天池坪隧道大變形處理技術

辛磊

摘 要：天池坪隧道全長14528 m，是新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道，隧道通過主要軟巖地層有二疊系板巖夾炭質板巖、三疊系板巖夾炭質板巖、志留系千枚巖夾炭質千枚巖。受軟巖的影響，天池坪隧道均不同程度的發生了大變形，拱頂沉降量最大達到400 mm，水平收斂最大達到790 mm。對已發生變形段采取長錨桿、徑向注漿、分榀置換鋼架等措施進行處理，對未開挖段采取三臺階七步法開挖、加大預留變形量，加強初期支護參數等措施控制隧道變形，保證隧道施工安全。

關健詞：隧道 軟巖 大變形 處理技術

中圖分類號：U451.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0114-05

伴隨著國家大規模鐵路建設的開始，西北與西南的重要鐵路干線，跨甘川渝三省市的交通大動脈蘭渝鐵路已于2008年9月26日開工建設。蘭渝鐵路（蘭州至廣元段）大草灘到隴南之間分布有21座98 km的軟巖隧道，在施工中大部分隧道均不同程度的發生了大變形，造成較長段落的初期支護拆換，給施工帶來了巨大的困難，提高了工程費用，因此，如何控制及處理大變形侵陷已成為蘭渝鐵路隧道施工中高度關注的問題。

1 工程概況

天池坪隧道位于甘肅省宕昌縣境內，為蘭渝鐵路蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道，全長14528 m。沿線山高溝深，岸坡陡峻，地面最小高程為1350 m，最大高程2980 m，相對高差為1630 m。沿線經過的主要溝谷為：池家山溝、鄧橋溝、天池里溝、廣坪溝，多為'V'字型溝谷，坡降較大，溝谷中由于河流侵蝕，使得岸坡陡峻，山體陡崖遍布，部分基巖表層風化剝落，形成緩坡。隧道最大埋深1500 m，洞身溝谷中最小埋深86 m（鄧橋溝），天池坪隧道共設鄧橋溝、天池里溝、廣坪溝三個斜井，隧道工程總體交通條件較差。隧道進口1911.776m位于R-4500 m的曲線上，出口617.85m位于R-4500 m的曲線上，其余段落位于直線上，隧道內線路分別為12.8‰、13‰和12.8‰的單面下坡。

2 變形原因分析

2.1 地質原因

天池坪隧道初支變形區域屬于西秦嶺高中山區，隧道洞身通過的地層主要為第四系地層洪積、坡積粗角（圓）礫土、碎石土、三疊系砂巖、二疊系板巖夾炭質板巖、三疊系板巖夾炭質板巖、志留系千枚巖夾炭質千枚巖（圖1）為主。隧道地下水類型主要為松散層孔隙潛水、基巖裂隙水、灰巖巖溶水等。在施工過程中，開挖巖體后，巖體破碎，褶皺較發育，風化并遇水膨脹、導致初支鋼架產生較大變形并已侵入二襯限界，而且在DK286+128～DK286+173段初支變形最為嚴重，拱頂沉降量最大達到400 mm，水平收斂最大達到790 mm。

2.2 施工原因

由于對二疊系板巖夾炭質板巖、三疊系板巖夾炭質板巖、志留系千枚巖夾炭質千枚巖等巖層認識不到位，而且在施工時圍巖滲水點較多，導致巖體遇水膨脹；另外由于中臺階及下臺階在落底接鋼架時，使上導的鋼架懸空；以及在開挖仰拱初期支護時，兩側初支邊墻腳最薄弱。這些施工因素導致初期支護產生了變形。

2.3 設計原因

天池坪隧道實際地質與圖紙設計地質相差甚遠。設計方面對這種軟弱圍巖的認識不夠，圍巖的設計支護參數遠遠滿足不了現場的實際情況。還有就是圍巖軟弱破碎，鋼架的鎖腳錨桿起的作用不大。

