喻有彪

（滇南鐵路有限責(zé)任公司，云南 玉溪 653100）

1 引言

近年來，有關(guān)隧道雙層初期支護(hù)施工技術(shù)的研究與實踐較多，成果豐富，對其受力分析、厚度分配、布置形式、施作時機(jī)等方面均進(jìn)行了理論研究與實踐驗證，各個案例結(jié)論還存在一些差異。玉磨鐵路景寨隧道變形控制研究過程中，在進(jìn)一步分析實踐雙層初期支護(hù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了3（多）層初期支護(hù)技術(shù)的探索。

2 工程概況

玉磨鐵路為中老昆萬鐵路國內(nèi)段，途經(jīng)玉溪市、普洱市、西雙版納州，至磨憨口岸與國外段直連，設(shè)計速度160 km/h，其中，西雙版納至國界段為單線。景寨隧道全長9 509 m，為單線隧道，緊伴瀾滄江而行，其進(jìn)口至斜井間正洞長4 385 m，斜井長1 200 m，受地形限制不具備增加斜井或橫洞的條件。

斜井小里程正洞揭示圍巖為頁巖（約占65%）夾砂巖（約占30%）、炭質(zhì)頁巖（約占5%），淺灰、深灰及黑色，以中薄～極薄層狀為主，層厚0.1～5 cm。泥巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖為泥質(zhì)、炭質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)軟，遇水易軟化；砂巖為粉、細(xì)砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)。

巖層走向與線路夾角約15°，橫向傾線路左側(cè)，縱向傾大里程，傾角約40°。受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體極其破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，開挖后巖體呈片狀、角礫狀。目測發(fā)育3～4 組結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面間層面光滑，層間結(jié)合差。地下水弱發(fā)育，局部地段地下水發(fā)育且存在水囊。

3 面臨的問題

本工程所面臨的問題有：

1）變形問題突出。因嚴(yán)重不良地質(zhì)影響，景寨隧道斜井小里程在建設(shè)過程中遇到的最大難題為大變形，單側(cè)收斂最大值達(dá)180 cm，工程推進(jìn)困難。鋼架扭曲折斷十分普遍，停工加固或換拱成為常態(tài)，嚴(yán)重阻礙了工程的推進(jìn)，發(fā)展成影響玉磨鐵路按期開通的關(guān)鍵控制性工程。

2）安全風(fēng)險極高。景寨隧道斜井正洞初期支護(hù)收斂變形問題，造成侵限換拱率達(dá)到80%，且施工安全風(fēng)險極高，安全管理難度極大。

3）工期風(fēng)險突出。景寨隧道斜井小里程正洞2020 年1 月至2021 年3 月期間，累計進(jìn)尺235 m，平均月進(jìn)尺僅15.6 m，工期風(fēng)險十分突出，成為玉磨鐵路關(guān)鍵控制性工程，是確保按期開通的關(guān)鍵堵點。

4 本隧軟巖大變形原因分析

結(jié)合圍巖巖性和產(chǎn)狀分析并進(jìn)行地應(yīng)力測試可知，隧道軟巖大變形是由高地應(yīng)力加軟弱圍巖引起的擠壓型剪切滑移變形，變形具有明顯的方向性且受水平地應(yīng)力主方向控制。巖層走向存在順層偏壓，大變形原因為順層偏壓造成非順層側(cè)初支折斷、壓潰式變形，圍巖遇水軟化后失去自穩(wěn)能力，加劇了初期支護(hù)變形，最終圍巖無法承受造成拱架剪斷、扭曲，喪失支護(hù)能力，初期支護(hù)受力情況如圖1 所示，現(xiàn)場圍巖狀態(tài)如圖2 所示。主要為高地應(yīng)力、順層偏壓聯(lián)合作用引起的大變形。應(yīng)力解除法地應(yīng)力試驗結(jié)果顯示景寨隧道斜井小里程屬于擠壓性圍巖大變形區(qū)段，變形長達(dá)3.5 km，等級達(dá)到3 級[1]，且斷層的存在極大地加劇了變形風(fēng)險。

