軟弱圍巖大變形隧道施工技術探討

高錫俊

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855）

隧道作為鐵路網施工中主體結構之一，對縮短線路距離、改善運行條件等都具有突出作用。而我國地形條件復雜，在施工過程中常會遇到構造影響強烈、節理裂隙發育、擠壓和蝕變等地質條件，造成隧道在施工過程中圍巖出現大變形開裂，變形量大，變形速率高，變形持續時間長，嚴重影響施工質量和安全[1-3]。為此，超前掌握施工區域地質條件，采用科學合理的開挖支護手段對容易發生大變形區域進行控制，避免出現因地質條件影響隧道圍巖出現大變形、坍塌等，是保證隧道安全施工的關鍵[2，4]。

1 工程概況

某隧道位于山南市桑日縣境內，全長8 755 m，為單線隧道，共設置進、出口，1 號及2 號橫洞4 個工區，橫洞長度合計1 350 m，是川藏鐵路的組成部分。根據已有地質資料顯示，隧道施工區域內地質條件較為復雜，新構造運動較為強烈，節理裂隙發育，且巖層整體結構破碎，常有軟巖夾層，造成隧道圍巖的整體強度低，在施工過程中容易造成圍巖在擾動情況下發生變形，甚至發生塌方事故。

2 初期支護設計及變形

2.1 初期支護參數

根據隧道施工環境及所處地質條件，設計采用雙層初支及超前管棚支護方式，初期支護參數設計如下。

1）第一層初支拱部設Φ89 管棚，每環設29 根，每根長10 m，環向間距0.4 m，6.6 m/環，搭接3.4 m；超前支護采用Φ42 小導管，1.8 m/環，環向間距0.4 m，每根長3.5 m，共29 根；全斷面采用HW175 鋼架，縱向間距為0.6 m/榀（中至中）；相鄰鋼架采用HRB400Φ22 鋼筋連接，環向間距1.0 m，布置在型鋼鋼架內側共38 根；拱部采用Φ22 中空組合錨桿，每榀設8 根，每根長6 m；邊墻采用Φ32 自進式錨桿，每榀設10 根，每根長10 m；仰拱采用Φ32 自進式錨桿，每榀設7 根，每根長6 m；環縱向間距1.2 m×0.8 m。錨桿均采用徑向方式設置。拱腳及墻腳處Φ42 鎖腳錨管，每根長4.0 m，設置于連接板上0～30 cm 左右，每榀鋼架設16 根Φ42 鎖腳錨管。采用C30 噴射混凝土，設計噴射厚度為25 cm。預留沉降量40 cm。

2）第二層初支全斷面設I20b 鋼架，縱向間距為0.6 m/榀（中至中）；相鄰鋼架采用HRB400Φ22 鋼筋連接，環向間距1.0 m，布置在型鋼鋼架內側共34 根。采用C30 噴射混凝土，設計噴射厚度為27 cm。預留沉降量20 cm。

二次襯砌參數：襯砌主筋內、外層均為HRB400Φ25螺紋鋼筋，縱向間距20 cm；縱向分布鋼筋內、外層均為HPB300Φ12 光圓鋼筋圓鋼，環向間距25 cm；箍筋為HPB300Φ10 光圓鋼筋，環向間距20 cm，縱向間距25 cm；襯砌拱部、邊墻、仰拱混凝土采用C35 鋼筋混凝土，厚60 cm。

2.2 圍巖特點及變形特征

隧道開挖后的碴土多呈碎塊狀，風化速度快，巖塊手掰易碎，巖體強度低。節理裂隙延伸性較好，傾角較陡，結構面具鐵錳質侵染，可見擦痕。受節理裂隙切割組合，易形成不穩定塊體，圍巖自穩能力差。開挖面擠出變形及收斂變形大，拱頂易發生坍塌掉塊。支護封閉后，有明顯擠壓性變形，收斂變形量大于拱頂下沉量，支護混凝土表面產生嚴重的薄殼、開裂，嚴重地段HW175 鋼架扭曲變形和如圖1 所示。

圖1 隧道開挖后圍巖變形圖

自2017 年4 月25 日起，DK169+025 處開始出現變形，DK169+025～DK169+273 均存在不同程度變形，尤以DK169+070～DK169+125 段最為突出，主要表現為初支砼開裂，拱部裂縫呈縱向展布，最大開裂縫寬達26 mm，鋼架扭曲變形甚至出現接頭直接斷裂的情況，侵線嚴重。DK169+025～140 段換拱前初支出現較大的圍巖移動，其中移動最為明顯區域位于DK169+122處，該位置從開挖至換拱合計70 d 左右圍巖發生的移動量達到了3 353.2 mm，并且左右兩幫移動量存在較大差異，差異量約330 mm。圍巖發生最大下沉的位置位于DK169+125 處，該位置從開挖至換拱合計70 d 內圍巖發生的下沉量達到近700 mm。根據隧道圍巖發生移動和沉降現場實測數據分析，隧道圍巖移動和下沉速率存在較大差異，圍巖變形主要集中在隧道開挖的最初幾天，隨著時間推移變形速率逐漸變小，而在開挖中下臺階時速率明顯加大；在對隧道進行鋼架和長錨桿支護過程中，隧道沒有發生較大的變形，而支護后開挖仰拱，隧道變形速率加劇，并且會出現1 次明顯變形；仰拱封閉后減緩趨勢，但沒有終止。