3 變形處理技術

天池坪隧道初期支護發生變形后，針對圍巖量測結果，我單位對已發生變形的初期支護區域采取了錨桿加長加密、邊墻腳鉆孔排水減壓、徑向注雙液漿、分榀置換鋼架的處理技術，對未開挖段采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、初期支護參數加強、加大圍巖量測頻率、縮短隧道安全步距等處理技術。

3.1 初支發生變形后的處理技術

3.1.1 錨桿加長加密

在換拱前，對已變形初期支護進行錨桿加長加密處理，錨桿長度曾至6m，這樣就避免壓漿及置換過程中原有初期支護鋼架發生失穩現象。

3.1.2 鉆孔排水減壓：

變形的初期支護區域噴射砼表面潮濕并多處滲水，由此判斷其后應該有大量的水，由于初期支護形成了不透水層，水在鋼架背后形成壓力。所以，在距離仰拱頂面1～2 m處以及初支滲水處鉆2 m深的排水孔（見圖2）將水排出，這對已變形的初支減輕其后的壓力是非常有利的。

3.1.3 徑向注雙液漿

初期支護發生變形一個重要的原因就是圍巖軟弱破碎、遇水膨脹。通過注漿的方法，使破碎的圍巖形成一個整體，成為穩定的壓力環。注漿采用Φ42 mm，L=4.0 m長徑向小導管注漿，小導管采用鋼花管（圖3），環向間距1.0 m，縱向間距0.8 m，梅花形布置，在每榀初期支護鋼架與小導管連接處將小導管與鋼架鎖死，以保證在開挖拆除拱架時拱架的穩定。漿液采用1∶1∶0.5雙液水玻璃漿，注漿壓力：0.5～1.0 MPa。注漿完畢后等待4 h后方可進行拆換鋼架的施工。

3.1.4 拆換鋼架

在注漿完成并終凝后，就應該開始拆換鋼架，拆換鋼架時應先拱后墻、從內向外逐環進行，置換完一榀方可進行下一榀拱架置換的原則進行施工。在換拱部前應先對下導部分進行回填處理，保證下導的穩定以及對圍巖的支承作用。

拱完畢后，對更換的拱架與先前更換的拱架（或沒有侵限的拱架）之間進行掛網、并及時噴射混凝土，并及時施作錨桿，使更換完的拱架及早受力，降低安全風險。襯砌應緊跟置換段，保證置換部位不發生變形，避免二次拆換。

天池坪隧道DK286+128～DK286+173段拆換處理時將噴射混凝土有原設計的25 cm調整為27 cm，預留變形量又原設計的9 cm調整為15 cm，同時將工字鋼由原設計的1 m/榀I18調整為0.8 m/榀I20b，支護參數由原先設計的Ⅳ級圍巖加強調整為Ⅴ級圍巖復合。按照調整后的參數進行重新支護后，變形趨于穩定，未發生過較大變形。endprint

3.2 防止大變形的處理技術

3.2.1 三臺階七步法開挖

針對隧道圍巖的現狀，天池坪隧道采用三臺階七步法的施工方法進行開挖施工，開挖支護進尺不大于2榀鋼架間距，開挖時盡量減少對圍巖的擾動，縮短圍巖暴露時間，及時的進行支護作業。三臺階七步法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖變形。

3.2.2 加大預留變形量

在圖紙原設計中Ⅳ級圍巖預留變形量為9 cm，Ⅴ級圍巖預留變形量為13 cm。圖紙設計的預留變形量已不能滿足現場施工的需要，經過對變形區域圍巖量測資料的分析，我施工單位提出將此類軟弱圍巖的預留變形量調整為40 cm（斷面圖如圖6斷面所示），也就是將初支的外輪廓線擴挖40cm，保證在澆筑二襯拱墻混凝土時，初支不會侵入拱墻的范圍內，從而保證拱墻混凝土的設計厚度。預留變形量也不是一城不變的，是根據圍巖量測資料隨時變化的。以DK286+420段的圍巖量測資料為例，來看看初支隨時間的變化情況。

