深埋復雜地質軟巖大變形隧洞施工技術

羅舟

（中鐵十六局集團第二工程有限公司）

1 基本情況

1.1 工程概況

新疆輸水隧洞II 標工程主洞全長4400m（5+200～9+600），坡比38.64%，長度558m，高差約170m 的Z2 斜井支洞與主洞交匯樁號為5+694，主洞5+200～5+900洞段均為N1+2 泥巖，已揭露N1+2 泥巖含水率為18%～24%，圍巖具有中等膨脹性，泥巖遇水見風具有快速泥化、膨脹、崩解的特性。隧洞上第三系N1+2 地層在埋深228m 處最大地應力達到5.4MPa，水平應力與垂直應力比值基本接近1∶1。

1.2 圍巖特性

編錄洞段圍巖為第三系（N1+2）泥巖，呈紅褐色夾灰白色泥灰巖包裹體，泥質結構，膠結程度弱，含水率基本為18%～24%，厚層狀，具有可塑～硬塑性。巖體中不規則陡傾角裂隙及隱微裂隙密集發育，裂隙面起伏光滑、附泥膜，裂隙間相互切割。巖體結構以碎裂，碎塊結構為主，局部散體狀，巖石成巖程度極差，屬極軟巖，弱膠結～無膠結，圍巖揭露后塌方、掉塊現象嚴重。

根據圍巖顆粒分析結果顯示，N1+2 軟巖中粘土礦物蒙脫石和伊利石總含量達到35%～50%，N1+2 軟巖試樣的軸向自由膨脹率為0.62%～2.91%，徑向自由膨脹率為0.26%～1.09%，側向約束膨脹率為1.53%～3.79%，膨脹壓力為51.95～442.10kPa，平均為247kPa。N1+2軟巖具有遇水短時間快速膨脹和快速崩解破壞的特征，且具有較高的膨脹壓力。

1.3 大變形情況分析

主洞進入上第三系N1+2 泥巖洞段施工就發生了多次大變形導致的一次支護侵線[1]，導致現場進行換拱，造成進度滯后，成本增加，對施工造成嚴重干擾。因此，取5+660～5+670 段進行試驗監測，該洞段施工完成后一次支護噴混開裂、剝落，局部拱架發生扭曲變形，不同程度地出現一次支護侵線，拱頂最大侵線31.6cm，邊墻最大侵線26.9cm。

根據檢測方和現場監控量測數據顯示，該洞段拱頂累計沉降量最大達到41.6cm，沉降速率最大為84mm/d，邊墻最大收斂達到36.9cm，收斂速率最大為44mm/d。斷面測量顯示，侵線基本發生在拱肩及起拱線拱腳處。

根據上述數據分析總結，本工程上第三系N1+2 泥巖大變形具有如下特點：①拱部與邊墻收斂變形基本一致；②收斂變形部位基本處于拱架每臺階拱腳處，如中臺階開挖施工時上臺階拱腳沉降收斂；③一次支護封閉成環后基本沒有收斂趨勢[2]。

2 采取的技術措施

2.1 加強一次支護參數

根據現場一次支護施工情況顯示，設計支護參數不能滿足現場施工需求。根據現場專家研究討論，制定了如表1 所示的試驗支護參數。

表1 設計支護參數與試驗支護參數對比

2.2 雙排外八字鎖腳錨管

鎖腳錨管打入長度及角度影響到圍巖壓力的變化。打入合適長度和角度的鎖腳錨管對圍巖總位移、豎向位移、水平位移和支護結構彎矩、剪力等有良好的約束效果。打入合適長度和角度的錨管不僅可以約束支護結構的自由變形，還能起到加固圍巖的作用。因此，本工程采用φ63，L=6m 的雙排外八字鎖腳錨管[4]施工，錨管打設角度采用下傾角30～45°、水平角度15°的方式，間距≥75㎝，既能有效限制下沉，又能有效限制水平收斂。

2.3 大長管棚施工

利用大長管棚施工加強超前支護強度及開挖支護安全系數，超前中管棚施工角度為160°范圍，采用φ63，L=9m，搭接長度6m，外插角≤5°，避免外插角過大對拱部圍巖造成擾動。管棚尾部與型鋼拱架牢固焊接，形成有效的超前加固、棚戶作用。

2.4 采用納米硅粉合成纖維混凝土噴護

采用C40 納米硅粉合成纖維混凝土作為初期支護中噴層的材料，其良好的早強及抗裂性能可有效抑制隧洞圍巖前期過早變形并防止噴層開裂。噴層施作分為初噴和復噴兩個階段，初噴可使拱梁式支護結構中的HW型鋼拱架與圍巖緊密接觸，防止隧洞圍巖松動圈的進一步擴展。

2.5 拱梁式支護方式

隧洞初期支護結構形式包括超前中管棚、HW 型鋼拱架、鋼筋網、噴混凝土、外八字鎖腳錨管。初期支護結構核心為由I16 工字鋼及HW 型鋼拱架組成的拱梁式支護結構，即根據三臺階施工法臺階分布位置，將I16 工字鋼在每臺階拱腳處形成一條縱向整體托梁，利用縱向托梁的剛性連接將一次支護鋼拱架連接而成的支護結構，配合超前中管棚、每臺階拱腳處設置的外八字鎖腳錨管，可有效控制軟巖隧洞圍巖膨脹大變形，解決初期支護結構侵限及失穩問題。

