雁門關隧道富水段軟弱圍巖初期支護開裂變形控制技術

鄧伯科

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032)

1 工程概況

北同蒲鐵路取直線雁門關隧道位于山西省朔州市境內，隧道起訖里程DK110+855～DK124+940，全長14.085 km。最大埋深約820 m。為單洞雙線鐵路隧道，隧道以直線通過，線路縱坡為人字坡，上坡坡度為7‰，DK120+980以后下坡坡度為3‰。洞身凈寬12.06 m，凈高8.15 m。線路主要技術標準為:Ⅰ級鐵路、電力牽引、雙線、線間距4.4 m，旅客列車行車速度160 km/h，預留 200 km/h。

2 地質特點

雁門關隧道圍巖為古老的變質巖地層，巖性復雜多變，洞身穿越的巖性主要以片麻巖為主，部分段落分布黑云母變粒巖。變質巖雖為硬質巖石，但巖性變化大，巖體受到層理、片理、暗色超基性和中基性巖脈的穿插以及花崗巖的注入式混合巖化的影響，巖體破碎，受構造、蝕變和風化作用，巖體軟硬不均，夾有軟質團塊和軟層。斷層、層面和構造節理發育，多見層間摩擦面和巖脈穿插。隧道正洞發育19條斷層破碎帶，斷層破碎帶內充填角礫及斷層泥，巖層破碎，基本無膠結。

隧區內地下水以裂隙水為主，地下水賦存條件較好，隧道最大涌水量達29 800 m3/d，根據設計地質鉆孔資料，05-ZD-894鉆孔在83.6 m基巖面(土石分界)處見地下水，穩定水位43.3 m，承壓高度40.3 m，具承壓性。

3 施工地質揭示情況及圍巖與初期支護開裂變形原因分析

3.1 施工地質揭示情況

雁門關隧道富水段軟弱圍巖(DK111+745～DK112+180)施工地質揭示情況:全風化黑云母變粒巖(圖1)，巖體強度極低，手捏成粉末狀，遇水成泥，地下水呈先弱后強趨勢，自穩能力差，極易發生坍塌掉塊。

圖1 全風化黑云母變粒巖

3.2 圍巖與初期支護開裂變形情況

圖2 環、縱向開裂及噴射混凝土剝落

圖3 鋼架連接板變形

3.3 初期支護變形開裂原因分析

在彈性介質和水壓力作用下，開挖后隧道周邊的最大主應力是初始應力的2倍。而且整個周邊圍巖都處在受壓狀態，根據現場圍巖狀況、監控量測數據及應力計量測數據反映出:由于圍巖無自穩能力，開挖后周邊圍巖松散范圍大，但圍巖壓力相對小，分析初期支護為整體下沉，且拱頂下沉值是上臺階拱腳部位的2倍左右，施工中采用鎖腳鋼管能起到一定的抑制作用。正拱頂下沉曲線見圖4，兩側拱腳下沉曲線見圖5，圍巖水平收斂曲線見圖6，圍巖壓力曲線見圖7。

現場監控量測數據:在初期支護施工后1～5 d時間內變形值大，拱頂下沉值最大為363 mm，收斂值最大為145 mm。

(1)由于圍巖差，加之在地下水的作用下，圍巖間的粘結力下降，松散半徑擴大，不能形成承載拱，是造成初期支護開裂變形的主要原因。

(2)由于地下水作用，造成開挖輪廓不圓順，局部超挖值超標。雖然鋼架背后采取了引水管，但由于地下水量大且出水點多，仍較難保證噴射混凝土密實度的有效控制。

圖4 正拱頂下沉曲線

圖5 兩側拱腳下沉曲線

圖6 圍巖水平收斂曲線

圖7 圍巖壓力曲線

(3)由于地下水作用，造成拱腳部位地基承載力下降。

(4)初期支護全環閉合時間較長，延長了變形時間，在初支全部封閉成環后，圍巖變形呈遞減趨勢。

4 變形控制施工技術

嚴格控制開挖進尺，首先針對其圍巖特性采取注漿加固處理，掌子面采用超前注漿，拱部及邊墻部位采用徑向注漿;開挖后及時對掌子面噴射混凝土封閉;拱架連接板處增設槽鋼，增強拱腳基底承載力;鎖腳錨管采用加固新工藝，控制下沉;仰拱二襯緊跟，確保安全步距滿足規范要求;及時進行圍巖量測，以指導施工作業。

小說家見富翁不錯眼神地盯著自己，便把話題轉向了富翁：“我告訴你富翁，以后別什么事情都是錢不成問題，有些事情不都是錢能夠解決的。我發現你的文化底蘊不足，你應該到北京學一學MBA，給自己充電，然后繼續擴大產業。”

4.1 對圍巖進行注漿加固

針對此圍巖的特性，首先采取超前預注漿加固圍巖，注漿時水灰比為0.45∶1～0.5∶1，注漿壓力控制在0.5～2 MPa，注漿量根據設計注漿量及注漿壓力雙重控制。通過注漿增強圍巖自穩能力，減少圍巖松散半徑及時形成承載拱。

在初期支護噴射混凝土施工完后，及時打設徑向注漿鋼管，實施徑向注漿，注漿參數同超前預注漿。徑向注漿能有效地將圍巖與初期支護間的空隙、圍巖自身間的裂隙充填滿，充分發揮了初期支護的支護能力。

