閉合支護體系在蘭渝鐵路軟弱圍巖隧道中的應用

張秀良/ZHANG Xiu-liang

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

在軟弱、膨脹性圍巖修建隧道，非但有垂直壓力，而且有較大的側壓力和底壓力，因此襯砌應采用曲墻帶仰拱的結構，形成封閉的整體結構，提高襯砌的承載力[1]。隧道二次襯砌一般是在圍巖變形基本穩定后施作，從隧道縱向變形特點看，軟弱圍巖隧道變形快速增加主要圍巖開挖后[2]。因此，軟弱圍巖隧道實際上是由臨時支護與初期支護形成的許多分部的、完整的初期支護閉合支護體系來完成變形控制的。蘭渝鐵路胡家灣和馬家坡隧道在分析軟弱圍巖大變形機理基礎上，有針對性地采取及早、及時封閉巖面、開挖后盡可能短的時間內形成斷面閉合體系，及早對圍巖提供抗力，取得了較好的大變形控制效果。

1 工程概況

蘭渝鐵路胡家灣隧道和馬家坡隧道典型的軟巖地質隧道。隧道穿過的地層主要以斷層角礫為主的碎裂結構巖體和上第三系成巖較差的粉細砂巖散體結構巖體。按常規的臺階法施工，出現了拱部下沉大變形和掌子面失穩滑塌等異常現象。

胡家灣隧道全長2 862m，最大埋深420m。隧道穿越臨夏-漳縣-天水（F1)斷層束之f6、f7、f7-1 三個斷層破碎帶。隧道處于高地應力區。

馬家坡隧道全長5 830m，洞身通過的地層以上第三系泥巖夾砂巖（NMS+SS)為主，其中DK114+584～DK115+300 段長716m 為上第三系砂巖。隧道設計為雙線，初期支護采用噴錨支護，隧道均采用曲墻帶仰拱復合式襯砌[3]。軟弱圍巖級別為Ⅴ、Ⅵ級，開挖斷面面積為140m2以上。

胡家灣隧道f7 斷層破碎帶巖性為以炭質頁巖為主的斷層角礫，灰黑色，受地質構造影響嚴重，巖體極破碎，呈泥礫狀，掌子面普遍滲水，局部有股狀水涌出。馬家坡隧道上第三系砂巖，粉細粒結構，成巖性差，泥質弱膠結，膠結很差～極差，手捏即碎成散沙，掌子面普遍滲水。含水狀態開挖后軟化嚴重，多呈塑性流變狀態，強度降低快，穩定性極差，含水多部位約4h 顯現失去穩定。

2 施工難點

隧道施工前期均采用三臺階七步開挖法[4]。胡家灣隧道通過以炭質頁巖為主的斷層破碎帶時，隧道出現拱頂下沉大變形，現場量測38d 累計最大沉降量為820mm，初期支護嚴重侵入二襯限界。馬家坡隧道通過上第三系粉細砂巖層，掌子面滑塌失穩現象嚴重，成洞極為困難。

3 軟弱圍巖變形原因分析

3.1 地質因素

胡家灣隧道以炭質頁巖為原巖的斷層角礫變形機理。

1)炭質頁巖含有高嶺土、石膏、云巖、綠泥石及其它云母礦物等泥質巖，屬于含軟弱礦物的軟巖，其親水性強，遇水膨脹。

2)賦存于高地應力環境，開挖后地應力得到釋放，圍巖松弛嚴重，形成較大塑性區。炭質頁巖有明顯的蠕變特性。

3)賦存于裂隙水環境，斷層破裂巖體結構面填充物遇水進一步泥化、軟化，加速其強度流失。

4)開挖后巖面受風化影響，臨空面巖體易于崩解。

馬家坡隧道上第三系粉細砂巖細顆粒間泥質膠結松散，在水的作用下膠結物由固態變成塑態甚至液態。隨著隧道開挖產生臨空面，必然使指向臨空面的水力梯度增大，所產生的動水壓力差使得孔隙水與礦物顆粒之間的膠結強度較弱，在自重應力或側向壓力作用下，粉細砂巖礦物顆粒間的膠結作用基本失效，在水壓力作用下出現流沙而失穩。

3.2 施工因素

3.2.1 隧道縱向變形特征

隧道施工引起的縱向圍巖變形（圖1)分為微小變形區、急劇增大區、緩慢變形區和穩定變形區，其中急劇增大區變形量約占總變形量的50%～60%[5～6]?？刂屏思眲≡龃髤^變形就控制了總的變形值。

