多層初期支護在景寨隧道軟弱圍巖中的應用

喻有彪

（滇南鐵路有限責任公司，云南 玉溪 653100）

1 引言

近年來，有關隧道雙層初期支護施工技術的研究與實踐較多，成果豐富，對其受力分析、厚度分配、布置形式、施作時機等方面均進行了理論研究與實踐驗證，各個案例結論還存在一些差異。玉磨鐵路景寨隧道變形控制研究過程中，在進一步分析實踐雙層初期支護基礎上，進行了3（多）層初期支護技術的探索。

2 工程概況

玉磨鐵路為中老昆萬鐵路國內段，途經玉溪市、普洱市、西雙版納州，至磨憨口岸與國外段直連，設計速度160 km/h，其中，西雙版納至國界段為單線。景寨隧道全長9 509 m，為單線隧道，緊伴瀾滄江而行，其進口至斜井間正洞長4 385 m，斜井長1 200 m，受地形限制不具備增加斜井或橫洞的條件。

斜井小里程正洞揭示圍巖為頁巖（約占65%）夾砂巖（約占30%）、炭質頁巖（約占5%），淺灰、深灰及黑色，以中薄～極薄層狀為主，層厚0.1～5 cm。泥巖、頁巖、炭質頁巖為泥質、炭質結構，泥質膠結，巖質軟，遇水易軟化；砂巖為粉、細砂質結構，泥質膠結。

巖層走向與線路夾角約15°，橫向傾線路左側，縱向傾大里程，傾角約40°。受地質構造影響嚴重，巖體極其破碎，節理裂隙發育，開挖后巖體呈片狀、角礫狀。目測發育3～4 組結構面，結構面間層面光滑，層間結合差。地下水弱發育，局部地段地下水發育且存在水囊。

3 面臨的問題

本工程所面臨的問題有：

1）變形問題突出。因嚴重不良地質影響，景寨隧道斜井小里程在建設過程中遇到的最大難題為大變形，單側收斂最大值達180 cm，工程推進困難。鋼架扭曲折斷十分普遍，停工加固或換拱成為常態，嚴重阻礙了工程的推進，發展成影響玉磨鐵路按期開通的關鍵控制性工程。

2）安全風險極高。景寨隧道斜井正洞初期支護收斂變形問題，造成侵限換拱率達到80%，且施工安全風險極高，安全管理難度極大。

3）工期風險突出。景寨隧道斜井小里程正洞2020 年1 月至2021 年3 月期間，累計進尺235 m，平均月進尺僅15.6 m，工期風險十分突出，成為玉磨鐵路關鍵控制性工程，是確保按期開通的關鍵堵點。

4 本隧軟巖大變形原因分析

結合圍巖巖性和產狀分析并進行地應力測試可知，隧道軟巖大變形是由高地應力加軟弱圍巖引起的擠壓型剪切滑移變形，變形具有明顯的方向性且受水平地應力主方向控制。巖層走向存在順層偏壓，大變形原因為順層偏壓造成非順層側初支折斷、壓潰式變形，圍巖遇水軟化后失去自穩能力，加劇了初期支護變形，最終圍巖無法承受造成拱架剪斷、扭曲，喪失支護能力，初期支護受力情況如圖1 所示，現場圍巖狀態如圖2 所示。主要為高地應力、順層偏壓聯合作用引起的大變形。應力解除法地應力試驗結果顯示景寨隧道斜井小里程屬于擠壓性圍巖大變形區段，變形長達3.5 km，等級達到3 級[1]，且斷層的存在極大地加劇了變形風險。

圖1 初期支護受力情況圖

5 雙層初期支護方案研究實踐

在采取了加大鋼架型號、增加預留變形量、設置大鎖腳、規范采用短臺階快速成環工法、采用非爆開挖等常規措施未能有效解決變形問題后，現場研究采用了雙層初期支護技術。

圖2 現場圍巖狀態

5.1 關鍵工序確定

雙層初期支護施工關鍵在于第2 層初期支護施工的時機，既要具有可操作性，又要把握合適的時機，在變形失控前及時實施到位。具體包括以下3 個方案。

1）方案1

在下臺階落底仰拱初支成環后實施第2 層支護，現場發現此時拱腰位置收斂已經較大，初支圓順性差，第1 層初期支護已經明顯弱化，此時已經失去了實施第2 層初期支護的時機。

2）方案2

在掌子面開挖后同時實施兩層初期支護，經實踐發現存在拱架安裝困難、噴射混凝土無法噴射密實、超前支護難以實施到位的問題。

3）方案3

第2 層初期支護滯后第1 層一定距離實施。

經反復試驗，最終確定采用方案3：第2 層支護滯后第1 層支護2.5~4.5 榀鋼架距離，即第2 層支護滯后掌子面3~5個循環，控制變形的實施時機最合適，實施難度相對較小，可做到第2 層支護與掌子面的第1 層支護同時立架、同時噴漿，第2 層支護施工時一次立架2~3 榀。

