軟巖大變形隧道二次襯砌混凝土回填量控制研究

姬延波

(中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著社會經濟的發展，我國的鐵路、公路、水利、地鐵等基礎建設發生著日新月異的變化，越來越多的工程轉向地下空間。在地下工程施工中，鉆爆法以其適用范圍廣和工藝簡單等特點，成為現階段隧道施工的主要方法。但鉆爆法由于工序多，以人工操作為主，一定程度上加大了施工工藝的控制難度。初期支護結構預留變形量對二次襯砌混凝土厚度的影響就是其中之一，且在軟巖大變形段隧道施工中尤為突出。

在隧道軟巖大變形控制方面:劉建友等［1］提出軟弱圍巖的力學特征及其變形規律是實現軟弱圍巖隧道安全快速施工的理論基礎。強度低、變形大、變形時間長、變形速度快是軟弱圍巖的基本特征，故在軟弱圍巖隧道施工過程中，必須根據圍巖應力調整的特征及其變形規律，合理選擇開挖分部和開挖進尺，切實做好超前支護，加強施工管理，按照“預支護、快挖、快支、快封閉”的施工原則，實現軟弱圍巖隧道安全快速施工。

徐慧芬［2］對大埋深軟巖隧道的合理開挖斷面、合理施工工序和支護參數進行了深入的研究。優化后的方案改善了斷面仰拱位置的幾何奇異性，使開挖斷面更加平滑，使襯砌的受力更加均勻。優化后的方案在盡量不增加開挖面積的前提下，增加了仰拱的深度，很好地控制了圍巖的豎向收斂，從而有效地控制了圍巖塑性區的發展。

徐勇等［3］為解決雙線軟巖隧道施工中普遍存在沉降和收斂過大、初期支護變形侵限導致拆換拱的現象，通過介紹蘭渝鐵路兩水隧道施工中應用的幾種工法，根據圍巖監控量測數據分析，從安全、進度和設備利用方面進行比選，得出大拱腳臺階法比較適合于雙線軟巖隧道的施工。

在隧道軟巖大變形段施工時，為避免初期支護變形侵限導致拆換拱增加施工投入的現象發生，普遍采用按最大累計變形量來確定初期支護預留變形量的方法施工，且傳統理念確定的初期支護預留變形量為拱墻統一設置［4－5］。通過大量現場實踐證明，初期支護結構并不是全環均勻變形的，這就造成局部二次襯砌混凝土實際施工厚度大大超出設計厚度，即二次襯砌混凝土回填量過大。

針對此問題，目前無相關的文獻可供借鑒。本文通過對蘭渝鐵路同寨隧道軟巖大變形段圍巖情況及變形數據進行統計分析，總結其變形規律，并對初期支護斷面進行優化設計，提出預留變形量從拱頂到拱腳由大到小漸變設置的理念，從而減少二次襯砌混凝土的回填量。

1 工程概況

1.1 總體情況

同寨隧道是新建蘭州至重慶鐵路夏官營至廣元段的一座高風險隧道，全長8 827 m(DK247+308～DK256+135)，位于甘肅省隴南市宕昌縣境內，線路基本呈西北向東南走向。隧道洞身通過的地層主要為三疊系下統板巖夾砂巖及華力西期安山玢巖，原設計70%為Ⅲ級圍巖，28%為Ⅳ級圍巖，2%為Ⅴ級圍巖。實際揭示70%為三疊系下統板巖夾砂巖地層，屬Ⅳ級圍巖。

1.2 地質情況

同寨隧道大變形主要發生在三疊系下統板巖地層內，薄層板狀、節理、小揉皺和褶曲等構造發育，巖層的傾向和走向與隧道的位置關系是該種地層隧道初期支護大變形的主要原因。

1.3 大變形段隧道主要施工參數

拱部120°范圍設φ42 mm超前注漿小導管，長4 m，環向間距為40 cm，縱向間距為2.4 m。全環噴射C25混凝土，拱墻厚30 cm，仰拱厚25 cm。全環設置H175型鋼鋼架，間距為 0.6～0.8 m;鋼架采用 φ22 mm縱向連接筋連接，環向間距為1.0 m。拱墻掛設φ8 mm鋼筋網，網格間距為20 cm×20 cm，拱部掛雙層鋼筋網。邊墻設φ22 mm砂漿錨桿，長4 m，間距為1.2 m×1.0 m(環×縱)，砂漿錨桿可作為鋼架鎖固錨桿進行位置調整。鋼架設置φ42 mm注漿鎖腳錨管，長4.0 m，每榀鋼架12根。拱墻增設φ42 mm小導管徑向注漿加固，長 4.0 m，間距為 1.5 m ×1.5 m(環 ×縱)。二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，鋼筋環向采用φ22 mm@20 cm，縱向采用φ14 mm@20 cm，箍筋采用φ8 mm@20 cm×20 cm，拱墻厚50 cm，仰拱厚55 cm。

2 變形規律研究

2.1 變形量與地質因素關系

根據同寨隧道軟巖大變形不同里程段的不同圍巖情況，建立了圍巖情況與累計變形量關系表。測線布置見圖1。圍巖情況與累計變形量關系見表1。

圖1 測線布置圖Fig.1 Layout of measurement lines

表1 圍巖情況與累計變形量關系表Table 1 Relationship between surrounding rock conditions and cumulative deformation

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本工程穿越的地層以表1中第4種情況居多，即三疊系下統板巖地層，薄層板狀構造，層間結合力差，節理、褶曲和小揉皺發育。本文下述內容均以該種地層為例，統稱“隧道大變形段”。

