李新荔

摘要：廣大線祥和隧道圍巖復(fù)雜多變，施工中遇到軟巖大變形地帶，不良地質(zhì)引發(fā)多起初支變形開裂、失穩(wěn)破壞、超限、坍塌等問題。通過對(duì)隧道軟弱圍巖變形的原理及特征進(jìn)行分析及總結(jié)后，施工時(shí)采取增強(qiáng)支護(hù)體系剛度、設(shè)置超前導(dǎo)洞、預(yù)留合理變形量、設(shè)置長(zhǎng)錨桿、超短三臺(tái)階法開挖和二砌緊跟等系列綜合技術(shù)措施控制了圍巖的變形，確保了隧道結(jié)構(gòu)安全和施工順利進(jìn)行。

Abstract： The surrounding rock of Xianghe tunnel in Guangtong-Dali Railway is complex and changeable. The soft rock large deformation zone is encountered during construction， and the bad geological conditions cause many problems such as initial deformation， cracking， instability， failure， overrun and collapse. After analyzing and summarizing the principle and characteristics of the deformation of the weak surrounding rock of the tunnel， a series of integrated technical measures are taken， such as， enhancing the rigidity of support system， setting the advanced pilot hole， reserving the reasonable amount of deformation， setting the long bolt， using the ultra-short three-step excavation method， and so on， so that the deformation of the surrounding rock is controlled and the safety of the tunnel structure and the smooth construction are ensured.

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；軟巖大變形；導(dǎo)洞釋壓；超短三臺(tái)階法；長(zhǎng)錨桿

Key words： railway tunnel；large deformation of soft rock；pressure relief of pilot hole；ultra-short three-step method；long bolt

中圖分類號(hào)：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）12-0112-03

0 引言

當(dāng)鐵路或是公路隧道穿越高壓應(yīng)力地層或是遇到軟弱大變形圍巖時(shí)，常出現(xiàn)初支或襯砌變形超限、開裂，甚至引起隧道圍巖坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，不僅危及隧道的結(jié)構(gòu)安全和施工安全，且施工處理難度大，成本高，工期長(zhǎng)，成為了困擾地下工程施工的重大難題。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建筑的迅猛發(fā)展，更多的隧道等地下工程修建于地質(zhì)條件復(fù)雜的地帶，且隧道更趨于長(zhǎng)大、深埋。故隧道施工時(shí)常常遭遇軟弱大變形圍巖。如何在確保造價(jià)及工期的基礎(chǔ)上有效控制軟弱圍巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害，成為廣大工程技術(shù)人員所需面對(duì)和解決的難題。

1 工程概況

廣大鐵路祥和隧道起訖里程D1K149+274～D1K159+494，全長(zhǎng)10220m，為雙線隧道，最大埋深約705m。全隧除D1K148+648～D1K149+695、D1K157+771～D1K159+494段分別位于半徑R=5004.5和R=2804.53的右偏曲線外，其余地段均為直線；線路縱坡為人字坡，分別為5.0‰上坡和4.8‰下坡。

祥和隧道屬Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，該隧斷層影響帶長(zhǎng)度共1880m；侵入巖接觸帶長(zhǎng)度共1280m；可溶巖與非可溶巖接觸帶510m；極軟弱、極破碎、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育或富水巖體的V級(jí)異常段470m，風(fēng)險(xiǎn)段落總長(zhǎng)4140m，占隧道總長(zhǎng)的40.5%。存在的主要安全風(fēng)險(xiǎn)有軟巖大變形、塌方、突水涌泥，次生風(fēng)險(xiǎn)有環(huán)境和工期風(fēng)險(xiǎn)。

2 軟弱圍巖變形情況

祥和隧道2013年3月開工至2013年11月底，出現(xiàn)大變形段落達(dá)到980m，大型塌方20次，小型塌方不斷，圍巖極軟弱，褶曲嚴(yán)重，層間擠壓劇烈，產(chǎn)狀凌亂，在開挖后正洞最大收斂達(dá)到2.2m。部分段落初支變形超限、開裂（如圖1所示）。正洞D1K156+617因變形過大，發(fā)生坍塌（如圖2所示）。為了處理以上地質(zhì)災(zāi)害，不僅投入了大量的成本，且嚴(yán)重地影響到了工期，給隧道的施工造成極大困難。因此，研究軟弱圍隧道變形的特征及處理措施，對(duì)于確保隧道的順利建設(shè)及降低工程造價(jià)有著重要的意義。

