王國棟

Research 研究探討

鐵路隧道變形控制措施淺析

王國棟

（中鐵十六局集團第五工程有限公司機械分公司，河北 唐山 064000）

將鐵路隧道變形情況分級，制定對應的措施去及時控制處理，根據(jù)既有承建工程實踐應用，分析其可操作性、安全性，達到控制圍巖失穩(wěn)、初期支護變形、防止初期支護侵限的目的。留足安全儲備，確保后續(xù)的仰拱、二次襯砌施工。

隧道變形；控制；措施；安全

0 前言

目前我國鐵路隧道施工除盾構法以外，大部分采用礦山法或淺埋暗挖法施工，而其原理就是“新奧法”。施工過程中由于種種因素制約，尤其是工期壓力、施工隊伍自身業(yè)務水平、地質變化等原因，無法充分利用圍巖自身自承能力，從而造成圍巖失穩(wěn)，初期支護變形。這時候就需要采取相應的補救措施來確保工程安全施工。本文主要針對不同的圍巖變形情況來分級、分項，采取對應的措施來控制變形，確保安全儲備，確保后續(xù)施工。同時分析其可操作性及社會經(jīng)濟效應，達到確保安全、經(jīng)濟可控、社會增效的目標。

1 隧道變形原因分析

隧道開挖破壞了地層的原始應力平衡狀態(tài)，隧道周邊的地層應力將會由水平方向與豎直方向的主應力，轉化為隧道徑向與法向的主應力，大小主應力方向將會發(fā)生變化，同時還將伴隨著地層剪切應力的出現(xiàn)。

隧道開挖后，周邊地層將會臨時處于無支護的臨空狀態(tài)，隧道周邊地層將出現(xiàn)向隧道方向位移的趨勢（拱頂下沉與周邊收斂變形），如果在隧道開挖斷面范圍內存在地質破碎帶或地層斷面，甚至可能引起地層的坍塌。但由于此階段時間相對較短，相應的地層位移可能并不明顯，尤其是在地層條件較好的情況下。

開挖后應在盡可能短的時間內施加初期支護，并盡早施作仰拱，將初期支護封閉成環(huán)，達到“強支護”的目的。但由于初期支護施工過程中的種種不當，例如進尺較深、工藝偏差、尤其是特殊圍巖及地形等原因，初期支護封閉成環(huán)之前圍巖的變形加劇，這時就應該采取必要的措施來避免變形過大造成施工安全事故出現(xiàn)。

2 工程應用分析

2.1 依托工程簡介

我單位承建的瓦屋里隧道、肖家塘隧道位于湖南省婁底市萬寶鎮(zhèn)西北約200m處。兩座隧道分別屬于滬昆客專湖南段婁邵聯(lián)絡線上行線和下行線，中間是其他單位正在施工的正線萬寶坪隧道。三座隧道平行施工，且彼此間相鄰距離很小，最小平距只有27m，施工難度及干擾極大。

2.2 隧道變形管理等級

施工期間，監(jiān)測人員在每次監(jiān)測后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制拱頂下沉、水平位移等隨時間及工作面距離變化的時態(tài)曲線，了解其變化趨勢，并對初期的時態(tài)曲線進行回歸分析，預測可能出現(xiàn)的最大值和變化速率。根據(jù)開挖面的狀況，拱頂下沉、水平位移量大小和變化速率，綜合判定圍巖和支護結構的穩(wěn)定性并根據(jù)變形管理等級及時反饋于設計和施工。變形管理等級標準見表2.1-1所示。

