風險。需要注意的是，在軟巖大變形災害控制的過程中，應加強超前支護施工的管理。一方面，應對超前導管質量進行檢測，保證導管裝設的規范性。同時，拱架間采用工字鋼相連接，下導拱架加密超前導管防止垮塌；另一方面，邊墻與隧道拱部在錨桿作業時，應結合設計方案選擇錨桿類型與尺寸。通常情況下，每孔錨桿數量應根據錨桿長度確定，然后進行注漿，按照實際要求裝設槽鋼后，加設錨墊板，提升支護結構的穩定性。

3.嚴格落實鐵路工程施工規范，注重現場施工質量控制

鐵路隧道單線深埋工程的現場管理是鐵路整體施工質量的重要保障。在實際工程建設階段，由于鐵道建設與隧道開挖的工程量較大、施工影響因素較多。因此，在工程施工現場管理階段，首先，需要加強安全施工宣傳，做好技術交底，幫助作業人員深入、全面掌握技術規范，做到有序、高效施工；其次，在設備管理方面，應在施工前對設備進行調試，合理規劃設備運輸、裝設，同時，安排專業的操作、維修團隊，保證設備的高效、平穩運行；第三，合理配置鐵路施工建設資源，注重對材料質量的標準化監測工作。結合施工設計與實際工程建設情況，對隧道不同位置的施工進度進行統籌，采用機械化配套，有效落實快速施工目標。

五、結語

受限于地質地層情況及機械化水平，使得現階段鐵路隧道施工的工程技術難度顯著提升。軟弱圍巖深埋單線鐵路隧道大變形問題制約了鐵路建設，導致工期和投資不可控。為有效控制軟巖大變形、地應力高等問題對鐵路工程建設的影響，施工單位應在充分、全面掌握建設地區地質條件的基礎上，優化深埋單線鐵路施工組織，加強施工管理，合理運用兩臺階帶仰拱同步施工法，實現隧道的軟弱圍巖大變形“快封閉”的控制目標。