滇西紅層軟巖大變形隧道施工技術研究

張圣強

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

紅層系指侏羅紀到新近紀的陸相紅色巖系，在我國西南和中南地區(qū)分布較廣，其巖石多屬于軟巖類別，具有膠結性和穩(wěn)定性差、易崩解軟化的特點[1]。隨著地下工程建設快速發(fā)展，紅層工程地質特征及其對工程建設影響受到越來越多專家學者關注和研究。

何盛[2]等通過試驗分析，對滇中紅層軟巖的地質特征、物質組成、物理力學特征、水理特性及變形特征等進行深入研究，表明紅層軟巖具有抗壓強度低、隨黏土礦物及泥質含量增加其物理力學性質逐漸降低等特性。胡學濤[3]、莫奎[4]通過調研、理論分析、室內試驗和數(shù)值模擬方法，較系統(tǒng)研究了川渝地區(qū)紅層力學特性和圍巖開挖力學響應。徐前衛(wèi)[5]等以南華一號隧道為案例，通過現(xiàn)場調研和監(jiān)控量測并結合數(shù)值模擬等方法，分析隧道失穩(wěn)斷面的變形及應力特征，提出局部布置錨桿、局部圍巖注漿加固、施作鎖腳錨桿等控制措施解決了施工過程中出現(xiàn)的局部失穩(wěn)、大變形問題。代超龍[6]等以萬達高速天坪寨隧道為依托，采用塊體離散元方法對初期支護結構進行優(yōu)化研究。劉明[7]等對紅層軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性及支護時機進行了研究。胡志強[8]研究了中管棚鎖腳臺階法施工技術應用。張強[9]、李小坤[10]等分別對紅層地區(qū)涌突水、隧道變形開裂及處治措施進行深入研究。此外，朱廷宇[11]、陳國中[12]等對紅層軟巖隧道從掘進機械和不同工法進洞等方面開展研究。以上廣泛研究對解決紅層地質工程施工安全質量控制難題具重要指導和借鑒意義。

本文以大瑞鐵路杉陽隧道為背景，對施工中存在的突出問題展開分析，針對性地提出了一系列解決實際問題的工程技術措施，為同類隧道施工提供借鑒。

2 滇西紅層隧道施工難題

2.1 工程概況

杉陽隧道全長13.39 km，地處滇西，怒江、金沙江、瀾滄江三江并流之地，地質運動頻繁，構造多，地質復雜。隧道大部分段落穿越“滇西紅層”的軟質巖，其特點是“遇水成泥、遇風則化”。圍巖斷層、褶皺及節(jié)理裂隙發(fā)育，受區(qū)域大構造影響，整條隧道不良地質10處，其中斷層5處，巖體被強烈擠壓破碎，施工安全、工期風險高。

杉陽隧道主要不良地質為斷層破碎帶、高地應力，特殊巖土為石膏、膨脹巖土，地下水發(fā)育，日最大涌水量達9 000 m3，容易形成掌子面突泥涌水等地質災害。斷裂構造發(fā)育，多條區(qū)域性斷層與線路相交，多為斷層角礫、碎石土，無膠結或膠結差。整條隧道含石膏地層段落3 811 m，該地層巖體疏松、軟硬不均、強度低，具有膨脹性。膨脹巖土主要為侏羅系上統(tǒng)壩注路組泥巖夾砂巖，為弱膨脹巖。巖層破碎易風化、遇水成泥，施工難度大。

隧道圍巖主要為砂巖、泥巖或砂泥巖互層。砂巖為硬質巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層較為破碎，層間結合差；泥巖以薄層為主，呈土狀，泥質膠結，易風化崩解、遇水成泥，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場圍巖

杉陽隧道所屬區(qū)內地下水以土層孔隙潛水、基巖裂隙水和構造裂隙水為主，其中基巖裂隙水、構造裂隙水豐富。杉陽隧道地溫達到28℃以上，整條隧道高地溫段落達2 900 m，最高地溫達34℃。

2.2 擠壓型大變形

隧道地應力過大，而圍巖強度過低，經常發(fā)生擠壓型大變形，施工過程中易發(fā)生鋼拱架彎曲變形、噴射混凝土剝落，造成初支變形侵限，如圖2所示。

圖2 鋼拱架扭曲變形

初支變形侵限多發(fā)生于泥巖地段，初支完成后，圍巖收斂變形不明顯，但隨著掌子面向前掘進，爆破作業(yè)對已施工部位造成擾動。施工完成約一周后，圍巖收斂加劇，每天最大變形量高達16 cm，侵限量局部高達60 cm，邊墻初支混凝土開裂，局部出現(xiàn)滲水，如圖3所示。

圖3 圍巖收斂監(jiān)控實測曲線

2.3 仰拱隆起

泥巖地段，平導底板受力過大，施工過程中極易造成平導底板(仰拱)隆起。平導底板原設計為20 cm厚的素混凝土，部分泥巖地段底板(仰拱)出現(xiàn)混凝土折斷隆起，隆起高度達30～50 cm，嚴重影響施工安全質量，如圖4所示。