3 軟弱圍巖變形原因及特征

經(jīng)對(duì)上述軟弱圍巖變形地段進(jìn)行勘測(cè)和對(duì)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，并提請(qǐng)地質(zhì)專家進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，得出祥和隧道變形的原因及基本特征：

①出現(xiàn)大變形地段的圍巖為強(qiáng)度較低的軟質(zhì)巖及侵入巖，且含有膨脹性的巖石，為出現(xiàn)變形提供了物理及化學(xué)方面的基礎(chǔ)。②變形地段隧道埋深約250～700m。圍巖本身具有較高地應(yīng)力。且圍巖抗壓強(qiáng)度較低，故應(yīng)力強(qiáng)度比較高，膨脹變形風(fēng)險(xiǎn)大。③隧道沿線地下水豐富，水對(duì)軟巖的軟化影響為圍巖發(fā)生大變形起到了重要的促進(jìn)作用。巖石的變形類型基本為塑性流動(dòng)及彎曲變形。④圍巖變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且變形量大。變形量15d內(nèi)達(dá)到總變形量的80%，在隨后2個(gè)月時(shí)間內(nèi)，變形量基本全部完成。

4 隧道軟弱圍巖大變形的施工控制技術(shù)

4.1 應(yīng)力釋放試驗(yàn)成果

在高地應(yīng)力情況下，如果僅一味地提高支護(hù)強(qiáng)度以抵制變形，不僅會(huì)使施工成本大幅增加，同時(shí)也嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，本隧道采取了設(shè)置超前導(dǎo)洞進(jìn)行應(yīng)力及變形釋放的技術(shù)，即通過設(shè)置超前導(dǎo)洞釋放圍巖應(yīng)力，超前導(dǎo)洞在壓應(yīng)力作用下充分變形，初支前釋放了部分圍巖應(yīng)力及形變，地應(yīng)力得以重新分布，形成適應(yīng)新結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，從而大幅減少了初支后圍巖壓力及變形值。

導(dǎo)洞大小為6m寬×4.5m高的曲墻斷面，導(dǎo)洞中心線與正洞中心線重合，導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂2.0m，導(dǎo)洞掌子面超前正洞掌子面30m。

導(dǎo)洞采取全斷面開挖，導(dǎo)洞初支在考慮結(jié)構(gòu)安全的情況下盡量柔性設(shè)計(jì)，以使圍巖充分釋放地應(yīng)力及變形，導(dǎo)洞初期支護(hù)參數(shù)如下：鋼架采用I18b工字鋼，按間距為1.0m布設(shè)，噴24cm厚網(wǎng)噴砼，增設(shè)長(zhǎng)2.5m的？準(zhǔn)系統(tǒng)錨桿，環(huán)向及縱向間距均為1.5m，并設(shè)長(zhǎng)5m？準(zhǔn)42超前小導(dǎo)管。

平均拱頂下沉值由54.3mm降為26.3mm，減少了51.6%。平均水平收斂值由240.23mm降為166.94mm，減少了30.5%。

分析結(jié)果表明，設(shè)置超前導(dǎo)洞后，正洞擴(kuò)挖后的變形值大幅減小。說明超前導(dǎo)洞有效釋放地應(yīng)力，加快了圍巖變形，大幅降低了初支后的變形幅度。

4.2 提高初支整體剛度及承載能力

為了以抵制地應(yīng)力及地層的變形，本隧道不僅增強(qiáng)鋼架、噴射砼等支護(hù)本身的剛度以提高初支剛度和承載能力。還通過設(shè)置錨桿及注漿等加固措施使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖聯(lián)系成穩(wěn)定的承載系統(tǒng)，采取的措施有：

墻身及拱部原間距為1.5m（縱、環(huán)向）的？準(zhǔn)32中空注漿錨桿，加密為1.5m（縱）×1.0（環(huán)），長(zhǎng)度由原4m加長(zhǎng)至8m，錨桿采取體內(nèi)及體外結(jié)合注漿，漿液水灰比控制在0.6左右；將原間距0.6m的I20b工字鋼鋼架，調(diào)整成間距0.6m的雙層HW175型鋼鋼架，呈品字形布置，并在每榀鋼架上、中、下臺(tái)階拱腳各設(shè)置2根9mΦ75中管棚鎖腳，鋼管尾端50cm加工成尖型，尾部1m范圍開設(shè)注漿孔眼，打設(shè)位置在接頭鋼板以上30cm處，鎖腳采用雙液漿注漿，水灰比控制在0.5左右，為保證漿液流動(dòng)性，加入適量的減水劑。

