馬興林

（中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400000）

1 工程概述

新建鐵路玉溪至磨憨線橄欖壩3號(hào)隧道位于西雙版納州景洪市橄欖壩境內(nèi)，全長(zhǎng)1970m。隧道測(cè)區(qū)最大地表水為瀾滄江，瀾滄江于線路右側(cè)相傍而行，最近相距約320m；其次為溝水、塘水、地表水，均由大氣降水補(bǔ)給。地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水。第四系孔隙潛水不甚發(fā)育，水量較小，僅隧道進(jìn)出口沖溝內(nèi)土層中含量豐富；下伏基巖巖體破碎，基巖裂隙水較發(fā)育；巖溶水主要分布于P1q+m地層中，水量較大。地下水主要由大氣降水及地表水補(bǔ)給。經(jīng)綜合分析，雨季最大涌水量Qmax=19000m3/d，現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)照片

2 軟弱破碎圍巖隧道工程的施工難點(diǎn)

2.1 軟弱破碎圍巖的特征

軟弱圍巖通常情況下分為地質(zhì)軟巖以及工程軟巖，地質(zhì)軟巖指的是強(qiáng)度低、空隙大、膠結(jié)程度差，受結(jié)構(gòu)面切割及風(fēng)化作用影響較大的巖層，或是含有大量膨脹性黏土礦物的松軟巖層；工程軟巖指的是在工程中對(duì)巖體產(chǎn)生影響，導(dǎo)致巖體顯現(xiàn)出與地質(zhì)軟巖相同的特征的巖層。

軟弱破碎圍巖的突出特征為軟、弱、松、散，工程軟巖揭示了軟巖的相對(duì)性實(shí)質(zhì)，即當(dāng)工程力固定時(shí)，強(qiáng)度高于工程力水平的巖體表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)性質(zhì)，相反則表現(xiàn)出軟巖性質(zhì)。

2.2 軟弱破碎圍巖施工的難點(diǎn)

（1）受隧道開挖地區(qū)向斜影響，軟弱破碎圍巖基本為緩斜或幾乎水平的成巖，圍巖性質(zhì)變化較為頻繁，細(xì)層理及交錯(cuò)層理維持較高發(fā)育水平，層面內(nèi)膠結(jié)度極低，節(jié)理發(fā)育，巖體極不穩(wěn)定。隧道開挖跨度較大，實(shí)際施工中容易造成隧道崩塌。（2）隧道施工往往會(huì)在頂部形成大平板，不易成拱。雖然建設(shè)隧道應(yīng)用的石材質(zhì)地較為堅(jiān)硬，不可完成變形，但石層間的結(jié)合物較少且質(zhì)地軟弱，通過(guò)交錯(cuò)層理切割，容易產(chǎn)生頂部大范圍平板掉落[1]。（3）軟弱破碎圍巖隧道工程路段內(nèi)易出現(xiàn)大范圍斷裂構(gòu)造。在斷裂位置及受影響區(qū)段，斷層內(nèi)的角礫、泥土及破碎帶合在一起構(gòu)成了斷層，斷層及周圍區(qū)域的地層都非常軟弱，同時(shí)施工路段地下水含量豐富，地下水作用導(dǎo)致地層極不穩(wěn)定，有較大可能造成工程塌方。（4）部分施工段存有大量泥巖，泥巖微膨脹的性質(zhì)導(dǎo)致圍巖層更加軟弱，在開展軟弱破碎圍巖隧道施工時(shí)，地應(yīng)力的提升會(huì)加快，圍巖層的穩(wěn)定性將降低。在施工路段地下水的作用下，圍巖層穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步降低，給施工安全帶來(lái)隱患。

3 軟弱破碎圍巖隧道工程施工技術(shù)的應(yīng)用

3.1 軟弱破碎圍巖加固及支護(hù)技術(shù)