通過超前預注漿及徑向注漿(圖8)，對地下水進行了有效阻截。在實施超前和徑向注漿后，打設部分泄水孔，對地下水進行集中引排，防止地下水浸泡拱腳部位，造成拱腳失穩。

圖8 超前預注漿及徑向注漿

4.2 嚴格控制開挖進尺

每循環開挖進尺不超過60 cm。采取三臺階七步開挖時，每個臺階長度控制在3～5 m，左右側中下臺階錯開長度不少于2 m。

4.3 鋼拱架鎖腳錨管創新新工藝

為有效控制鋼架變形，在每榀上、中、下臺階鋼架拱腳部位焊接1～2塊250 mm×450 mm×16 mm的鋼板，每塊鋼板設2個50 mm寬錨管定位孔，并將鎖腳錨管穿入孔中打設，錨管尾端采用“L”形φ22 mm螺紋鋼與鋼架焊接牢固，鋼拱架鎖腳錨管工藝見圖9。

4.4 增設拱腳處槽鋼，增強拱腳基底承載力

在鋼架拱腳連接板處增設槽鋼作為墊板，既防止連接板變形彎曲，又增強了拱腳受力。

4.5 確保噴射混凝土密實度

開挖后及時進行初噴。在復噴射混凝土時，嚴格按照噴射混凝土施工工藝要求施作，確保噴射混凝土與圍巖之間密實。超挖部分采用同強度等級混凝土回填密實。

圖9 鋼拱架鎖腳錨管工藝(單位:mm)

4.6 仰拱及時閉合，二襯緊跟，確保施工及結構安全

加強工序銜接，嚴格控制臺階長度，三臺階整體推進，及早閉合仰拱成環。仰拱閉合時間控制在10 d以內，仰拱離掌子面距離控制在25 m以內，仰拱每次開挖長度控制在3 m，二襯離掌子面距離控制在50 m以內。

4.7 加強監控量測，及時反饋量測結果指導施工

及時進行圍巖量測，量測點每個斷面布設不少于5個點，圍巖量測布設見圖10。布設間距不大于5 m(根據實際情況可適當加密)，并根據圍巖量測結果及時調整支護參數，合理調整其預留變形量，確保初期支護不侵限。

圖10 圍巖量測布設

圍巖量測是隧道開挖、支護的依據，開挖支護參數的選擇是根據圍巖量測確定的，因此圍巖量測必須及時準確。當拱頂下沉、水平收斂速率大于5 mm/d或位移累計大于100 mm時應暫停掘進開挖，并及時分析原因，采取處理措施。

5 施工注意事項

(1)在實施鋼架鎖腳錨管施工時，鎖腳錨管下插角控制在30°～45°。

(2)在實施超前及徑向注漿作業時，針對圍巖破碎造成的難成孔現象，宜采用自進式注漿錨桿加固處理。自進式錨桿是集注液管、鉆桿、錨桿為一體的長錨桿，可有效解決塌孔造成注漿管施工長度不足。

(3)加強施工管理，確保施工正常有序，通過強化施工過程控制，突出掌子面責任控制，從方案制定到方案實施、從施工到監控，從組織到分工協作，提高各種生產要素的效率，確保隧道施工安全、質量、進度有序可控。

6 取得的效果

(1)經過注漿加固，圍巖間裂隙全部充填滿漿液，圍巖狀況得到改善，地下水得到有效控制。

(2)初期支護變形值減小，拱頂下沉值由363 mm減小為175 mm，收斂值由145 mm減小為67 mm，變形得到有效控制。采取此措施在后續施工中，初期支護噴射混凝土開裂現象減少了，未出現鋼架扭曲及接頭板變形現象。

(3)初期支護開裂變形得到了有效控制，提高了施工質量，保證了施工安全。

(4)采取此措施后，既保證了安全、質量，又加快了施工進度，創造了良好的經濟效益:既減少了開挖量(預留變形量引起的超挖量)，又減少了初期支護變形開裂處理費用。

7 結語

通過北同蒲取直線雁門關隧道軟弱圍巖初期支護開裂變形控制施工實踐，在施工環節中通過現場實際情況調查、原因分析及有針對性的控制技術措施，形成了一套行之有效的富水段軟弱圍巖初期支護開裂變形控制技術，確保了施工安全及隧道結構安全，對類似工程有借鑒參考價值。

［1］單士軍.軟弱圍巖公路隧道開挖支護施工過程研究［D］.成都:西南交通大學，2005.

［2］文熠.軟弱圍巖隧道動態變形規律及信息化施工技術研究［D］.長沙:長沙理工大學，2008.

［3］王劍.軟弱圍巖隧道偏壓特性及施工控制技術研究［D］.長沙:中南大學，2011.

［4］張濤.軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿(管)支護特性研究［D］.西安:長安大學，2011.

［5］徐晨.軟弱圍巖隧道中鎖腳錨桿支護效果研究［D］.西安:長安大學，2010.

［6］張鐸，張瑩.地下水不同控制排放方案對隧道結構與環境的影響分析［J］.鐵道標準設計，2012(2):95-101.

［7］伍帆，袁定安.武廣鐵路客運專線尖峰頂隧道復雜巖溶段施工技術［J］.鐵道標準設計，2010(1):147-149.

［8］夏潤禾.軟弱圍巖大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工技術研究［J］.鐵道標準設計，2010(4):78-80.