大埋深高地應力硬脆性圍巖隧道施工工藝研究

陶 琦，丁云飛，李 慧，王 鵬，王 敏

(1.中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028；2.淮陰工學院 交通工程學院，江蘇 淮安 223003；3.南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816)

0 前 言

國內學者針對大埋深高地應力硬脆性圍巖大變形開展了一系列研究，梁寧等[1]采用鉆孔電視和單軸抗壓試驗，研究了大埋深高地應力隧道硬脆性閃長巖開挖過程中，地應力巨變產生變形破壞的可能性；李建興等[2]通過對米倉山隧道的現場調查和數值模擬，發現掌子面結構破壞導致隧道失穩坍塌的主要原因是高地應力過大超過巖體所能承受的最大承受力；陳秀義[3]通過對關山隧道地區地質研究分析，對硬質性碎裂圍巖破壞機理和特征有了更加直觀的解釋；鐘志彬等[4]通過對天然節理的流紋巖進行雙軸壓縮試驗，分析了硬脆性隧道隧道圍巖的破裂機理。以上研究成果在為大埋深高地應力硬脆性圍巖隧道控制變形提供了豐富的理論基礎和試驗指導的同時，也對相關隧道施工提供了實際的指導作用，具有重要意義。

本文依托天平鐵路關山隧道，為控制隧道變形、加快施工進度并降低施工安全風險，提出大埋深高地應力硬脆性圍巖隧道變形控制支護技術。采用大曲率邊墻、優化結構斷面，合理調整臺階高度、步長及仰拱施作時機，采用鋼架、噴錨網、徑向注漿及注漿時機等不同支護形式的合理支護參數，有效解決了大埋深高地應力硬脆性圍巖大變形的隧道施工技術難題。

1 工程概況

關山隧道是天平鐵路重點工程項目之一，隧道全長15 600 m，埋深600～800 m。關山特長隧道地處關山褶皺帶，地層巖體多為閃長巖，巖體組成包括斜長角閃巖、長石等，巖石堅硬，具有發達的節理和微裂隙，且巖體破碎，屬于破碎圍巖結構類型。

2 工藝原理

隧道施工掘進過程中，在大埋深和高地應力的作用下通常會產生大變形，邊墻部位變形尤其明顯。高地應力是導致隧道發生大變形的主要原因，尤其對隧道拱腳、拱腰所受應力的影響最大。在隧道多種應力作用下，圓形隧道開挖面抑制隧道變形效果最好，開挖過程中開挖面應盡可能地近似圓形。同時可以通過改變初期支護邊墻的曲率來改善結構的應力狀態和變形特性。

隧道開挖過程中會嚴重干擾隧道原有受力情況，從而會導致隧道突發圍巖變形。隨著支護結構的施工完成，隧道變形情況將趨于穩定，且支撐結構上開挖過程中所承受的各種應力和壓力都將減小直至趨于穩定。因此，施工中隧道下臺階的開挖長度應盡可能地縮小與仰拱之間的距離，從而使支護結構盡快閉合。

從支撐結構的受力情況來看，隧道拱頂附近的圍巖、初期支護鋼架、混凝土初期支護以及二次襯砌鋼筋應力均遠大于隧道兩側側壁的應力，從而隧道拱部支護強度需增強。增加的初期支撐厚度只能在很小的程度上減小洞室圍巖變形、受力和圍巖塑性區的范圍，當初期支撐厚度增加到30 cm后，圍巖變形和塑性區范圍都將不再降低。由此可見，增加初期支護的厚度不能提高隧道結構的穩定性，建議初期支撐的厚度定為30 cm。注漿錨桿對高地應力破碎性圍巖隧道大變形具有明顯的抑制作用。注漿錨栓應為4 m，并布置在上臺階和中臺階上，下臺階可適當減少錨栓的數量或不采用錨栓[5]。

根據工程實際情況，可采用不同方式封閉隧道掌子面圍巖、小導管超前注漿、少分部的短臺階法(減小進尺、保證支護封閉時間)和合理優化斷面形狀(尤其是邊墻曲率)、4 m系統注漿加固圍巖(下臺階錨桿數量可減少或不施作)和變形監測與信息反饋等措施[6-9]，從而確保隧道施工過程中及隧道運營期間安全。

