高原鐵路隧道軟巖大變形施工技術研究

高云龍 GAO Yun-long

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

高原隧道因其海拔高、地質條件差的特點，在洞身開挖過程中，極易出現高地應力軟巖大變形，如果處理不當，則會出現初期支護變形、二襯開裂等問題，嚴重影響施工安全、質量及進度，增加施工成本。根據諸多大變形隧道施工所造成的安全、質量教訓，在隧道建造各階段，均應妥善處理隧道軟巖大變形問題，并應通過合理的施工技術措施安全度過大變形段落施工。[1]

本文依托高原地區高原鐵路某隧道，對高地應力軟巖大變形施工技術進行研究，并重點分析了主要施工工藝，形成了一套綜合施工技術，可為今后類似工程的施工提供一定的參考和經驗。[2]

1 工程概況

高原鐵路某隧道最大埋深1185m，正洞7960m存在大變形（輕微2940m+中等3170m+強烈1750m+極強烈100m）；貫通平導6648m存在大變形（輕微1970m+中等2828m+強烈1750m+極強烈100m），1號橫洞610m存在大變形（輕微510m+中等100m），2號橫洞670m存在大變形（輕微170m+中等400m+強烈100m）。

2 變形等級劃分

結合設計圖紙說明，綜合相關規范及鐵路施工經驗，暫將軟巖大變形分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級等四個等級，見表1。施工階段根據掌子面圍巖特性及變形特征調整，并對支護體系的適應性進一步評判，動態調整設計。[3]

表1 軟巖變形等級劃分標準

3 主要施工技術[4-5]

大變形地段采用微臺階法（輔助坑道或大型機械化配套作業面）、臺階法開挖（大型機械化配套作業面或基本機械化配套作業面）、三臺階法開挖（基本機械化配套作業面），采用玻璃纖維錨桿、掌子面噴射混凝土加固掌子面，洞內中管棚、超前小導管進行超前支護。開挖后及時采取加大錨桿密度、施做長錨桿、注漿等措施，加固圍巖使加固圈形成自然拱，提高整體強度；增大預留變形量，配合平導超前等輔助方案，達到允許變形、控制變形、利用變形的目的。當以上方法不能控制控制圍巖變形時，考慮雙層拱架支護，通過試驗段確定支護參數。

3.1 掌子面預加固

掌子面噴射厚度為3cm的混凝土進行封閉，上半斷面采用Φ25全螺紋玻璃纖維中空注漿錨桿加固，錨桿長度9m，循環搭接長度不小于3m。錨桿間距為1.2m×1.2m（1.8m×1.8m），梅花型布設，布置在上臺階，掌子面支護示意圖見圖1。

圖1 掌子面支護示意圖

3.2 超前加固

3.2.1 中管棚加固

中管棚采用Φ89、76、60熱軋無縫鋼管，壁厚5mm，長度9m，每5.4m/6m施做一循環，搭接長度不小于3m，施做范圍144°，環向間距0.4m，外插角一般不大于10°，根據實際情況作調整，超前中管棚施工示意圖見圖2。

圖2 超前中管棚施工示意圖

3.2.2 小導管

小導管采用42無縫熱軋鋼管制成，在前部鉆注漿孔，孔徑6～8mm，孔間距10～20cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長度不小于30cm，作為不鉆孔的止漿段。注漿壓力一般不大于1MPa，具體漿液配合比和注漿壓力由現場實驗確定。當單排小導管不能滿足施工要求時，考慮采用雙層小導管。長度為3～5m。具體支護方式通過參建各方現場確定。

3.3 開挖方法

3.3.1 微臺階法開挖

經超前預加固措施后，采用微臺階法施工。上臺階長度3～5m。一次開挖進尺一榀鋼架間距。仰拱一次開挖進尺不大于3m，微臺階法施工工序見圖3。

圖3 微臺階法施工工序

3.3.2 臺階法開挖

隧道兩臺階法施工臺階長度及高度應根據掌子面自穩能力合理確定，臺階長度宜為3～8m，上臺階高度宜為設計斷面高度的1/2～2/3；開挖時應根據圍巖自穩能力控制循環進尺；采用控制爆破、弱爆破（或機械開挖），并控制一次同時起爆的炸藥量，減小爆破振動對圍巖的影響；臺階形成后，各部位可同步推進，隧底宜與下臺階同步施工，實現初期支護盡早封閉成環；宜配置大型專業施工機械設備，提高設備配套水平。