初支設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，拱架施做完成后，第一層鋼筋網(wǎng)在拱架外沿與連接鋼筋相連，噴射砼至一半厚度左右。在鋼架外沿翼板內(nèi)側(cè)鋪設(shè)第二層鋼筋網(wǎng)，待下一循環(huán)施工時(shí)補(bǔ)噴到位。采用？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)片，第一層網(wǎng)眼尺寸15×15cm，第二層網(wǎng)眼尺寸20×20cm。

超前支護(hù)采用？準(zhǔn)42小導(dǎo)管，長(zhǎng)6m，每環(huán)39根，環(huán)向間距30cm，搭接長(zhǎng)度1.5m。為減小掌子面前方拱部掉塊，掘進(jìn)開挖時(shí)盡量保證掌子面垂直度，拱架與掌子面密貼，減小臨空面，避免坍塌。拱架與掌子面不能密貼時(shí)，采用連接筋頂至掌子面并布設(shè)網(wǎng)片。距離大時(shí)，小導(dǎo)管上方鋪設(shè)？準(zhǔn)6鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片網(wǎng)眼間距15×15cm。在噴射砼時(shí)將前沿部分網(wǎng)片外側(cè)噴12～15cm砼，將網(wǎng)片包裹。遇有坍塌空腔時(shí)，噴射砼前預(yù)埋注漿管，在下循環(huán)噴砼完成后注漿。

4.3 采用超短三臺(tái)階法掘進(jìn)

采用超短三臺(tái)階法掘進(jìn)，上、中臺(tái)階長(zhǎng)度5m，仰拱距下階15～20m，二次襯砌距，仰拱前端不得超過50m，各工序間距見圖4。

人工風(fēng)鎬配合挖掘機(jī)掘時(shí)，必要時(shí)輔以弱爆破。

挖掘機(jī)或是弱爆破開挖下部斷面，人工用風(fēng)鎬開挖及整修成輪廓。開挖后立即噴砼4～6cm封閉開挖面，隨后噴錨網(wǎng)、型鋼架立等初支的作業(yè)。及時(shí)澆筑仰拱砼，緊跟襯砌模注砼。

4.4 預(yù)留合適的變形量

對(duì)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨時(shí)掌握圍巖變形情況，并研究確定預(yù)留變形量的基準(zhǔn)值。通過適當(dāng)加大預(yù)留變形值，使圍巖在高應(yīng)力情況下蘊(yùn)含的變形勢(shì)能得到充分釋放后，再進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，不僅確保了支護(hù)系統(tǒng)的安全性，且可有效降低支護(hù)所需強(qiáng)度，從而節(jié)約了施工成本。

本項(xiàng)目拱墻預(yù)留變形量不同，通常拱頂預(yù)留變形值60cm，水平收斂預(yù)留變形值80cm，并根據(jù)不同段落圍巖及地下水發(fā)育情況實(shí)行動(dòng)態(tài)控制，防止初支超限。

4.5 盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)

監(jiān)測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用爆破掘的強(qiáng)振動(dòng)為加劇圍巖變形的不利影響，為了控制圍巖的變形發(fā)展，采取如下措施控制掘進(jìn)：①對(duì)于圍巖破碎段落，盡量采用機(jī)械配合人工開挖，以避免爆破產(chǎn)生的振動(dòng)影響。②部分圍巖較為完整地段，挖掘機(jī)難以挖掘時(shí)，盡量采用銑挖機(jī)進(jìn)行銑挖，以避免爆破開挖。③如果需爆破開挖時(shí)，嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～1m范圍內(nèi)，減少齊爆裝藥量，并采取減弱振動(dòng)的控爆技術(shù)及措施。

4.6 選擇澆筑二次襯砌的時(shí)機(jī)，有效控制大變形

《鐵路隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)隧道變形及收斂速率小于0.2mm/d后方可進(jìn)行二次襯砌的澆筑。但作為對(duì)于圍巖大變形隧道，其變形總量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在變形及收斂速率還遠(yuǎn)超0.2mm/d時(shí)，初支就已因變形過大而破壞，因此本隧道施工時(shí)根據(jù)實(shí)際變形控制要求及變形監(jiān)測(cè)值進(jìn)行回歸分析后，認(rèn)為祥和隧道變形速率小于3mm/d為澆筑襯砌的較佳時(shí)機(jī)，能在確保襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，還可以有效減少變形的最終值。