表2.2-1 變形管理等級標準表

管理等級管理位移施工狀態(tài) ⅠUo 2Un/3采取特殊措施 注：Un為允許最大位移量，Uo為當前位移量

2.3 隧道變形施工等級及控制措施

當管理等級為Ⅱ、Ⅲ級時就應該對隧道的初期支護采取措施來控制其變形，隧道圍巖變形控制及分級見表2.3-1：

表2.3-1 隧道圍巖變形分級及控制措施表

管理等級施工級別圍巖量測及現(xiàn)場觀察情況技術措施管理措施 Ⅱ輕度拱頂出現(xiàn)輕微沉降，噴砼面出現(xiàn)細小裂痕，無明顯掉塊現(xiàn)象，收斂情況可控增設鎖腳錨桿，錨桿端頭處與鋼架“L”形焊接現(xiàn)場技術員、施工隊工班長注意觀測、控制；量測頻率正常 Ⅲ中度拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在5cm以上，但是日沉降量曲線較為平緩；噴砼面出現(xiàn)較大裂縫、隆起，鋼架出現(xiàn)輕微變形拱部及邊墻增設鎖腳錨桿，上臺階設臨時橫撐閉合，拱部視情況小導管注漿隧道主管帶領技術員及施工隊各負責人密切關注，增加量測頻率，避免發(fā)展成為重度 Ⅲ重度拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在10cm以上，同時有較為明顯的日沉降量；噴砼面出現(xiàn)密集裂縫、隆起、掉塊；鋼架出現(xiàn)明顯變形，上下臺階連接板處發(fā)生扭曲1.上、下臺階設臨時橫撐閉合，上下臺階連接板處下方設斜撐與底層橫撐相連，拱部及周邊小導管注漿2.全環(huán)設護拱施工，并將護拱連接成為整體，防止塌方項目主管領導值班，現(xiàn)場負責人跟蹤觀察指導，避免坍塌事故，出現(xiàn)特殊情況及時撤離

2.3.1輕度級別變形控制措施

2.3.1.1技術措施及施工工藝

當拱頂出現(xiàn)輕微沉降，此時目測初期支護噴砼面出現(xiàn)細小裂痕，但是無明顯掉塊現(xiàn)象，沉降、收斂量測數(shù)據(jù)顯示較小但是還有繼續(xù)發(fā)展趨勢時應該按照隧道變形輕度級別進行變形控制，具體施工過程如下：

a.沿初支鋼架45°夾角打設增強鎖腳錨桿，錨桿長度4m。

b.錨桿頭加工成L型，緊貼鋼架兩側各設置一根，錨桿L型接頭抱緊后與鋼架面板滿焊加固。

c.每側拱腳各增設2組鎖腳錨桿，錨桿安裝完成后注漿處理。

d.對初期支護噴砼開裂面復噴處理，并作出標示，方便進行后續(xù)的觀察噴砼面是否繼續(xù)開裂。

2.3.1.2管理措施

a.現(xiàn)場技術員及作業(yè)工班長對處理完成的初期支護進行觀察，主要觀察拱部及拱腳噴砼面是否繼續(xù)開裂，裂縫寬度是否增大，錨桿錨固孔是否出現(xiàn)明顯下沉式開裂等。

b.增加隧道圍巖量測頻率，根據(jù)量測數(shù)據(jù)分析初支體系穩(wěn)定情況，形成動態(tài)控制。

2.3.2中度級別變形控制措施

2.3.2.1技術措施及施工工藝

拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在8cm以上，但是日沉降量曲線較為平緩；目測初期支護噴砼面出現(xiàn)較大裂縫、有部分隆起，鋼架拱腳處出現(xiàn)輕微扭曲或彎起變形，此時應該按照隧道變形中度級別進行變形控制，具體施工過程如下：

a.拱部及邊墻增設鎖腳錨桿，L=4m；每側拱腳設置2組，錨桿頭與鋼架抱緊滿焊；具體施工方法與輕度級別中描述一致。

b. 于上臺價拱腳處加設臨時橫撐。臨時橫撐使用Ⅰ18工字鋼，長度根據(jù)現(xiàn)場實測而得，兩端分別與兩側拱腳滿焊，形成封閉環(huán)狀體系。連接端頭也可以使用連接板螺雙連接，但是施工中不容易控制其緊密連接，故采用焊接連接方式。

c.臨時橫撐一般沿線路方向至少布置2道，安裝前確保其置于穩(wěn)定、堅硬的地基上，為方便行車橫撐縱向間須鋪墊料碴或混凝土，待壓實后方可行走機械。

d.視圍巖情況考慮是否進行小導管注漿處理，如圍巖松散、破碎較嚴重則必須注漿處理。

e.圍巖穩(wěn)定后可以切割拆除臨時橫撐，此時整體圍巖基本已同初期支體系形成自穩(wěn)結構，但拆除時仍應小心觀察，如發(fā)現(xiàn)異常則立即停止拆除并焊接恢復。

2.3.2.2管理措施

a.出現(xiàn)中度級別變形施過程中應由隧道主管領導帶隊，密切關注變形段。要經(jīng)常對初期支護進行觀察，尤其是對施作完成的臨時橫撐的觀察。首先觀察初期支護表面裂縫是否繼續(xù)發(fā)展，拱腳處有無明顯變形，橫撐與鋼架焊接處是否出現(xiàn)開焊現(xiàn)象，這樣可以針對實際情況來進行施工上必要的調整。

b.增加隧道圍巖量測頻率，根據(jù)量測數(shù)據(jù)分析初支體系穩(wěn)定情況，形成動態(tài)控制。

2.3.3重度級別變形控制措施

2.3.3.1技術措施及施工工藝

拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在10cm以上，同時有較為明顯的日沉降量；目測初期支護噴砼面出現(xiàn)密集裂縫、隆起、掉塊現(xiàn)象；鋼架出現(xiàn)明顯變形，尤其是拱腳及上下臺階連接板處發(fā)生扭曲現(xiàn)象嚴重，此時應該按照隧道變形重度級別進行變形控制，具體施工過程如下：