在隧道開挖過(guò)程中，圍巖穩(wěn)定性驟降，且自身沒(méi)有加固能力，因此要在隧道工程開始前，做好圍巖加固工作，以改善圍巖力學(xué)特征，提升穩(wěn)定性。參考預(yù)加固對(duì)周圍巖層加固的原理，圍巖的加固措施可分為地層改良及支護(hù)法。地層改良能夠提升隧道開挖處地層的力學(xué)特征，包括靜壓注漿、排水固結(jié)等方法；支護(hù)法就是在隧道開挖前在隧道開挖線路上提前做好支護(hù)工作，在隧道拱處搭建起支護(hù)保護(hù)網(wǎng)，在保證安全的前提下開展施工。通常情況下，圍巖隧道內(nèi)測(cè)的結(jié)構(gòu)承壓較大，同時(shí)圍巖裂縫不斷擴(kuò)大發(fā)育，圍巖強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形。當(dāng)圍巖層內(nèi)夾雜黏土等軟物質(zhì)時(shí)，圍巖受力大小又與變形速率相關(guān)，所以有明顯的時(shí)間依賴性，處于平衡狀態(tài)的軟弱破碎巖體在開挖后平衡被打破，在應(yīng)力作用下，圍巖產(chǎn)生形變[2]。

注漿加固是改善圍巖內(nèi)部膠結(jié)性質(zhì)，提升圍巖一體性及承壓能力的重要手段，可以減少支護(hù)的加設(shè)，同時(shí)與支護(hù)配合，提高支護(hù)效益。原理是將填充液充入圍巖巖層的裂縫處，使破碎、軟弱的巖石黏結(jié)到一起，提升巖層整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。將注漿工藝與支護(hù)相結(jié)合，改善圍巖應(yīng)力分布，同時(shí)減少形變，改善整體受力情況，確保施工安全。依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016），支護(hù)用混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

目前，軟弱隧道圍巖支護(hù)多采用大管棚支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)已有將近20年的使用歷史，雖缺乏創(chuàng)新和先進(jìn)性，但應(yīng)用成熟廣泛。其支護(hù)原理：一是梁效應(yīng)，即在挖掘前進(jìn)行預(yù)埋，在鋼管支撐下形成梁式結(jié)構(gòu)，預(yù)防隧道工程坍塌；二是加強(qiáng)效應(yīng)，即在插入鋼管后注入泥漿，使圍巖硬度提升。具體應(yīng)用方法：應(yīng)用管棚鉆孔裝置在隧道開挖的外部輪廓上打入大直徑鋼管，同時(shí)將鋼管進(jìn)行橫向連接，成為一個(gè)整體。

表1 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 單位：N/mm2

3.2 隧道洞口處開挖、施工技術(shù)及選擇

隧道洞口處的開挖方法由施工條件、圍巖類型、埋置深度、斷面情況、破面情況及環(huán)境條件等決定，同時(shí)還要考慮安全、效益等要素實(shí)現(xiàn)最終選擇。選擇施工方法時(shí)要以施工安全為前提，全面考慮施工區(qū)域的地質(zhì)條件、濕度條件、斷面大小、挖掘設(shè)備參數(shù)等要素，當(dāng)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響時(shí)，還要考慮周邊環(huán)境的可修復(fù)性，盡量減少對(duì)周邊環(huán)境的破壞。隧道口處施工方法多樣，結(jié)合隧道挖掘區(qū)域的地質(zhì)、水文情況，認(rèn)定臺(tái)階法及分部開挖兩種方法最為合適。

