郝晶

摘 要：目前我國高鐵建設如火如荼，而在廣大西北西南地區(qū)建設隧道時常會遇到泥質巖。泥質巖是常見的一種軟巖，在泥質巖地層施工隧道過程中易產生大變形而發(fā)生支護垮塌，因此，對泥質巖隧道施工期隧道圍巖大變形控制的研究就尤顯重要。本文以南昆客專XZ隧道為依托來分析泥質巖隧道大變形施工控制方法。

關鍵詞：泥質巖 大變形 施工控制

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0064-02

2016年7月，國家《中長期鐵路網規(guī)劃》發(fā)布，在“四縱四橫”的基礎上打造“八縱八橫”，按照規(guī)劃，到2030年，中國鐵路網運營里程將達到20萬km左右，其中高速鐵路4.5萬km左右，然而在高鐵穿越廣大西南山嶺地帶須修建隧道時常會遇到泥質巖，泥質巖地層隧道在施工過程中會產生較大變形[1]，而導致支護變形和塌方，嚴重時甚可導致隧道報廢，為確保泥質巖大斷面隧道施工安全，優(yōu)化施工方法，提高施工速度及經濟收益，本文以南昆客專XZ雙線隧道為工程背景，開展泥質巖隧道大變形施工控制技術研究，成果不僅可以指導XZ隧道的施工，也可為相關類似工程累積經驗。

1 工程概況

1.1 工程介紹

南昆客專是我國高鐵“八縱八橫”組成部分之一，是聯(lián)通西南與華南的重要鐵路通道，全長710km，其中云南境內434km，設計行車速度250km/h。昆明至南寧4h左右、昆明至廣州7h左右可到達，極大地促進邊疆民族地區(qū)發(fā)展。XZ隧道位于云南廣南縣域的溝谷之中，是雙線隧道，全隧為單面坡，進口里程點DK407+900，出口里程點DK414+386，全長達6486m，洞身埋深從11m～263m。全隧累計穿越了3個斷層，隧區(qū)地形起伏明顯，橫向沖溝發(fā)育，施工安全風險極高，屬一級風險隧道。

1.2 隧道大變形區(qū)段工程地質

南昆線全程分布有寒武統(tǒng)、志留系、石炭系、二疊系、下第三系、泥盆系等地層，跨越了云貴高原和廣西盆地兩級臺階。XZ隧道出現(xiàn)大變形的地段為粉質黏土、塊石土、砂巖夾頁巖、泥巖、泥質條帶灰?guī)r夾泥質粉砂巖，泥質細粒結構，節(jié)理裂隙豐富，中～薄厚層狀構造，有明顯的風化差異。

2 隧道初始施工方法及變形情況

2.1 隧道初始設計

隧道為IV級圍巖，采用IV級B型復合式襯砌，拱墻格柵鋼架，鋼架間距1.0m；拱部φ42超前小導管，環(huán)向間距0.5m，每環(huán)31根，縱向每3m一環(huán)，每根長4.5m，臺階法施工。

2.2 隧道變形情況

開挖后，隧道凈空持續(xù)變形發(fā)展，最大日沉降27mm，最大日水平位移14mm。初支拱部及右邊墻出現(xiàn)起鼓、掉塊，局部初支砼剝落。初支侵限，侵限部位為拱部及邊墻，平均侵限15～20cm，最大侵限24.9cm，最大侵限斷面為DK412+521。

3 大變形原因分析及施工控制技術

3.1 泥巖段隧道大變形影響因素分析

XZ隧道發(fā)生大變形地段以薄層狀泥巖為主，從地勘資料及對變形數(shù)據(jù)的分析總結可知，泥質巖巖性軟弱，易受地下水侵蝕，被地質環(huán)境影響，且易受施工侵擾，從而發(fā)生大變形，其主要的變形影響因素可概括如下。