a.拱部及邊墻增設鎖腳錨桿，L=4m；每側拱腳設置2組，錨桿頭與鋼架抱緊滿焊；具體施工方法與輕度級別中描述一致。

b. 于上臺價及下臺階拱腳處加設臨時橫撐。臨時橫撐使用Ⅰ18工字鋼，長度根據(jù)現(xiàn)場實測而得，兩端分別與兩側拱腳滿焊，形成封閉環(huán)狀體系。

c.由于圍巖應力集中，上、下臺階連接處極易出現(xiàn)變形、隆起、侵限現(xiàn)象，使用Ⅰ18工字鋼斜撐將上臺階拱腳與下臺階橫撐相連，形成三角穩(wěn)定結構結構，可以有效的控制事故發(fā)生。

d.拱部小導管注漿處理，邊墻局部、尤其是連接板處注漿處理。

e.圍巖穩(wěn)定后可以切割拆除臨時橫撐、及斜撐，遵循拆除一段仰拱施工一段的原則，循序施工，保證臨時封閉結構安全轉移成為仰拱封閉結構，具體施工同上文所述。，拆除時小心觀察，如發(fā)現(xiàn)異常則立即停止拆除并焊接恢復。

f.如已施工完仰拱的初期支護仍出現(xiàn)突然的沉降收斂，或者量測曲線平緩但繼續(xù)下去會導致初期支護侵限，此時如果二次襯砌無法跟上施工，則應該設置護拱（套拱）。護拱使用既有工字鋼鋼架全環(huán)安裝，下部連接板直接坐落于已施工仰拱混凝土面上?？v向之間護拱使用連接筋連接，護拱與原初支面間空隙處使用墊板填塞密實，確保應力傳遞，并盡快安排后續(xù)二襯施工，護拱拆除也遵循拆除一段施工一段二襯原則，必要時采取跳槽施工二襯。

2.3.3.2管理措施

a.出現(xiàn)重度級別變形施過程中應由項目部主管領導帶隊，輪換制度密切關注變形段，確保洞內全時間段均有人值班。出現(xiàn)特殊情況及時匯報并采取相應措施，防止坍塌事故的發(fā)生。

b.隧道圍巖量測跟蹤進行，確保洞內隨時有人監(jiān)測，獲得第一手數(shù)據(jù)，避免坍塌事故。

c.組織隧道施工專家每天召開現(xiàn)場會，實時分析并研究探討應對措施，做到隧道施工安全萬無一失。

3 優(yōu)缺點分析及結論

3.1 優(yōu)點

a.處理時間短，使用加強鎖腳錨桿，加設橫撐、斜撐具備施工時間短的優(yōu)點，隧道施工安全控制拼的就是時間，尤其對于重度變形來說，早一個小時采用應對措施控制住可能就會避免一次侵限、坍塌事故。而上述三種控制措施均可以原地取材，拆卸也很方便，時間短是其最大的優(yōu)點。

b.效果明顯。在實際應用中，上述三種變形控制措施均得到了驗證，實用效果很好，均控制住了隧道的變形，為后續(xù)的施工提供了非常好的安全保障。

c.工藝簡單，隧道內大部分施工人員不需要培訓均可快速施工，也為隧道安全風險快速處理原則提供了有力保障。

3.2 缺點

a.阻礙行車。安裝了橫撐、斜撐之后，對行車通暢有部分影響，機械施工過程中也需小心，防止碰到臨時支護而導致其扭曲、變形不起作用。

b.浪費材料。安裝的橫撐、斜撐由于分散了圍巖應力釋放，緩解了圍巖應力集中，會輕微的變形，導致拆除后部分工字鋼不能再次循環(huán)利用。

3.3 結論

隧道變形控制使用加強鎖腳錨桿，增加橫撐、斜撐等措施控制，能有效的控制隧道變形，分解及減緩圍巖應力集中，避免出現(xiàn)初支侵限，隧道坍塌事故，為后續(xù)的仰拱閉合施工提供了安全保障，也為二襯施工提供了足夠了安全儲備；其工藝簡單，可操作性強，施工時間很短，可靠性也經(jīng)過了實踐驗證，是隧道變形控制的首選措施。

[1]中華人民共和國鐵道部：《鐵路隧道工程施工技術指南》

[2]中華人民共和國鐵道部：《鐵路隧道工程施工質量驗收標準》

[3]由鐵道第三勘察設計院集團有限公司設計的長昆客專鐵路設計文件和施工圖紙。

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