泥巖地質隧道大變形施工控制技術

摘要：以蘭渝鐵路哈達鋪隧道施工為例，介紹泥巖地層中修建隧道變形控制的方法。施工中通過圍巖量測掌握圍巖變形動態，運用分部開挖臨時仰拱封閉成環及上半斷面扇形支撐技術，對圍巖變形進行控制。

關鍵詞：泥巖地層變形控制

0 引言

因為泥巖的強度較低，且具有膨脹性，遇水會軟化，所以如果在泥巖地層內進行地下隧道的修建，由此引發的隧道變形（如水平收斂、拱頂下沉等）都會很大，極易損壞隧道初期支護。初期支護噴射混凝土表面脫落、鋼架扭曲等都是其具體體現，最后會破壞剛性支護前隧道的穩定性能。我國當前鐵路隧道工程施工過程中形成的CRD、CD法以趨于成熟，能對圍巖大變形進行控制，以保證安全地進行隧道施工。哈達鋪隧道穿越的地層局部為泥巖，本文主要介紹了分部開挖臨時仰拱封閉成環和上半斷面扇形支撐技術來對圍巖變形進行控制的方法。

1 工程概況

蘭渝鐵路哈達鋪隧道為穿越長江、黃河的分水嶺——麻子川的越嶺隧道，隧道走向大致為西北——東南向，地貌上位于西秦嶺高中山區及山間盆地區，山高溝深，山坡、谷坡較陡地面最小高程2224米，最大高程2898.3米，隧道最大埋深約480米，最小埋深約30米，隧道為兩座單線隧道，單線全長16600米。

隧道洞身穿越地層局部的泥巖，該地層的礦物成分主要為黏土質的，構造呈泥質結構中厚層狀；巖體基本完整，但成巖作用不好，巖質較軟，錘擊易碎，節理較發育，強風化——弱風化，強風化層多呈碎塊狀，弱風化多呈塊狀，具弱膨脹性。該隧道通過的地層主要為下第三系與三疊系不整合接觸帶，接觸面巖體破碎。

隧道泥巖地質段運用IV級和V級圍巖復合式襯砌支護結構，初期支護使用鋼筋網、錨桿、鋼架、噴射混凝土聯合支護。根據設計要求，二次襯砌為圍巖壓力提供抗力，將二次襯當作砌承載結構，分別承擔50%~70%的圍巖松散荷載。表1為具體初期支護參數。

2 前期隧道施工方法及圍巖變形狀況

2.1 前期隧道施工方法 按照哈達鋪隧道工程設計的特征和地質狀況，前期通過臺階法在施工隧道V級圍巖段開挖支護，也就是先開挖臺階，完成約30米的上臺階開挖后再開始下臺階的開挖施工，注意上、下臺階的開挖要同步進行；下臺階開挖約20米就開始仰拱開挖，通過鉆爆法，人工風槍鉆孔和裝藥，毫秒雷管分段延遲起爆，光面爆破。

結束上臺階的鉆孔、裝藥、起爆、出碴后，根據設計要求先噴射4cm后混凝土封閉巖面和掌子面，施作及安裝鋼架、錨桿和鋼筋網；再按照規定的厚度復噴混凝土。開挖下臺階時，左右跳開進行邊墻的開挖，同時根據規定完成邊墻鋼筋網和錨桿的施作，接長鋼架完成邊墻的初期支護。

結束約20米下臺階開挖支護后，開始仰拱的開挖施工，且要和上、下臺階的開挖施工同步進行。自制棧橋作為仰拱的運輸通道，并使其達到上、下臺階出碴和初期支護材料的運輸要求。

開挖仰拱、上下臺階時，為及時了解圍巖情況，進行圍巖監控量測和地質預報是必要之舉。

2.2 前期圍巖變形狀況 哈達鋪隧道V級圍巖段經過15天的開挖支護后，圍巖會產生較大的變形，初期支護鋼架扭曲，表面噴混凝土產生裂縫甚至脫落。

2.2.1 具體監控量測數據特點 現場量測圍巖情況后得知：泥巖地層，通過臺階法和鉆爆法進行隧道施工的過程中，只有40%的圍巖水平拱頂下沉量和收斂位移量基本發生在開挖下臺階的施工中，其余60%都發生在上臺階的開挖施工中。開挖上臺階圍巖3~5d后，就會產生劇烈的水平收斂位移及拱頂下沉現象。

①開挖上半斷面當天會產生1~3cm/d的變形量，持續7d后變形率會出現顯著的下降，也有所緩和。開始開挖下臺階后，變形量又變大，同時在破壞初期支護前日達到1~2cm/d的變形量，15d變形總量約為15cm時，型鋼鋼架表面噴混凝土出現剝落現象。（在下臺階開挖前，上臺階圍巖基本趨于穩定的情況）②開挖上半斷面的當天，達到了1~3cm/d左右的變形量，日變形量在0.5~1cm/d左右。開挖下半斷面當天，水平方向出現約為3.5cm的變形，同時0.5~1.5cm/d日變形量保持了相當長的一段時間。上臺階變形在15d后約為20cm，此時裂紋現象也開始出現在噴射混凝土上，型鋼鋼架變得扭曲。（在下臺階開挖前，上臺階圍巖仍不穩定的情況）