4.7 采用長(zhǎng)錨桿控制圍巖大變形

以往工程實(shí)踐表明，長(zhǎng)錨桿能夠有效控制隧道軟巖圍巖的變形，因?yàn)殚L(zhǎng)錨桿外端能夠穿過軟弱圍巖的塑性區(qū)而錨固在堅(jiān)固的基巖上，使得錨桿可以承受較大的圍巖變形應(yīng)力。祥和隧道軟弱圍巖的塑性區(qū)厚度經(jīng)計(jì)算，在4～6m之間。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將原4m長(zhǎng)的系統(tǒng)錨桿加長(zhǎng)，拱部為長(zhǎng)8m？準(zhǔn)32中空注漿錨桿，邊墻為長(zhǎng)8m？準(zhǔn)32砂漿錨桿。

5 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，動(dòng)態(tài)控制施工

因祥和隧道地質(zhì)情況復(fù)雜多變，在施工時(shí)科學(xué)組織監(jiān)控量測(cè)、加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，對(duì)圍巖變形進(jìn)行了動(dòng)態(tài)控制的工作顯得尤為重要。

在祥和隧道施工時(shí)，采取水平地質(zhì)鉆孔、TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，能夠較準(zhǔn)確地掌握隧道前方的地質(zhì)情況，從而為提前制訂針對(duì)性的施工控制措施及方法提供了依據(jù)。

施工期間，按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，持續(xù)對(duì)拱頂沉降、邊墻水平變形收斂進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)。同時(shí)對(duì)錨桿軸力、拱架應(yīng)力、襯砌應(yīng)力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以上工作由專門的監(jiān)控量測(cè)小組按規(guī)程要求進(jìn)行，保障了監(jiān)測(cè)工作的及時(shí)性和量測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

采用專門的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析、變形及回歸曲線繪制和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，確保了數(shù)據(jù)處理工作高效、結(jié)果即時(shí)可得、科學(xué)預(yù)測(cè)、分析準(zhǔn)確。使得施工現(xiàn)場(chǎng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果及時(shí)進(jìn)行了支護(hù)參數(shù)的調(diào)整，預(yù)先采取科學(xué)有效的控制措施、合理適當(dāng)?shù)念A(yù)留變形量和襯砌澆筑時(shí)機(jī)，達(dá)到了有效控制變形、保證結(jié)構(gòu)安全、加快施工進(jìn)度的目的。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)祥和隧道軟弱圍巖大變形的特性及規(guī)律，以新奧法思想作為指導(dǎo)，提高支護(hù)體系的剛度，并設(shè)置長(zhǎng)錨桿使初支與圍巖形成承載共同體，從而確保隧道結(jié)構(gòu)整體抵制變形的能力。同時(shí)設(shè)置導(dǎo)洞對(duì)圍巖進(jìn)行部分卸壓及變形釋放。采用超短臺(tái)階法掘進(jìn)、低振動(dòng)控制爆破及機(jī)械開挖等施工技術(shù)，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。最終成功達(dá)到了控制圍巖隧道變形的目的，對(duì)隧道施工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步起一些積極作用。

盡管經(jīng)過祥和隧道的施工，在圍巖大變形控制措施及技術(shù)方面取得了一些技術(shù)成果，但地質(zhì)情況及圍巖變形機(jī)理非常復(fù)雜，控制圍巖大變形的施工方案及方法仍然處于一個(gè)不斷認(rèn)識(shí)及提高的階段，實(shí)際施工時(shí)要根據(jù)具體情況對(duì)控制變形方案、措施及方法進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳壽根.軟巖隧道變形特性和施工對(duì)策[M].北京：人民交通出版社，2014.

[2]韓學(xué)詮，董云鵬.軟弱圍巖隧道施工中大變形的產(chǎn)生及對(duì)策[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009.

[3]周乾剛，方俊波.烏鞘嶺隧道嶺脊段控制千枚巖大變形快速施工[J].隧道建設(shè)，2007.

[4]中鐵二院工程集團(tuán).隧道合理支護(hù)參數(shù)及地表沉降控制技術(shù)研究報(bào)告[R].2009.

[5]謝俊峰，陳建平.火車嶺隧道軟弱圍巖大變形特征及機(jī)理分析[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007.