3 軟巖大變形控制技術

軟巖大變形段隧道施工，概括為超前預判、過程管控和施工后監控等。即對隧道施工區域的地質情況進行勘探分析，超前做好地質預報預判，根據地質預報預判及時調整和優化隧道施工設計，并對隧道可能出現的圍巖變形情況進行預測分析，在隧道施工過程中做好圍巖變形的監測，根據監控量測數據采取相應的支護措施，盡量減小初支變形，防止侵限，保證隧道施工安全。

3.1 超前地質預報

采用超前地質鉆探、隧道地震波預報勘探（TSP）和地質雷達方法及其他加深炮孔、掌子面地質素描等預判掌子面前方圍巖情況，復核設計，對預留變形量進行預測和分析，開挖時留足變形量，通過地質預報預測和分析，將預留變形量從原來3 cm 調整為60 cm。

3.2 超前支護

采用Φ89 中管棚和Φ42 超前小導管交錯配合施工超前支護。

1）洞身設計Φ89 長管棚，每環根數29 根，單根長10 m，縱向間距與鋼架間距匹配，縱向間距6.6 m，搭接長3.4 m。管棚導管選用Φ89×6 mm 熱軋無縫鋼管，環向間距40 cm，施工范圍為上臺階拱部140°，外插角10°～15°，施工誤差控制在徑向孔距±150 mm，孔深±50 mm。

2）超前小導管配合中管棚進行超前支護施工，每進尺三榀鋼架間距即1.8 m，打設一環Φ42 超前小導管，在型鋼腹板上設置孔位，孔間距0.4 m，超前小導管每環打設29 根，長度為3.5 m。超前小導管選用外徑42 mm、壁厚3.5 mm 的熱軋鋼花管，施作范圍為拱部140°，外插角為10°～15°。

3.3 支護參數調整

原設計Ⅲ級Ⅲa復合式襯砌，噴射C25混凝土厚8 cm，局部掛Φ6 鋼筋網，拱部設Φ22 組合中空錨桿，每根長2.5 m，每米5.67 根，邊墻設Φ22 砂漿錨桿，每根長2.5 m，每米5.33 根。根據地質預報預測和分析，以及現場實測結果，將大變形段支護設計變更為V 級Ⅲ型大變形段支護參數，見表1。根據隧道圍巖變形實測資料，仰拱初期支護與整體隧道形成支護網后開始對隧道圍巖進行變形監測，設定變形閾值為150 mm，根據監測結果，如果變形量達到閾值，及時進行仰拱襯砌及仰拱填充施工，為了達到充填效果，填充施工必須嚴格按照設計進行。具體要求：根據變形區域及變形量施工長度保持在6～12 m，為了防止仰拱襯砌持續變形或者發生明顯變形，采用C35 鋼筋砼，環向主筋采用Φ25 螺紋鋼，間距200 mm；采用C20 砼進行分層澆筑填充。加強支護和填充完成后，持續進行監測，待監測數據顯示圍巖發生變形處于基本穩定狀態后進行。變形基本穩定的評判條件為：①圍巖變形速率較初期發生明顯下降且速率處于平穩狀態；②持續在1 周以上圍巖水平方向變形量小于0.2 mm/d、頂部圍巖沉降速率小于0.15 mm/d；③或根據實測數據統計，圍巖發生的累計變形量已經達到設定極限量的0.8 倍以上；④如果圍巖塑性變形造成圍巖表面發生裂縫，需要對裂縫進行持續觀察，裂縫不再繼續發生延伸、擴大，同樣可以作為變形穩定條件。如果加強支護后圍巖變形仍舊難以控制或者圍巖持續變形，應當提前進行2 次襯砌，主動強化應力作用。

表1 變更為V 級Ⅲ型大變形段支護參數

3.4 施工工藝調整

未更改設計前臺階施工采用兩臺階法，造成2 個臺階延伸距離較長，從開挖到仰拱封閉，再到二襯混凝土澆筑，需要40 m 左右的距離，且施工工期較長，需要近4 個月的時間。在長時間內，隧道圍巖變形處于持續發展階段，導致圍巖變形量持續加大，進而侵入2 次襯砌。為了重新對圍巖進行加強支護，必須拆換初期支護，從而造成巷道支護的惡性循環。為此，通過綜合分析和圍巖變形預計分析，縮短三臺階的長度，仰拱到開挖面的距離調整到25 m 以內，如圖2 所示。