2.2 開挖臺階設置與步距控制

隧道大變形段采用三臺階鉆爆法施工，初期支護預留變形量從拱頂到拱腳均為30 cm。具體支護結構及臺階劃分情況見圖2。

圖2 隧道斷面(單位:mm)Fig.2 Cross-section of tunnel(mm)

現場正常施工統計顯示，開挖掘進日進尺2.4 m，月完成72 m。仰拱封閉作業面與上臺階掘進作業面始終保持40 m的安全距離計算，同一里程部位從初期支護完成到仰拱封閉，上臺階需要17 d，中臺階需要15 d，下臺階需要7 d。在此期間，上臺階初期支護結構將受中臺階、下臺階及仰拱開挖施工擾動多次，中、下臺階與之相比，受到的擾動次數相應較少［6－7］。隧道施工分布情況見圖3。

圖3 隧道施工分布圖Fig.3 Arrangement of tunnel construction

2.3 施工期間變形分析

根據現場監控量測數據統計分析，正常情況下仰拱封閉后初期支護結構變形趨于穩定。以典型地段為例進行變形數據統計分析，同一里程部位從初期支護完成到仰拱封閉拱頂下沉H線累計達255 mm左右，周邊收斂A線累計達350 cm左右(單側為175 mm)，周邊收斂B線累計達150 cm左右(單側為75 mm)。時間－位移曲線見圖4。

圖4 時間－位移曲線Fig.4 Displacement Vs time

2.4 變形規律

1)初期支護結構累計變形量與圍巖薄層板狀、節理、小揉皺、褶曲等構造發育情況，以及巖層產狀與隧道走向等因素均具有一定的關系。

2)初期支護結構累計變形量與其暴露時間及受擾動次數成正比。

3)同寨隧道軟巖大變形段累計變形量從拱頂到拱腳呈現由大到小漸變的規律，即拱頂變形量最大、邊墻次之、拱腳變形量最小。

3 初期支護斷面優化

3.1 斷面優化

在不改變隧道初期支護凈空斷面等設計原則的基礎上，結合上述變形規律，可對其初期支護斷面進行優化設計。將初期支護內輪廓半徑由圖2的693 cm減小為678 cm，將圓心與內軌頂面的距離由圖2的242 cm變更為257 cm，將圖2斷面的下部直線段變更為拱墻同心圓曲線，二次襯砌按原設計施工，實現了優化后初期支護斷面的預留變形量由拱頂至拱腳為30～9.5 cm漸變。優化后隧道斷面見圖5。

圖5 優化后隧道斷面(單位:mm)Fig.5 Optimized tunnel cross-section(mm)

3.2 斷面優化對比分析

按拱墻預留變形量均為30 cm的初期支護斷面施工后(見圖6，圖中黑色區域為二次襯砌混凝土回填區域，襯砌前初期支護斷面輪廓采用全站儀加密測點繪圖獲得)，平均每延米實際用量超出設計量3.5 m3(采用CAD繪圖或根據測點求二次襯砌混凝土平均厚度計算獲得)。按二次襯砌混凝土成本為500元/m3計算，則每延米隧道成本增加1 750元。

圖6 優化前襯砌斷面Fig.6 Lining cross-section before optimization

按優化后初期支護斷面(見圖5)施工后(見圖7，圖中黑色區域為二次襯砌混凝土回填區域)，平均每延米實際用量超出設計量1.1 m3，比采用原初期支護斷面施工的二次襯砌混凝土超耗量減少2.4 m3，減少量達69%。同樣按混凝土成本為500元/m3計算，則每延米隧道成本增加550元。與按優化前的初期支護斷面施工相比，每延米隧道成本相應減少1 200元。按同寨隧道預計5 000 m的大變形段預估，單此一項將節約成本600萬元。

圖7 優化后襯砌斷面Fig.7 Lining cross-section after optimization

4 結論與探討

本文對蘭渝鐵路同寨隧道軟巖大變形段的地層情況、施工步距及變形數據進行了研究分析，根據分析結果對初期支護斷面進行了優化設計，達到大幅度減少二次襯砌混凝土超耗的目的，降低了施工投入。主要結論如下:

1)軟巖大變形段隧道初期支護結構累計變形量與圍巖特征、暴露時間及被擾動次數有直接關系。

2)根據初期支護結構的累計變形量與不同臺階以及圍巖特征之間的關系，對全環均勻設置預留變形量進行了優化，拱頂至拱腳分別在30～9.5 cm、40～12 cm和20～5 cm等范圍內，采用不同程度漸變設置預留變形量的初期支護斷面。

3)在施工過程中，根據每循環開挖后揭示的圍巖特征，判斷可能出現的變形程度，動態調整不同圍巖條件下各部位的預留變形量，從而選擇合適的優化斷面。

4)仰拱初期支護完成至仰拱混凝土澆筑封閉時間較短，一般不超過12 h，變形量在施工誤差值允許范圍內，不考慮預留變形量。

由于軟巖大變形隧道地質條件十分復雜，變形影響因素眾多，一味通過加強支護參數或二次支護，工程投入將大大提高［8－10］。通過動態調整預留變形量控制二次襯砌混凝土回填量，僅是控制大變形隧道施工投入的一小部分，也存在于變形控制措施充分有效發揮作用的基礎之上。如何在確保安全的前提下進一步降低軟巖大變形隧道的工程投入，最終達到安全、經濟、高效的目的，仍有待于進一步深入研究。

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