圖1 初期支護(hù)受力情況圖

5 雙層初期支護(hù)方案研究實踐

在采取了加大鋼架型號、增加預(yù)留變形量、設(shè)置大鎖腳、規(guī)范采用短臺階快速成環(huán)工法、采用非爆開挖等常規(guī)措施未能有效解決變形問題后，現(xiàn)場研究采用了雙層初期支護(hù)技術(shù)。

圖2 現(xiàn)場圍巖狀態(tài)

5.1 關(guān)鍵工序確定

雙層初期支護(hù)施工關(guān)鍵在于第2 層初期支護(hù)施工的時機(jī)，既要具有可操作性，又要把握合適的時機(jī)，在變形失控前及時實施到位。具體包括以下3 個方案。

1）方案1

在下臺階落底仰拱初支成環(huán)后實施第2 層支護(hù)，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)此時拱腰位置收斂已經(jīng)較大，初支圓順性差，第1 層初期支護(hù)已經(jīng)明顯弱化，此時已經(jīng)失去了實施第2 層初期支護(hù)的時機(jī)。

2）方案2

在掌子面開挖后同時實施兩層初期支護(hù)，經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)存在拱架安裝困難、噴射混凝土無法噴射密實、超前支護(hù)難以實施到位的問題。

3）方案3

第2 層初期支護(hù)滯后第1 層一定距離實施。

經(jīng)反復(fù)試驗，最終確定采用方案3：第2 層支護(hù)滯后第1 層支護(hù)2.5~4.5 榀鋼架距離，即第2 層支護(hù)滯后掌子面3~5個循環(huán)，控制變形的實施時機(jī)最合適，實施難度相對較小，可做到第2 層支護(hù)與掌子面的第1 層支護(hù)同時立架、同時噴漿，第2 層支護(hù)施工時一次立架2~3 榀。

5.2 雙層初期支護(hù)參數(shù)

經(jīng)試驗研究確定雙層支護(hù)主要參數(shù)：第1 層為HW175 鋼架（全環(huán)），縱向間距0.8 m/榀，第2 層采用I20 鋼架（拱墻）。為更有利于控制位移和應(yīng)力，減少鋼拱架扭曲變形和噴射混凝土開裂，經(jīng)分析確定第2 層鋼架與第1 層交錯布置[2]，接頭標(biāo)高高于第1 層鋼架30 cm，下墊循環(huán)使用的支墊鋼凳確保不懸空；仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)施工時確保第2 層鋼架支撐受力。

5.3 施工工序流程

循環(huán)方式1：（1）上、中、下臺階機(jī)械開挖1 榀；（2）安裝3個臺階第1 層鋼架及網(wǎng)片鎖腳；（3）分層噴射混凝土。

循環(huán)方式2：（1）上、中、下臺階機(jī)械開挖及初噴1 榀；（2）安裝3 個臺階第1 層鋼架及網(wǎng)片鎖腳；（3）安裝3 個臺階第2 層鋼架及網(wǎng)片鎖腳2~3 榀；（4）分層噴射混凝土。

結(jié)合開挖初支穩(wěn)定情況，以上兩種循環(huán)方式可按“方式1+方式2”或者“方式1+方式1+方式2”交叉進(jìn)行。

5.4 實踐效果

采取雙層初期支護(hù)后最大累計沉降560 mm，最大累計收斂1 016 mm，換拱率仍高達(dá)54%。變形得到一定的控制，但仍然不滿足工程推進(jìn)及安全管控的需要。

6 3（多）層初期支護(hù)技術(shù)