3.3.3 三臺階開挖

開挖過程中地質特別差，自穩時間短，支護變形快、變形大、變形時間長。針對這一難點，結合隧道斷面大小、形狀，一般選擇三臺階法，三臺階施工工藝示意圖見圖4。

圖4 三臺階法施工工藝圖

3.4 型鋼拱架強支護、鎖腳錨管加強

初期支護按照設計要求采用工字鋼或H型鋼進行加強支護。結合設計等級，根據超前地質預報結果及圍巖量測情況，通過施做試驗段，確定支護和工藝參數。拱架間距0.5～1.0m。拱腳設置長錨桿（管）加強支護，鎖腳錨管設置一般采用4～5m長、直徑Φ42mm無縫鋼管；鎖腳錨管也可采用Φ32自進式錨桿，錨桿長度6～8m；增加鎖腳數量，可每各拱腳設置2組（4根）不同角度、不同深度、不同形式的鎖腳錨桿（管），鎖腳錨管采用鎖腳環與鋼架連接。

通過施工過程的圍巖量測，結合設計支護參數，在加強原有單層支護無法滿足支護變形控制要求時，可采用雙層鋼架支護形式進行支護，鋼架間距0.6m，第一層鋼架采用I22b型鋼鋼架，第二層鋼架采用I20b型鋼鋼架。上臺階開挖后根據量測數據結果及時施工第一層鋼架，并設置臨時橫撐，臨時橫撐采用I18型鋼。

3.5 讓壓錨桿

在嚴重大變形段采用讓壓錨桿對圍巖進行支護，讓壓錨桿長度8～10m。在保持支護結構穩定、能提供其較高支護約束變形能力的條件下，允許其隨圍巖變形產生一定的位移量以釋放大部分圍巖壓力，待讓壓量釋放完成后，支護結構可隨變形而持續承載、直至變形收斂。讓壓錨桿見圖5。

圖5 讓壓錨桿

3.6 徑向注漿補強

支護成環后，對周邊圍巖進行注漿加固。加固注漿采用后設徑向鉆孔進行，鉆孔深度1.5～5m，注漿材料采用水泥，徑向注漿補強見圖6。

圖6 徑向注漿補強

3.7 增設吸能橡膠板緩沖層

在初支與防水板之間設5cm厚吸能橡膠板，防止二襯混凝土在形成強度前承受壓力造成破壞，吸能橡膠板緩沖層見圖7。

圖7 吸能橡膠板緩沖層

3.8 合理的二襯施作時機

二次襯砌對于控制高地應力軟巖隧道變形具有明顯的作用，從控制變形角度來說，二次襯砌施作越早，對控制變形越有利，但同時二次襯砌受力也越大，易導致二次襯砌開裂破壞。軟巖隧道變形具有變形大、變形持續時間長等特點，根據軟巖具體變形特點，確定合理的二次襯砌施作時機對軟巖大變形隧道至關重要，既要圍巖釋放一部分自由變形，防止圍巖壓力過大破壞二次襯砌，又要控制變形過大導致支護失穩破壞。施工過程中，依據監控量測為依據，反饋設計院，由設計院確定試驗段，通過試驗段，合理確定二襯在不同工況下的施作時間。

3.9 超前地質預報

由于本風險段地質復雜，施工存在軟巖大變形。對地質進行超前探測，作出準確的預報是施工的重點及關鍵。隧道施工過程的地質超前預報預測，主要是根據地表和已經開挖的隧道的地質調查和各種探測方法取得的資料，以及地質推斷法預測開挖工作面前方一定長度范圍內圍巖的工程地質條件，本風險段采取地質調查法、物探和鉆探方法。

4 結論與建議

遵循“主動加固、分級控制、強化支護”的基本原則，“快開挖、快支護、快封閉”的理念，“快支護”開挖后及時封閉巖面，盡快施作噴錨網等支護措施，防止高地應力軟巖長時間暴露產生更大變形，并根據監測數據動態調整支護參數。“快封閉”支護結構盡快封閉成環，在最短的時間發揮最有效的作用。

針對隧道不良地質實施專項設計，通過采用優化洞形、長錨桿（索）主洞支護（或長短錨桿結合）、高性能（鋼）纖維混凝土、鋼架配合、大斷面施工、專用機械配套等措施，實現施工的“快挖、快支、快封閉”，達到有效控制變形的目標。