2.2.2 現場變形的主要特征 待上臺階圍巖趨于穩定后，就開挖下臺階，這樣以來上臺階就會發生二次變形；如果上臺階圍巖的變形得不到解決，就開始開挖下臺階，則上臺階就會加速變形；開挖仰拱前，最明顯的初期支護變形表現在鋼架節點處向洞內膨脹外鼓，螺栓剪切破壞。

2.3 泥巖地質條件下圍巖變形控制 為使上臺階圍巖變形情況得到控制，施工中采用上臺階臨時仰拱、扇形支撐及及早施作仰拱等方法來控制。

2.3.1 圍巖變形原因分析 ①圍巖遇水易軟化，由此引起的變形也很大，其特點主要表現在流變和塑性，這種變形會破壞隧道初期支護。②泥巖具有膨脹性。如果在泥巖地層中進行洞室的開挖施工，原有地層的應力平衡就被破壞了，加之隧道突然遇水，就會增加向洞內的收斂變形。③因為處于不可溶巖和可溶巖的不整合接觸地段，不整合面還是傾斜的，上覆可溶巖下伏不可溶巖。在不可溶巖下進行開挖施工，導致上部地層出現沿崩解性物理風化帶的不整合面向下滑移，從而引起洞室變形。④分步開挖造成應力重新分布，應力重分布后帶來的直接作用使初期支護產生變形。

2.3.2 變形控制原理 若要使初期支護能力變強，可通過上臺階及早施作仰拱封閉成環、扇形支撐及臨時仰拱等方法，促進洞身封閉成環的支護體系的構成，使初期支護的剛度、強度得以充分利用，促進支護抗力的提早運用，從而使圍巖變形得到控制。在上臺階圍巖大致穩定的狀態下開挖下臺階時，可采用臨時仰拱。如果上臺階圍巖不斷產生變形，則可使用扇形支撐進行下臺階的開挖。

2.3.3 變形控制措施、方法及工藝

2.3.3.1 上臺階臨時仰拱封閉法 分析現場圍巖量測資料得知：開挖下臺階前，上臺階圍巖情況大致穩定，拱腳周邊保持著0.15mm/d的水平收斂速率，而拱頂下沉速率為0.10。為防止由下臺階開挖而導致的上臺階二次變形，施工過程中運用了臨時仰拱法封閉上臺階成環。圖1為詳細的施工步驟。

工藝流程：①a弱爆破開挖上臺階A；b進行臺階A附近的臨時支護和初期支護的施作，即初噴厚度為4cm的混凝土，進行鋼筋網的鋪設，在上臺階初期支護上安裝拱架和鎖腳錨桿；c鉆設徑向錨桿，再按設計中要求的厚度復噴混凝土。②根據要求監測上臺階圍巖狀況。③安裝臨時仰拱鋼架（I16工字鋼）5~6榀（確保單側邊墻開挖1~2m）。④a弱爆破開挖B；b在臺階附近噴混凝土，厚度為4cm，再進行鋼筋網的鋪設；c將鋼架接長，加設鎖腳錨桿；d鉆設徑向錨桿，再按厚度要求復噴混凝土。⑤aB點開挖約10米后，進行弱爆破開挖C；b施作隧底噴混凝土。⑥a分析監控量測的結果，待初期支護收斂后將I16臨時拱架拆除；b進行仰拱、填充砼的灌注。

2.3.3.2 上臺階扇形臨時支撐 現場測量結果表明：開挖下臺階前上臺階圍巖還是不能保持穩定的狀態，拱腳周圍水平收斂速率為0.6mm/d，拱頂沉降為是0.3。開挖下臺階的過程中，為使上臺階的變形盡量減緩或消除，施工時使用臨時扇形支撐，也就是將1環向鋼架（I16型鋼套拱）重新補加在已完成施工的初期支護鋼架的內側重，使初期支護具備足夠的強度及剛度，從而使上臺階初期支護的支護抗力滿足要求。圖1為具體的施工步驟。

工藝流程：除2.3.3.1③多加設扇形支撐（套拱）5~6榀（確保邊墻開挖1~2米）外，其余與上臺階臨時仰拱封閉法一樣。

2.3.3.3 二次襯砌 結束仰拱的施作后，如果隧道支護和圍巖的變形仍在繼續，此時的支護抗力可通過二次襯砌來提供。分析圍巖量測結果得知，如果初期支護變形一直在繼續，同時變形速率未出現明顯下降的趨勢，應盡快進行二次襯砌的施作。

2.4 控制措施實施效果 對圍巖進行現場量測后得知：運用了扇形支撐、臨時仰拱等措施后，在開挖下臺階的過程中，不管上臺階的圍巖變形是否趨于穩定，都能有效控制上臺階的變形情況，即拱頂下沉和周邊收斂分別不超過5cm和8cm，初期支護混凝土不脫落、開裂，拱架也不會產生扭曲變形。

3 結論

實踐表明，上臺階臨時仰拱封閉、上臺階臨時扇形支撐法，和CRD、CD比起來，工序不太復雜，便于機械化操作，進度較快。但同時也存在不足之處，如剛性結構的支護抗力過早的話，不能徹底釋放圍巖壓力，這樣不利于控制隧道遠期的變形。但修筑在泥巖地層中的隧道要進行圍巖變形的控制，上臺階臨時扇形支撐、上臺階臨時仰拱封閉法能使泥巖隧道變形得到有效控制，從而取得良好的施工效果。

參考文獻：

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