經(jīng)進(jìn)一步分析研究，現(xiàn)場提出了3 層初期支護(hù)的方案，并逐步實踐摸索。

6.1 關(guān)鍵工序確定

3 層支護(hù)的關(guān)鍵工序為第3 層的實施時機(jī)。經(jīng)分析，如果參照第2 層初期支護(hù)施工工序施工第3 層支護(hù)，需要增加臺階長度，且工序復(fù)雜，不利于變形控制且施工組織難以快速實施。結(jié)合變形過程分析，在按雙層支護(hù)順序2 層支護(hù)施工完成后，在下臺階按長度6 m 的循環(huán)長度實施第3 層支護(hù)。

6.2 3 層初期支護(hù)參數(shù)

第1 層、第2 層初支鋼架均采用全環(huán)HW175 型鋼，間距為0.8 m。

第3 層支護(hù)采用了兩種支護(hù)參數(shù)：一是采用拱墻I20 鋼架，間距0.8 m；二是采用拱墻鋼筋噴射混凝土結(jié)構(gòu)。

6.3 應(yīng)力釋放0#支護(hù)方案

在曼么小寨-加布托斷層影響核心區(qū)段30 m，采用了0#支護(hù)方案。采用單層初期支護(hù)（即0#支護(hù)），在不坍塌的情況讓其變形充分釋放壓力，施工完成10 m 作為一個段落，再按照3 層初期支護(hù)方案重新進(jìn)行開挖支護(hù)。0#支護(hù)起到超前洞室釋放壓力的作用[3]。

6.4 配套措施

6.4.1 開挖

隧道洞身開挖確定采用機(jī)械銑挖開挖，短臺階快速封閉施工方法。根據(jù)開挖斷面合理確定臺階高度、長度，上臺階高度3.9 m，長度按5 m 控制；中臺階高度3.3 m，長度5 m，左右錯開2 榀鋼架；下臺階高度為3.5 m，左右錯開2 榀鋼架；仰拱初期支護(hù)開挖高度2.34 m，仰拱初支距離掌子面不得超過20 m。開挖預(yù)留變形量按130 cm（包括第2、3 層空間）控制。

6.4.2 超前支護(hù)

考慮到受斷層影響，巖體破碎，層間結(jié)合極差，為避免掌子面溜坍、超挖嚴(yán)重，確保現(xiàn)場施工安全，一般地段采用φ42 mm 小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施，局部地段采用φ108 mm大管棚+φ42 mm 小導(dǎo)管超前支護(hù)方案。

6.4.3 大鎖腳

為避免各工序轉(zhuǎn)換過程中初期支護(hù)變形過大，第1 層鋼架上、中、下臺階左右側(cè)均設(shè)置2 根φ76 mm 鎖腳錨管進(jìn)行加強，每根長5 m；第2 層鋼架上、中、下臺階左右側(cè)均設(shè)置2 根φ42 mm 鎖腳錨管，每根長4 m。內(nèi)外層鋼架鎖腳錨管均采用M20 水泥砂漿對鎖腳錨管進(jìn)行注漿加固鎖腳基礎(chǔ)。

6.4.4 監(jiān)控量測

初期支護(hù)監(jiān)控量測頻率≥2 次/d，并詳細(xì)做好數(shù)據(jù)記錄。施工中結(jié)合變形速率、施工進(jìn)度等因素，當(dāng)變形量達(dá)到或接近控制基準(zhǔn)時，采取補強措施或調(diào)整第3 層初期支護(hù)施工時機(jī)。

6.4.5 實踐效果

本隧道3（多）層初期支護(hù)措施得到順利實施，第3 層支護(hù)累計最大變形量8.5 cm，控制變形效果明顯，降低了安全風(fēng)險，避免了換拱施工，平均月進(jìn)尺達(dá)到39 m，有效解決了工期問題，景寨隧道安全貫通。

7 結(jié)語

景寨隧道斜井正洞采用3（多）層初期支護(hù)技術(shù)，有效緩解了大變形，保證了景寨隧道的安全貫通。在實踐過程中摸索出合適的施工工序，形成了以多層初期支護(hù)為主并加輔助措施與配套工法的控制變形綜合方案。雖屬被動控制措施，但效果明顯，對類似工程具有一定參考價值。