施工時(shí)以安全為首要原則，優(yōu)先布置好安全措施，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行洞口開挖。開挖技術(shù)優(yōu)先選用少部分開挖形式，以減少施工工序，為系統(tǒng)化的機(jī)械施工奠定良好基礎(chǔ)，優(yōu)化施工環(huán)境，保障施工安全。在隧道口地質(zhì)變化較大的情況下，應(yīng)以應(yīng)對(duì)圍巖地質(zhì)不穩(wěn)定性為重點(diǎn)選擇施工方法，盡量避免因變更施工策略或頻繁變更施工方法使工序混亂，影響工期、工程安全和工程效益。引入新技術(shù)、新設(shè)備時(shí)，應(yīng)保證技術(shù)成熟穩(wěn)定，在確保安全的基礎(chǔ)上積極創(chuàng)新，提升綜合施工水平，提高施工效益。隧道口工程開挖后要盡快施作錨桿、噴射混凝土、鋪設(shè)鋼筋及支撐物，保證工程安全。應(yīng)用復(fù)合襯砌，要加強(qiáng)初期支護(hù)使用的錨桿、混凝土的等級(jí)，預(yù)防圍巖嚴(yán)重變質(zhì)。根據(jù)地質(zhì)情況，配合小導(dǎo)管注漿技術(shù)、錨桿加固技術(shù)等開展施工。精準(zhǔn)選擇開挖及支護(hù)工藝對(duì)施工質(zhì)量、效率起到?jīng)Q定作用，能夠提升施工安全性，減少工程投入，降低圍巖層變質(zhì)概率和程度，有效預(yù)防投入使用后地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，減少運(yùn)營(yíng)投入。與此同時(shí)，將施工方法設(shè)計(jì)的各要素進(jìn)行比較并記錄，如表2所示。根據(jù)結(jié)果可以看出，圍巖穩(wěn)定性良好的單線隧道口可以應(yīng)用短臺(tái)階法，在不考慮滲流問(wèn)題時(shí)，臺(tái)階法最大沉降位移值為18.2mm，考慮滲流情況，沉降值最大為10.7mm，并考慮滲流圍巖變形集中于隧道拱頂位置，最大沉降位移也在此處。應(yīng)用短臺(tái)階法可以節(jié)省支護(hù)投入，但要避免應(yīng)用全斷面開挖，以避免影響圍巖穩(wěn)定性，增大坍塌概率。軟弱破碎圍巖施工可應(yīng)用超短臺(tái)階法，如果不考慮工期，可應(yīng)用留核心土工藝。如果地質(zhì)條件極差，則應(yīng)首選留核心土法，斷面較大時(shí)，應(yīng)采用中隔壁法[3]。

表2 施工方法對(duì)比

3.3 支護(hù)后的圍巖穩(wěn)定性測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)的圍巖穩(wěn)定性測(cè)量技術(shù)因模型建設(shè)工程量大、一致性差，很難適用于隧道圍巖質(zhì)量模擬。雖然應(yīng)用數(shù)值仿真分析判斷塑性區(qū)、裂縫區(qū)、破損區(qū)的方法或結(jié)合應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)已逐漸進(jìn)入推廣使用階段，但與施工數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)相比，其便利性、準(zhǔn)確性、直觀性都較差，因此圍巖變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)才是主流的測(cè)量技術(shù)。主要的監(jiān)測(cè)方法有兩種，一種是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行判斷，另一種則是根據(jù)相關(guān)的規(guī)范、章程、建議等文本記載進(jìn)行比對(duì)。兩種方法應(yīng)用廣泛，但都存在缺陷。如果使用經(jīng)驗(yàn)判斷法測(cè)量洞穴坍塌原因，發(fā)現(xiàn)圍巖變形到一定程度會(huì)引發(fā)坍塌，根據(jù)普適理論得出失穩(wěn)變形、跨度、高度、承壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式，此方法忽視了埋深以及圍巖變形模量?jī)蓚€(gè)重要因素。而規(guī)范化的方法普適性較強(qiáng)，但可變性交叉，使用條件苛刻，大多數(shù)場(chǎng)景不適用。無(wú)論選擇哪種測(cè)量方法，都要注意變形模量、強(qiáng)度、埋深等要素，根據(jù)穩(wěn)定性的基本要求，基于隧道彈塑性推斷出臨界沉降公式如下。

式中：r為巖層容重，也是洞徑；H為高度；G為勃聚力；Φ為內(nèi)摩擦角。

4 總結(jié)

綜上，要加快山區(qū)鐵路建設(shè)，必須從建設(shè)安全著手，做好軟弱破碎圍巖隧道支護(hù)、注漿等環(huán)節(jié)的技術(shù)選擇，以此保證安全、縮短工期、提升質(zhì)量，保證隧道施工效益，才能更好地推動(dòng)我國(guó)山區(qū)鐵路建設(shè)。