2.6 擴大預留變形量

根據現場實際施工監測數據分析，一次支護收斂變形速率基本在4㎝/d，且拱架封閉成環后才有逐漸趨穩的趨勢，為防止在一次支護收斂沒有趨穩的情況下立即進行襯砌施工造成二次襯砌受力過大，考慮將拱部預留變形量擴大至60cm，邊墻預留變形量擴大至45cm，同時，確保一次支護封閉成環后30 天內完成二次襯砌施工，以保證一次支護與二次襯砌的安全質量。

2.7 安全步距調整

根據現場施工情況，V2 類泥巖施工進度每循環進尺≤1m，考慮到加強一次支護后的收斂變形速率基本可控制在1.5～2cm/d，以及一次支護封閉成環后30 天收斂變形速率有了減緩趨勢，因此，二次襯砌在一次支護施工完成30 天后進行為最佳時機。據此，將掌子面距離二次襯砌安全步距調整為30m[3]，這樣既能確保一次支護及二次安全質量，又能實現掌子面開挖與二次襯砌施工同步進行。加快了施工進度的同時，還能確保一次支護施工的連續性。

3 加強支護后的效果

3.1 收斂變形數據分析

主洞5+626 處與5+618 處根據調整后支護參數進行施工，累計觀測29 天，拱頂累計向下沉降變形為481.2mm、444.5mm， 水 平 收 斂 變 形 為 364.1cm 和407.2mm。從變形速率來看，向下收斂變形速率為15～17mm/d，水平向內收斂變形速率為13～16mm/d，變形速率明顯較之前減緩，確保了一次支護施工安全質量。同時，預留變形量滿足30 天內一次支護不侵占二次襯砌厚度的安全質量需求。

3.2 應力監測數據分析

拱頂部位的鋼拱架在9 月1 日開挖支護完成后，應力出現顯著增加，在起測后首日即達到64MPa。5+626.6監測斷面的拱頂部位10 月3 日的鋼拱架應力為-377MPa，該部位應變計10 月4 日超過量程；左拱肩部位鋼拱架應力在11 月4 日讀數為-400.17MPa；右拱肩部位9 月18 日的鋼拱架應力為-337MPa，該部位應變計9 月19 日超量程。

5+626.6 監測斷面左拱肩部位的圍巖-鋼拱架接觸壓力最大讀數為11 月4 日的318.9kPa。

除右邊墻部位儀器10 月3 日斷線，最后一次讀數為108.4kPa 之外，其他部位在11 月4 日的土壓力盒讀數為：拱頂267.8kPa，左拱肩259.0kPa，右拱肩185.8kPa。

根據上述數據分析，加強后的一次支護對圍巖變形形成了有效的抵抗，減緩了圍巖對一次支護的擠壓變形速率，為一次支護施工提供了安全保障。同時，二次襯砌在一次支護施工完成30 天后進行施工也減弱了二次襯砌受力過大的現象，為二次襯砌施工質量提供了保障。

4 優點和不足

4.1 優點

4.1.1 施工功效提高

以設計支護參數施工的情況下，開挖進尺9m 需及時進行二次襯砌施工，掌子面距離襯砌安全距離僅10m，無法實現同步施工，只能單工序施工，因此，月施工功效僅18m/月。同時因一次支護強度弱，收斂變形極容易出現突變情況，發生一次支護侵線的風險極高，現場實際施工過程中就曾出現數次換拱，對施工進度造成極大影響。

一次支護參數調整后，掌子面距離二次襯砌安全步距達到30m，可以開展棧橋法進行底拱襯砌施工，實現了開挖與二次襯砌同步施工，因此，月施工功效達到30m/月。加強一次支護后圍巖收斂變形基本穩定，沒有出現突變的情況，大大降低了一次支護侵線換拱的風險，為施工進度提供了有效保障。

4.1.2 安全質量風險降低

采取加強支護措施后，既保證開挖及一次支護施工期間的安全質量，同時規避二次襯砌因承受過大的一次支護收斂變形應力導致的開裂風險，為二次襯砌的安全質量提供了保障。

4.2 不足

根據隧洞單點位移計試驗監測數據顯示，圍巖松動圈在6m 以外，因隧洞開挖跨度僅7m，無法實現全機械化施工作業來進行大長鎖腳錨管和系統錨桿的施工，從而無法將錨管（桿）打入穩定圍巖內，與型鋼拱架形成最有利的支護體系。

5 注意事項

⑴開挖支護必須具有強時效性，不能因機械、人為因素造成一次支護封閉時間延長。

⑵超前中管棚長度、間排距、搭接長度必須嚴格按照設計要求進行施工，管棚打設角度≤5°，確保不對原裝圍巖造成不必要的擾動[5]。

⑶局部超挖部分必須嚴格用同標號噴射混凝土回填密室，拱架背后嚴禁出現空腔。

⑷鎖腳錨管的打設角度、數量、焊接必須嚴格按照設計要求施工，不得出現角度偏小、焊接不牢的現象。

⑸加強監控量測工作，加密斷面、頻次，為一次支護施工提供及時有效的數據參考。

6 結束語

根據試驗方案采取的措施及監控量測數據分析，一次支護收斂變形速率及變形量有了明顯降低，為現場施工提供了安全和質量保障；同時，大大降低了大變形洞段一次支護侵線的風險，拉長了安全布局，實現了開挖與襯砌同步施工，大大提高了施工功效，降低了施工成本。軟巖大變形洞段施工需堅持“快”的原則，同時要根據現場實際情況進行動態設計、動態施工，以便快速調整適應圍巖變化，從而確保軟巖大變形洞段施工快速、安全、高效。