圖1 隧道圍巖縱向變形分區示意圖

3.2.2 施工時機延誤

掌子面后方區域軟弱圍巖大變形，具有明顯的時空效應[7]。隨著掌子面的推進，開挖擾動迅速增大，早期變形不斷增大。但隨著距離掌子面越遠，開挖擾動的影響逐漸減小。因此，軟巖圍巖變形控制的重點和關鍵是急劇增大區。因此開挖后要及時實施極其有效的支護，為圍巖提供足夠的抗力。否則，因施工組織不力，支護不能及時施作，或不能及時形成閉合支護體系，將使圍巖松弛區域迅速擴大，進一步惡化軟弱圍巖條件，變形快速發展。一些大變形發生與支護時機的延誤有很大關系。

4 軟弱圍巖變形控制

4.1 工法選擇

不論是具有蠕變特性的胡家灣隧道炭質頁巖斷層破裂巖還是掌子面易失穩的馬家坡隧道上第三系粉細砂層，開挖后都急需支護加以控制，在開挖后盡可能短時間內形成斷面閉合支護結構?，F場選擇了分部開挖分部支護的上臺階臨時仰拱和六部CRD 法施工，主要是基于以下因素。

1)從安全成洞角度考慮，完成斷面開挖、支護所需時間必須在其圍巖自穩時間內，且須在此時間內確?；炷聊馨l揮一定的承載。

2)對比三臺階法和CRD 法兩種計算工況，采用六部CRD 法優于三臺階七步法[8]。六部CRD 法無論從圍巖位移、圍巖塑性區，還是支護結構受力角度均明顯優于三臺階七步法。

3)CRD 法優點：①各部位成環時間短，結構受力均勻，支護剛度大，施工中隧道地面沉降小，易于控制[9]；②由于施工時由大跨度變為小跨度，逐步閉合，各開挖擾動土層范圍小，閉合時間短，結構整體很快就會處于較好的受力狀態。同時，臨時仰拱和中墻也起到了增加結構剛度、抑制結構變形的作用[10]。

4)閉合支護是能最大限度發揮支護支撐作用的結構體系。

4.2 閉合支護體系

4.2.1 上臺階臨時仰拱（圖2）

圖2 上臺階臨時仰拱步序圖

1)開挖上臺階①部，然后施作①部臺階周邊的初期支護Ⅰ和臨時仰拱，鉆設徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度，完成上臺階支護閉合體系。

2)開挖②部，臺階周邊部分初噴4cm 厚混凝土，鋪設鋼筋網，接長鋼架，并設鎖腳錨桿，鉆設徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度[11]。

3)在滯后于②部10m 左右，開挖③部，施作隧底仰拱噴混凝土，完成初期支護閉合成環。

4)根據監控量測結果分析，待初期支護收斂后，拆除I18 臨時鋼架，灌注仰拱與邊墻基礎。

5)澆筑拱墻二次襯砌混凝土，完成二次襯砌閉合成環。

4.2.2 六部CRD法

1)利用上一循環架立鋼架施作隧道超前支護，開挖①部土體，及時施作①部初期支護Ⅰ及臨時支護Ⅰ-1，打設鋼架鎖腳錨管，安設橫撐Ⅰ-2，形成①部閉合支護。

2)①部施工至適當距離后，開挖②部，接長鋼架，施作②部初期支護Ⅱ及臨時支護Ⅱ-1，打設鋼架鎖腳錨管，安設橫撐Ⅱ-2，形成②部閉合支護。

3)滯后適當距離如上步驟，開挖③部、④部土體，施作初期支護Ⅲ、Ⅳ及臨時支護Ⅲ-1、Ⅳ-1，形成中臺階以上閉合支護。

4)④部施工至適當距離后，在穩定的上部支護環境下，開挖⑤部，接長鋼架，施作⑤部周邊初期支護Ⅴ、Ⅴ-1 及臨時支護Ⅴ-2，形成⑤部閉合支護。

5)滯后適當距離，開挖⑥部土體，施作⑥部邊墻初期支護Ⅵ、Ⅵ-1，形成全斷面初期支護閉合成環。

6)澆筑二次襯砌混凝土，完成二次襯砌封閉成環。

圖3 六步CRD法施工步序圖

5 結語

1)現場通過形成閉合支護，隧道變形控制在25cm 以內，很好地發揮了初期支護結構的約束圍巖松弛和過度變形的功能。

2)在不具備全斷面施工技術條件下，采取分部開挖、分部支護閉合的施工方法，能夠實現Ⅵ級圍巖進度22～28m/月，達到了進度上明為慢實為快的目的。

3)軟弱圍巖隧道大變形具有變形初期變形速率快、變形量值大的特征。在開挖后盡可能短的時間內施作并形成閉合支護，以實現距掌子面盡可能短的距離內變形收斂。

4)對軟弱圍巖隧道，做好并發揮好閉合支護體系的前提是必須有與地質條件相適合的初期支護和臨時支護結構設計。

5)做好閉合支護，還需根據圍巖賦存條件，進行必要開挖前降水、開挖后巖面封閉等輔助措施施工。