3 施工工藝及要點

3.1 施工工藝流程

大埋深高地應力硬脆性圍巖隧道施工工藝流程包括：施工準備→超前支護→臺階法開挖→系統錨桿(管)→鋼筋網→鋼拱架→初支→結構防排水。

3.2 施工要點

3.2.1 超前支護

高地應力段范圍內均采用長度為4 m的φ42超前小導管和3.5 mm壁厚的熱軋無縫鋼管設置超前支護，環向和縱向間距分別為30 cm、2.4 m，外插角為5°～10°。小導管注漿工藝流程如圖1所示。

圖1 小導管注漿施工工藝流程圖

3.2.2 臺階法開挖

臺階法開挖采用大曲率邊墻，優化結結構斷面，改善了隧道結構受力。開挖長度要適當，宜采用短臺階(5～30 m)。

3.2.3 系統錨桿(管)

系統錨桿(管)布置采用Φ42無縫鋼管，錨桿長度應為4 m，隧道下臺階可根據實際情況減少或不布置錨桿。注漿小導管呈梅花形布置。使用支護臺車或風動鑿巖機嚴格按照設計要求鉆出小導管孔。

3.2.4 鋼筋網

根據設計要求使用經過測試合格且經過除銹和凈化處理的鋼筋加工成鋼筋網，在初次噴涂混凝土和錨桿完工后進行安裝鋪設。施工過程中網片必須靠近噴涂的主要表面，且噴涂混凝土保護層的厚度必須符合設計要求。鋼筋節點和錨桿通過電焊牢固焊接，網片用鐵絲固定或焊接；噴涂過程中勿四處走動；鋼絲網的鋪設與混凝土的初次噴涂表面起伏，并與墻體表面接觸；重新噴涂混凝土后，將鋼筋網完全覆蓋，鋼筋網不得裸露，并且必須有2～4 cm厚的保護層。重新噴涂后，噴涂的混凝土表面應平整。

3.2.5 鋼拱架

鋼拱架按照設計要求在隧道洞外制作鋼拱架，在混凝土初次噴射后進洞與定位系筋和錨桿連接安裝，鋼拱架安裝工藝流程如圖2所示。

圖2 鋼拱架安裝工藝流程圖

3.2.6 初 支

初支采用C25素噴混凝土濕噴，噴射厚度控制在30 cm。混凝土由洞穴外部的混凝土攪拌站進行攪拌，物料通過輸送機被送入洞中，風壓由空氣壓縮機供應。為了確保混凝土的厚度和質量，噴射分兩次完成，即初次噴射和復噴。噴涂前，必須修整巖石表面；噴射順序應從下到上對稱噴射。首先填充鋼架和圍巖之間的間隙，并用噴漿覆蓋鋼架，保護層應不少于4 cm。噴射前，將噴射表面的凹口調平，然后將噴嘴緩慢均勻地呈螺旋狀移動，按壓每個圓圈的前半部分，繞圈的直徑約為30 cm，確保噴涂表面平整光滑。噴射后進行灑水養護。

3.2.7 結構防排水

防排水板的拼裝與鋪設防水板鋪設工藝流程如圖3所示。

圖3 防水板鋪設施工工藝流程圖

3.2.8 二 襯

結構防排水施工完成后應及時施作二次襯砌，二次襯砌施工工藝如圖4所示。

圖4 二次襯砌施工工藝流程圖

4 工藝應用效益

4.1 經濟效益

通過試驗研究及方案比選采用調整曲率的試驗參數較好地解決了隧道初支變形及開裂情況，控制了隧道塌方，保證了施工安全，進度和工程質量，進度較前期提高38天，節約項目管理成本132萬元，隨著工程的進展，效益會進一步增加。

4.2 社會效益

1)對高地應力下碎裂圍巖大變形的施工難題，采取先放散后加固的辦法，解決了高地應力碎裂圍巖隧道大變形的施工難題，保證天平鐵路工程的順利實施。

2)研究成果為高地應力支護參數的設計及施工提供了依據和指導，在工程的施工中得到了推廣和應用，促進我國鐵路隧道建設的進步與發展。

5 結論與建議

1)大埋深高地應力硬脆性圍巖隧道應采用大曲率邊墻，優化結構斷面，改善隧道結構受力。

2)施工過程中，要合理調整臺階高度、步長及仰拱施作時機，有效控制施工工序對變形的影響。

3)合理采用鋼架、噴錨網、徑向注漿及注漿時機等不同支護形式的支護參數。

4)本工法有效解決了大埋深高地應力硬脆性圍巖大變形隧道施工技術難題，確保了施工安全，取得了顯著的經濟、社會效益，可供類似工程借鑒。

[ID:012881]