高原隧道斜井軟巖大變形控制及監測

賴 標

北京鐵城工程咨詢有限公司 北京 100855

在高原隧道斜井施工中經常會遇到軟弱圍巖問題，承載力比較差，會對施工安全構成嚴重威脅。此時就需要采取有針對性的方法和措施進行處理。傳統處理方式為錨桿支護，或者是灌漿支護。雖然也可以起到加固圍巖的作用，但加固的范圍和深度有限，難以實現對軟巖大變形的控制。高地應力軟巖隧道（輔助坑道）應重視措施的時效性，圍巖加固及支護措施應及時施作，初期支護應盡早封閉成環。選取恰當的施工機械，達到“快挖、快支、快封閉 ”的施工目標，減少人員投入，降低安全風險。按照隧道不同地段地質結構條件的不同，采取有針對性的控制措施，是控制軟巖大變形的主要方法。高原隧道2號斜井軟巖大變形控制中 X2DK0+915～+895 段采用FBXSYⅡ-1 型措施、X2DK0+895～+875段采用FBXSYⅡ-2型措施、X2DK0+875～+855 段采用FBXSYⅡ-3 型措施，取得良好的控制效果，可為類似工程施工建設提供參考和指導。

1 工程概述

高原隧道2號斜井位于線路前進方向左側，全長1600m，洞口海拔約3650m。高原隧道2號斜井采用雙車道無軌運輸，凈空斷面尺寸為7.5m ×7.5m（寬×高），縱坡坡度9.57% ，最大埋深約350m。隧區屬構造剝蝕、侵蝕中高山峽谷地貌，地面主要高程為3640～3930m，相對高差為290m。洞口段為第四系全新統殘坡積（Q4dl+el ）粉質黏土、角礫土，洞身主要穿越下伏第三系熱魯組（E2-3r ）磚紅色、紫紅色復成份礫巖、含礫不等粒鈣質巖屑砂巖、砂礫巖、砂巖組合。

2 高原隧道斜井的施工條件

就案例工程而言，掌子面里程在X2DK0+920區段內，埋深比較大達到298m，現已掘進680m，通過分析開挖揭示圍巖發現本區段內主要為軟巖，包括碳質板巖、絹云板巖、千枚巖等。這些軟巖有局部存在于破碎的灰巖地層中，受到附近構造的擠壓影響，巖體破碎較為嚴重。在進行掌子面開挖施工中局部出現了嚴重的掉塊現象。按照監控量測的結果，高原隧道2號斜井目前井施作完成的X2DK0+945區段斷面邊墻最大變形速率為一天54.2mm/d，累計變形收斂值達到85.7mm。而X2DK0+950區段最大變形速率為一天內變形量大的37.5mm/d，累積變形收斂值為117.2mm。該斜井由于長期以來整體受到金沙江東界斷裂的影響，使得應力條件比較復雜，巖土破碎。針對目前高原隧道2號斜井掌子面揭示圍巖的情況，臨界深度達到213m，且當前埋深已大于臨界深度，相對變形量達到3%，變形速率則在每天15～30mm之間，因此，本區段圍巖存在輕微大變形的情況。

3 軟巖大變形控制措施

在進行高原隧道斜井施工中，為降低軟巖大變形對施工安全和質量造成不良影響，需要嚴格遵循“優化輪廓、主動加固、分級控制、強化支護”的原則。通過“快開挖”采用微臺階進行開挖，可有效避免對圍巖產生多次擾動；“快支護”開挖完成后，及時封閉巖面并盡快施作噴錨網等支護，以防軟巖長時間暴露形成的更大變形，并根據監測數據動態調整支護參數；“快封閉”即支護結構需盡快封閉成環，以便在最短的時間內發揮出支護成效[1]。

在具體施工中，需要結合實際情況合理調整支護方案和技術措施，在施工全過程中需要全面落實“寧強勿弱”的理念，制定出3段（X2DK0+915～855段，總長度為60m）支護措施參數，按照施作后的監控量測數據對支護措施進行有針對性的分析和調整，獲得了安全、有效、經濟的軟巖大變形控制措施[2]。本工程采用的支護措施如下：

X2DK0+915～+895段采用FBXSYⅡ-1型措施：噴射C30早高強纖維混凝土，噴射厚度為27cm，鋼架采用全環HW200型鋼鋼架，每隔0.8m布置一榀。上臺階鎖腳每處布置Φ42鋼花管（4.0m）×2+Φ25低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（5.0m）×2，下臺階鎖腳每處：Φ42鋼花管（4.0m）×2作為大變形支護的鎖腳。縱向連接時采用I14 鋼架連接，每環設置10處，隧道拱部錨桿采用Φ25低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（4.0m），邊墻錨桿采用Φ25低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（6.0m），錨桿間距為1.2m×0.8m（環向×縱向），鋼筋網采用全環φ8鋼筋網（20cm×20cm）。

X2DK0+895～+875段采用FBXSYⅡ-2型措施：噴C30早高強纖維混凝土，噴射厚度為25cm。鋼筋采用全環HW175型鋼鋼架，每隔0.6m布置一榀。鎖腳施工方式和FBXSYⅡ-1型控制措施相同，縱向連接時采用Φ22 鋼筋內、外側設置，環向間距1.0m。拱部錨桿采用Φ25 低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（4.0m），間距為1.2m×0.8m。邊墻錨桿采用Φ25低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（4.0m）+Φ32自進式錨桿（8.0m），間距為1.2m×0.6m。