圖4 底板隆起與開裂

3 控制措施探討

3.1 隧道斷面優(yōu)化

針對杉陽隧道圍巖破碎、裂隙水發(fā)育、圍巖變形大等問題，需動態(tài)優(yōu)化設計方案。從支護結構受力更加合理的角度出發(fā)，將杉陽隧道設計斷面邊墻由直墻優(yōu)化為曲墻，減少初支變形侵限，降低了換拱頻率，加快了施工進度。隧洞斷面優(yōu)化如圖5所示。

圖5 隧道斷面優(yōu)化(單位:cm)

3.2 降低圍巖擾動，控制開挖輪廓

采取鉆爆法開挖過程中，部分段落圍巖破碎、強度低、層間結合差，開挖輪廓控制難度大。針對這種情況，提出爆破參數(shù)優(yōu)化方案，研究了不同圍巖下周邊眼炮孔最佳間距和周邊眼裝藥量。結合現(xiàn)場經驗，提出了周邊眼間隔裝藥措施，如圖6所示，黃色炮孔裝藥，藍色炮孔不裝藥，可大大減少因隧道爆破對圍巖造成的擾動，也減少了隧道開挖超挖量，縮短了噴射混凝土的時間，提高了施工效率。

圖6 爆破參數(shù)優(yōu)化

3.3 平導臺階參數(shù)調整

采用臺階法開挖過程中，最初設計方案上臺階開挖高度為2.1～2.3 m(便于工人鉆孔操作)。通過監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)，下臺階開挖后初期支護變形開始急劇增大，尤其是拱墻結合部位變形較大。

通過對支護結構受力進行現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)直邊墻受力最大，為初期支護強度最薄弱處。通過將上臺階開挖高度優(yōu)化為2.8～3.0 m，改善上臺階整體受力狀況，降低了上下臺階連接處支護變形風險。

3.4 機械化施工

在掌子面圍巖為遇水軟化的泥巖、全風化的砂巖時，將爆破施工變更為機械開挖。將挖掘機斗換為勾頭配合銑挖頭作業(yè)，挖掘機在下臺階處開挖掌子面圍巖，每次開挖一榀，如圖7所示。

圖7 隧道掘進機械

機械開挖可減少對周邊圍巖擾動，對控制圍巖變形能起到一定效果，同時可有效降低超欠挖現(xiàn)象，縮短噴錨支護時間。

3.5 高地應力圍巖支護參數(shù)優(yōu)化

施工過程中，對于具有膨脹性、遇水成泥的圍巖、裂隙水較發(fā)育地段，按照原設計方案支護參數(shù)進行初期支護，后期圍巖因遇水膨脹引起的高地應力仍會引起鋼拱架扭曲變形，初支侵限嚴重，安全風險巨大。針對這種情況，通過施工過程總結，從以下兩個方面進行設計優(yōu)化，以減小初支變形。

(1)加強鋼拱架剛度

施工過程中及時調整支護參數(shù)，增大拱架剛度，同時縮短拱架間距，增加鋼拱架混凝土支墊，用角鋼代替鋼筋加強鋼架縱向連接，采用擴大拱腳法以防止拱架下沉；在隧道兩側邊墻增加長徑向錨桿，拱部采用雙排超前小導管，針對拱頂及掌子面圍巖不穩(wěn)定或掉塊情況增加鋼筋網片，必要時掌子面噴射混凝土封閉，邊墻增加超前水平小導管等方式減小初支變形。

(2)加大仰拱曲率

通過分析底板(仰拱)隆起原因，研究了不同仰拱曲率對隧道仰拱隆起的影響，以彎矩、剪力、軸力、安全系數(shù)及仰拱隆起變形量等指標來評判仰拱曲率的合理性，得出最佳仰拱曲率以應對施工中發(fā)生的仰拱底鼓病害問題，如圖8所示。

圖8 不同仰拱曲率

隨著仰拱曲率的增大，仰拱的安全系數(shù)逐漸增大，最后趨向于一個穩(wěn)定值；當仰拱半徑大于4.5 m時，仰拱的豎向位移有較大程度增大；當仰拱半徑大于6 m時，其豎向位移趨向于穩(wěn)定。仰拱半徑過小對結構整體性并不合理，同時也會增加造價、增減施工難度。

綜上分析，針對此段仰拱開裂段，仰拱半徑可考慮采用4.0 m，且應在原有設計結構強度上加強支護參數(shù)。

4 結論

通過以上技術措施的應用，有效控制了隧道施工的安全風險，保障了本工程建設質量和進度。通過本工程實踐總結以下四點經驗或建議，以期對今后類似工程有切實借鑒意義。

(1)曲墻斷面較直墻斷面受力更加合理，在泥巖膨脹地層采用曲墻斷面可以減少初支變形量，降低換拱頻率。

(2)擠壓型大變形隧道爆破施工應根據(jù)圍巖變化動態(tài)調整周邊眼炮孔間距和裝藥量，以降低隧道爆破對圍巖的擾動。

(3)臺階法施工時臺階高度不僅要考慮施工便捷性，還應綜合考慮支護結構受力的合理性，以防止下臺階開挖時初支結構受力不合理造成變形急劇增大。

(4)增大鋼拱架剛度、加強鋼拱架縱向連接、增加鋼拱架混凝土墊塊，可以有效減小初支變形；增大仰拱曲率，將素混凝土優(yōu)化為鋼筋混凝土，可增大仰拱安全系數(shù)，避免出現(xiàn)仰拱隆起現(xiàn)象。