3.1.1 泥質巖巖性因素

泥質巖組分中多富含石膏、芒硝、蒙脫石、高嶺石、伊利石等吸水膨脹礦物質，其典型特征是巖體吸水膨脹，巖質軟弱及強度低，抗水性差，當含水量上升或受施工擾動時抗剪強度有明顯的降低，而且，膨脹變形與水、時間都具有相關性，在此類膨脹壓力影響下，極易引發(fā)隧道圍巖之大變形和初支變形劈裂。

3.1.2 地下水因素

隧道洞身段可溶巖占比高且在此地段有大量地下水而圍巖裂縫豐富，巖體破碎構成了地下水的良好通道，地下水沿裂縫侵入巖石內部，并發(fā)生各類物理化學反應導致巖體強度降低、體積增大，引發(fā)巖體內部不均勻應力，亦有些許膠結物溶于地下水，引發(fā)巖體崩解，損傷了巖體完整性，降低其力學特性。

3.1.3 支護情況因素

XZ隧道采用的初期支護強度較弱，導致隧道變形發(fā)展較快，造成初期支護破壞。另外如果臺階長度太長，初期結構閉合滯后，二襯不能緊跟澆筑，初期支護就會暴露時間過長而產生較大變形，致使支護結構侵入限界，嚴重時引起隧道發(fā)生失穩(wěn)坍塌。

3.1.4 施工方法因素

隧道圍巖形變量大小與施工的方法亦密切相關[2]。施工時，每步施工均會擾動圍巖，使圍巖產生多次應力的釋放和重分布過程，大大降低了圍巖的原始力學性能。經過現(xiàn)場圍巖變形監(jiān)控量測可知，監(jiān)測斷面上各個觀測點的位移時間曲線往往會表現(xiàn)出較明顯的階梯性，這是由各部開挖的時導致的圍巖擾動及應力釋放產生的，從而進一步加速了圍巖的變形。因此，要采取縮減臺階長度、減小開挖進尺、減少開挖分部和盡早封閉成環(huán)等相關措施來盡量減少施工對圍巖的擾動次數(shù)。

3.2 泥巖段隧道大變形施工控制基本原則

通過對泥巖隧道變形機制及變形控制基本理念分析，并結合相關工程實例可以得出泥巖隧道施工應該堅持的基本原則有以下幾個方面。

（1）隧道結構設計堅持“剛性支護”寧強勿弱的原則，采用長錨桿、厚層噴射混凝土、鎖腳錨桿和重型鋼架等組合支護措施，控制圍巖變形，達到向圍巖深處轉移二次應力的作用。

（2）軟巖地段初期支護承受施工期間全部荷載，二次襯砌需承受后期圍巖流變產生的荷載。軟巖隧道襯砌應通過增設鋼筋、加大厚度等方式增加結構的強度。

（3）對于圍巖賦存環(huán)境較差，地下水較發(fā)育的地段，采用超前預注漿、水平旋噴、超前大管棚等輔助施工方法重點改善并加固地層，提高圍巖的自承能力，減小作用在支護結構上的荷載。

（4）合理選擇初期支護預留變形量，選擇合理的預留變形量有助于達到安全高效施工的目的，特殊地質地段可以考慮預留二次支護的施工空間。

（5）建立初期支護穩(wěn)定性評判標準，在施工過程中實時對初期支護結構安全穩(wěn)定性進行評判，指導現(xiàn)場工程施工。

3.3 泥巖段隧道大變形施工控制方法

根據(jù)XZ隧道的實際情況了解了XZ隧道開挖之后的變形及應力釋放特點大體為：受圍巖巖性影響大，膨脹變形迅速，持續(xù)形變久，圍巖松動圈大，無收斂穩(wěn)定。根據(jù)泥質巖隧道開挖后的特點應嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、短臺階、速封閉、快成環(huán)、二襯緊跟”和“加固圍巖，改善變形、先柔后剛，先放后抗、變形留夠”的施工原則施工。具體施工技術如下。