X2DK0+875～+855段采用FBXSYⅡ-3型措施：噴C30早高強鋼纖維砼，噴射厚度為25cm 。鋼架采用全環HW175型鋼鋼架，按照每隔0.6m的間距布置一榀，上臺階鎖腳采用Φ42 鋼花管（5.0m）×2+Φ25 低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（5.0m）×2；下臺階鎖腳采用Φ42鋼花管（5.0m）×2，縱向連接時采用Φ22 鋼筋內、外側設置，環向間距1.0m；隧道拱部錨桿采用Φ25低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（4.0m）；邊墻錨桿采用Φ25低預應力樹脂卷中空注漿錨桿（6.0m），間距 1.2m×0.8m（環×縱）。

4 高原隧道斜井軟巖大變形監控量測方法

4.1 凈空變形監控量測

凈空變形監控量測是高原隧道斜井軟巖大變形監控量測的主要內容，監控量測的效果直接關系到整個隧道工程的總體施工效果。為保證隧道斜井凈空變形量測的準確性，需要將測點及時布置，測點初始讀數需要從開挖后的12h內來讀取。本工程斜井凈空變形量測斷面間距如表1所示。

表1 隧道斜井凈空變形監控量測斷面間距表

每個測點都應布置牢固，且容易識別進行妥善保管，隧道拱頂量測后視測點需要埋設在穩定的巖面之上，同時還要和隧道內部水準點之間建立起關聯。在每個測點量測中要選擇精度經過檢定，性能可靠，使用便捷的測量儀器設備。比如在進行拱頂下沉量測施工中，每個斷面上都要布置1～3個監測點，采用水準儀+水準尺+掛鉤鋼尺的方法進行聯合檢測，在條件允許的情況下，周邊位移可采用非接觸監測儀進行量測。在進行錨桿、圍巖內部變形量測中可采用單點、多點式錨頭聯合傳遞桿進行量測[3]。為降低監控量測難度，提升精度，應保證隧道拱頂下沉測點、凈空變化測點、圍巖內位移測點布置在同一個斷面中，具體的監控量測斷面布置圖如圖1所示。

圖1 變形監測斷面測點、測線示意圖

凈空變形監控頻率需要嚴格按照表2中的規定來執行，并且應不低于《鐵路隧道監控量測技術規程》（Q/CR9218-2015）中的相關規定，具體如表2所示。

表2 按位移速度確定的監控量測頻率表

4.2 隧道圍巖深部位移監測

為更加有效的掌握高地應力軟巖大變形地段隧道襯砌結構的變形規律，需要先了解和掌握隧道周邊深部圍巖的變形隨著時間和空間的發展變化規律。主要在全部滿足基本監控量測要求的基礎上，對隧道周邊深部圍巖進行有針對性的監控量測，從而全面掌握深部圍巖變形隨著時間和空間變化的規律，得到隧道斜井結構變形和圍巖深部變形之間的內在聯系，為初期支護、二次襯砌等提供真實有效的決策。為保證監控量測結果的準確性，不同變形等級圍巖深部變形監測孔深度需要按照15m來考慮，而位移監測點則可以按照5m來布置，具體的檢測孔深度、間距、個數等可按照隧道斜井的實際變形量進行有針對性的調整，本工程監控量測斷面按照圖2所示進行布置。

圖2 圍巖深部變形監測斷面測點、測線示意圖

在進行隧道斜井圍巖松動圈測試中，可采用雙孔監測法，每組布置2個鉆孔，但要保證兩個鉆孔相對平行，一個鉆孔內安裝發射傳感器，另一個鉆孔內在相應的深度位置安裝接受傳感器。鉆孔的深度需要按照所測區域的實際進行合理調整，但深度必須保證大于圍巖松動圈，按照類似工程施工成功的經驗，鉆孔長度取8m，每組兩個鉆孔之間的間距控制在50cm左右，邊墻位置鉆孔需要向下適當傾斜2°～3°。

4.3 隧道斜井支護體系力學行為監測

隧道斜井支護體系力學行為監測的主要內容是在軟巖大變形地段隧道施工中，對支護結構體系的相對穩定狀態進行監測，以便充分了解和掌握支護結構體系的可靠性，最大限度上確保隧道施工的安全性，以及隧道整體結構的長期穩定性。隧道斜井支護體系力學行為監測的結果，可為大變形隧道初期支護、二次襯砌施工提供有針對性的參數，進而更好的優化設計方案，同時也是實現軟巖大變形地段隧道信息化設計和施工的主要工序。進行隧道斜井支護體系力學行為監測中，受力監測斷面測點布置圖如圖3所示。

圖3 受力監測斷面測點示意圖

各種傳感器線路應沿環形架構（鋼筋）等設施，設定在側溝槽附近的出口位置。若是在斷面線纜接頭數量較多時，推薦將其延續至相鄰斷面之后，沿著鋼架構（鋼筋）的下方，直到側溝槽位置顯露。在同一區域應設置明顯且不易損壞的標記，為各類傳感器的接頭線纜進行區分。需在接頭處做好不同類型傳感器線纜顏色的明顯標記，并設立牢固的標簽。在施工期間，應對出露的線路設備進行固定箱盒的保護，在工程竣工后，可以將其放入側溝電纜槽內。

5 結語

綜上，高原隧道斜井軟巖質地柔軟，承載力差，低于變形的能力低。在進行軟巖區段隧道施工中需要對大變形情況進行嚴格控制，并采取有效的監測手段和方法，才能實時掌握隧道變形情況，為隧道支護、襯砌等環節的施工提供有針對性的數據支撐。在案例工程施工中，結合現場施工條件，不同區段采用不同的的大變形控制方法，并加強隧道凈空、圍巖深部位移、支護體系力學行為進行監測，可實現對隧道斜井大變形的有效控制，為正式施工提供良好的條件，確保施工任務的順利完成，可為同類工程提供借鑒指導。