5.2 雙層初期支護參數

經試驗研究確定雙層支護主要參數：第1 層為HW175 鋼架（全環），縱向間距0.8 m/榀，第2 層采用I20 鋼架（拱墻）。為更有利于控制位移和應力，減少鋼拱架扭曲變形和噴射混凝土開裂，經分析確定第2 層鋼架與第1 層交錯布置[2]，接頭標高高于第1 層鋼架30 cm，下墊循環使用的支墊鋼凳確保不懸空；仰拱初期支護封閉成環施工時確保第2 層鋼架支撐受力。

5.3 施工工序流程

循環方式1：（1）上、中、下臺階機械開挖1 榀；（2）安裝3個臺階第1 層鋼架及網片鎖腳；（3）分層噴射混凝土。

循環方式2：（1）上、中、下臺階機械開挖及初噴1 榀；（2）安裝3 個臺階第1 層鋼架及網片鎖腳；（3）安裝3 個臺階第2 層鋼架及網片鎖腳2~3 榀；（4）分層噴射混凝土。

結合開挖初支穩定情況，以上兩種循環方式可按“方式1+方式2”或者“方式1+方式1+方式2”交叉進行。

5.4 實踐效果

采取雙層初期支護后最大累計沉降560 mm，最大累計收斂1 016 mm，換拱率仍高達54%。變形得到一定的控制，但仍然不滿足工程推進及安全管控的需要。

6 3（多）層初期支護技術

經進一步分析研究，現場提出了3 層初期支護的方案，并逐步實踐摸索。

6.1 關鍵工序確定

3 層支護的關鍵工序為第3 層的實施時機。經分析，如果參照第2 層初期支護施工工序施工第3 層支護，需要增加臺階長度，且工序復雜，不利于變形控制且施工組織難以快速實施。結合變形過程分析，在按雙層支護順序2 層支護施工完成后，在下臺階按長度6 m 的循環長度實施第3 層支護。

6.2 3 層初期支護參數

第1 層、第2 層初支鋼架均采用全環HW175 型鋼，間距為0.8 m。

第3 層支護采用了兩種支護參數：一是采用拱墻I20 鋼架，間距0.8 m；二是采用拱墻鋼筋噴射混凝土結構。

6.3 應力釋放0#支護方案

在曼么小寨-加布托斷層影響核心區段30 m，采用了0#支護方案。采用單層初期支護（即0#支護），在不坍塌的情況讓其變形充分釋放壓力，施工完成10 m 作為一個段落，再按照3 層初期支護方案重新進行開挖支護。0#支護起到超前洞室釋放壓力的作用[3]。

6.4 配套措施

6.4.1 開挖

隧道洞身開挖確定采用機械銑挖開挖，短臺階快速封閉施工方法。根據開挖斷面合理確定臺階高度、長度，上臺階高度3.9 m，長度按5 m 控制；中臺階高度3.3 m，長度5 m，左右錯開2 榀鋼架；下臺階高度為3.5 m，左右錯開2 榀鋼架；仰拱初期支護開挖高度2.34 m，仰拱初支距離掌子面不得超過20 m。開挖預留變形量按130 cm（包括第2、3 層空間）控制。

6.4.2 超前支護

考慮到受斷層影響，巖體破碎，層間結合極差，為避免掌子面溜坍、超挖嚴重，確保現場施工安全，一般地段采用φ42 mm 小導管作為超前支護措施，局部地段采用φ108 mm大管棚+φ42 mm 小導管超前支護方案。

6.4.3 大鎖腳

為避免各工序轉換過程中初期支護變形過大，第1 層鋼架上、中、下臺階左右側均設置2 根φ76 mm 鎖腳錨管進行加強，每根長5 m；第2 層鋼架上、中、下臺階左右側均設置2 根φ42 mm 鎖腳錨管，每根長4 m。內外層鋼架鎖腳錨管均采用M20 水泥砂漿對鎖腳錨管進行注漿加固鎖腳基礎。

6.4.4 監控量測

初期支護監控量測頻率≥2 次/d，并詳細做好數據記錄。施工中結合變形速率、施工進度等因素，當變形量達到或接近控制基準時，采取補強措施或調整第3 層初期支護施工時機。

6.4.5 實踐效果

本隧道3（多）層初期支護措施得到順利實施，第3 層支護累計最大變形量8.5 cm，控制變形效果明顯，降低了安全風險，避免了換拱施工，平均月進尺達到39 m，有效解決了工期問題，景寨隧道安全貫通。

7 結語

景寨隧道斜井正洞采用3（多）層初期支護技術，有效緩解了大變形，保證了景寨隧道的安全貫通。在實踐過程中摸索出合適的施工工序，形成了以多層初期支護為主并加輔助措施與配套工法的控制變形綜合方案。雖屬被動控制措施，但效果明顯，對類似工程具有一定參考價值。