圖2 臺階法施工工序橫斷面示意圖

1）將原二階臺階開挖，縮短為上、中和下三臺階開挖，首先開挖上部（①部），并對上部臺階進行圍巖初期支護，施做下1 循環超前支護（僅適用于有超前支護情況）。

2）架設①部臨時橫撐（根據監控量測數據必要時設置）。

3）在滯后①部5～10 m 后，開挖②部，施做邊墻初期支護。

4）在滯后②部10～15 m 后，開挖③部，施做隧底噴混凝土。

3.5 監控量測

結合《鐵路隧道監控量測技術規程》，制定大變形段相應的主要監控監測項目及要求標準，主要包括現場觀察、拱頂下沉及水平收斂測量、現場應力測試等內容。拱頂下沉及水平收斂測量主要采用全站儀非接觸法，分別在拱頂、隧道圍巖水平對應布設2 個測點，斷面間距小于5 m，根據臺階數進行適當加密，定期對點位進行觀測，對比分析。隧道圍巖應力監測主要采用埋設壓力盒、測力錨桿等方式，并將數據及時反饋和分析，從而對原有設計支護方式進行優化調整。除此之外，對所有監測數據進行綜合全面分析，對不同施工階段、圍巖支護的不同時間段、圍巖變形率發生明顯變化的不同節點等特殊時期數據進行對比分析。

4 大變形隧道開挖安全保障及質量控制

4.1 安全保障

1）針對軟弱大變形圍巖隧道施工，三臺階法施工必須嚴格按照相關設計要求、施工流程和操作規程等進行施工，嚴禁越級違章施工。

2）嚴格把控隧道支護，做到超前預判、過程把控，嚴禁類似二級臺階距離過長造成施工時間跨度大等問題的出現。

3）堅持以人為本的安全施工原則，軟弱大變形圍巖隧道施工，更應做好人身防護和安全逃生等工作，必須在掌子面附近設置安全逃生管道，能夠滿足在發生塌方等事故的時候逃生管道能夠支撐塌方應力作用強度。具有足夠逃生空間，利于逃生。

4）為了獲取準確的監測數據，建議設定專門的監測監控團隊，且選擇經驗豐富、技術能力過硬的專業技術人員進行日常監測監控，并堅持以監測數據為依據指導施工的原則，確保隧道施工安全。

4.2 質量保障措施

1）圍巖松散破碎，為防坍塌掉塊，必要時預留核心土法。

2）開挖工法采用兩臺階法，按較短臺階開挖，上臺階每循環進尺不超過1 榀鋼架間距0.6 m，開挖后組織初噴作業進行封閉。下臺階開挖左右交錯，錯開距離必須保證3 m 以上，1 次開挖進尺不超過2 榀鋼架間距，控制一次擾動變形。

3）上臺階臨時橫撐必要時盡快施作，封閉成環。

4）第二層鋼架與第一層鋼架錯開設置，確保初支拱架整體穩定性，型鋼鋼架腳支墊槽鋼或鋼板。第二層鋼架支護完成后，進行仰拱開挖施工封閉成環。為增加鋼架縱向抗扭強度，可根據鋼架變形情況，若第一層鋼架扭曲嚴重，為增加鋼架縱向連接，可考慮在鋼架之間增設縱向連接槽鋼，槽鋼型號為28a，每環共5 根縱向連接槽鋼，設置于拱墻A、B 單元中心。

5）拱架作為主要支護承重結構，現場施工應確保噴砼面的平順度、鋼架的圓順度及鋼架接頭施工質量。

6）網片必須與巖面密貼。

7）嚴格控制錨桿施工鉆進深度、角度。錨桿注漿施工，必須現場值班記錄。利用專業錨桿機械設備進行10 m 長Φ32 自進式長錨桿施工，確保施工質量。

5 結束語

在前期施工中由于初期支護大變形，經常出現鋼架扭曲、侵限，而頻繁拆換鋼架，月施工進度平均不到15 m，最大進度達到15 m。通過不斷分析和探索，多次調整施工工藝、支護參數等，并控制仰拱封閉時間和距離等，初步摸索出了1 套適合該種地質條件的施工方法。實踐證明，采用“超前支護、短進尺、早封閉、快成環、長短錨桿結合徑向注漿加固洞身圍和放抗結合”等措施，施工效果明顯改觀，施工進度也有所提高，后來施工進度最高可達到每月30 m 的好成績。