（1）開挖前嚴格按照設計要求施作每環(huán)38根φ60，長8m，間距4.8m的中管棚。型鋼鋼架須與鋼管焊接牢固，施工中采用超前導管，長度為8m，排間搭接長度為1.5m，保證拱部上部至少有兩層鋼管作為超前支護。大管棚必須在洞身開挖前完成。洞口開挖時應預留管棚施工臺階，搭設管棚施工工作室，鉆機腳手架平臺應支撐在穩(wěn)固的地基上。在軟弱圍巖地段，立柱底應加設墊板或墊梁。

（2）開挖采用三臺階七步法[3]，弱爆破或機械開挖，嚴格把控進尺，各臺階長度不得大于6.0m，及時封閉，邊墻每次最大掘進進尺為2榀鋼架間距，仰拱開鑿每次須小于4榀鋼架間距。仰拱襯砌一次性施作長度上限6.0m，二襯距掌子面最遠30m。

（3）預留合理變形量，可使地應力場中儲藏的彈性形變能量得到有效釋放，這亦是大變形隧道其圍巖支護之通用原則，即先行卸壓之后強支護。

（4）隧道掌子面開挖后應立即進行初噴，初期支護采用拱墻部位噴30cm的纖維砼，仰拱部位噴30cm的素砼，拱墻部位按照20×20cm布設φ8×φ8的鋼筋網，系統(tǒng)錨桿施用φ42，環(huán)距1m，縱距1.2m，拱墻部位長8m，仰拱部位長6m的錨桿。鋼架全環(huán)H175型鋼，間距60cm，鋼架接頭施用M24高強螺栓，預留拱墻部位60cm空間。初支要極早封閉成環(huán)，使支護結構形成整體受力，提高支護結構承載力。重視隧道底部的處理，應在開挖后及時澆筑，仰拱的曲率應加大。

（5）優(yōu)化二次襯砌施作，主要是增強二次襯砌及優(yōu)化二次襯砌施作時間，有幾種時常在施工中采用的措施。

①將襯砌厚度增加，比方從20～30cm增加到60～90cm。

②當二次襯砌難以抵抗圍巖巨大的變形壓力時，襯砌材料選用鋼筋混凝土。

③將普通混凝土用鋼纖維混凝土取代。

④在二襯中增設型鋼、槽鋼、格柵鋼架等剛性支撐制成鋼架混凝土。

⑤將二襯結構改變外形，如用受力條件更好的圓形斷面取代馬蹄形外形的斷面。在大變形異常嚴重之時，亦可以組合運用上述措施。圍巖大變形隧道采納先柔后剛、先讓后顧、分層支護的初支后，核心問題是怎樣確定二襯最優(yōu)施作時間。如二襯若在圍巖形變不充分時過早施作則有被圍巖擠壞風險；施作過晚會致變形過大，圍巖過度形變乃至侵限。XZ隧道根據(jù)自身情況，最終確定二次襯砌施作60cm厚鋼筋混凝土。

（6）加強對圍巖的監(jiān)控量測，根據(jù)對監(jiān)控量測資料的回歸分析結果，確定預留合理的沉落量，既能保證在二襯前初期支護不侵入二襯，又不因預留過大造成經濟上的浪費。

4 結語

泥質巖隧道大變形施工控制的核心在于找出其變形機理，弄清施工原則，采用合理的施工方法及支護參數(shù)。該隧道在采用了施工控制技術后，變形得到有效的控制，未發(fā)生安全事故，說明采用的施工技術是可行的，亦可給其他類似工程提供參考。

參考文獻

[1] 張秀良，石光榮，陳杰華，等.泥巖地層大段面隧道圍巖變形控制[J].隧道建設，2010，30（2）：179-181.

[2] 郭鵬飛.泥巖地質隧道大變形施工控制技術[J].工程技術，2012（8）：69-70.

[3] 王生光.炭質泥巖隧道施工方法優(yōu)化[J].南陽理工學院學報，2016，8（2）：114-115.