通過對表1、圖4的分析，把預留沉降量變為40 cm是可行的。雖然放大設計的輪廓線會增加工程的投資，但比起后期處理變形所發生的費用，是不值得一提的。

3.2.3 加強初期支護參數

由于隧道工程未知因素太多，部分初期支護發生變形與支護參數太弱有一定的關系，通過對現場實際軟弱圍巖的分析，加強初期支護的參數是勢在必行的。天池坪隧道加強初期支護的措施有：

加厚噴射混凝土、加大鋼架型號及縮小鋼架間距、錨桿加長加密、鋼筋網與鋼架連接筋雙層布置，鎖腳錨桿換成6.0 m長φ42小導管等措施。

由表2、圖5～圖6可以看出，變更后的參數比設計要加強了許多，在天池坪隧道后續的施工中，按照初期支護加強參數施工的地段，未在出現大的變形，施工正常。DK286+520就是按此加強參數施工，從它的圍巖量測資料（圖7～圖11）可以看出，初期支護變形都在可控范圍內，可見加強初期支護參數是非常可行的。

3.2.4 加大圍巖量測頻率

采用噴錨構筑法修建的隧道，圍巖量測是施工工序中不可缺少內容，它不僅監測各施工階段圍巖和支護動態，確保施工安全。而且可為調整初期支護設計參數，確定二次襯砌和仰拱的施作時間。同時，積累的圍巖量測資料為以后同條件下施工隧道提供了參考。天池坪隧道的圍巖量測測點布置如圖12所示。由于天池坪隧道的圍巖狀況不好，所以縱向量測斷面間距按5 m布置，量測頻率為1～2次/d，根據圍巖變化情況可以適當加密，每天量測的數據及時進行整理和分析，發現異常立即采取措施進行處理，不能讓初支侵入二襯拱墻范圍內。

3.2.5 縮短隧道安全步距

隧道的安全步距是指仰拱和二次襯砌距掌子面的距離。業主與監理單位規定仰拱距掌子面的距離不大于50 m，二次襯砌距掌子面的距離不大于90 m。針對天池坪隧道軟弱圍巖現狀，我單位將仰拱距掌子面的距離變為不大于35 m，二次襯砌距掌子面的距離變為不大于70 m作為施工準則，仰拱緊跟掌子面，這對控制隧道初支變形也起到了舉足輕重的作用。

4 結語

天池坪隧道于2009年3月開始施工，由于我單位對軟弱圍巖認識不足，從而導致初期支護157m發生的大變形，初支侵入二襯拱墻內，直接導致天池坪隧道進口工區停工并且花了3個多月的時間去換拱，增加了工程費用。所以，在隧道施工中必須注重對大變形的處理技術。上述大變形處理技術，是采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、加強初期支護參數等措施來實施控制，并且這些措施在實際的施工中易于操作，對工程的質量、進度、安全都有充分的保證，并為同條件下的隧道積累了成功的施工經驗。本文對隧道大變形處理技術只進行了簡要介紹，供參考，不妥之處望兄弟單位批評指正。

參考文獻

[1] 鐵道部經濟規劃研究院.鐵路隧道工程施工技術指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 石家莊鐵道學院.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] 西南交通大學.隧道工程地質[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段施工圖.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.endprint

3.2 防止大變形的處理技術

3.2.1 三臺階七步法開挖

針對隧道圍巖的現狀，天池坪隧道采用三臺階七步法的施工方法進行開挖施工，開挖支護進尺不大于2榀鋼架間距，開挖時盡量減少對圍巖的擾動，縮短圍巖暴露時間，及時的進行支護作業。三臺階七步法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖變形。

3.2.2 加大預留變形量

在圖紙原設計中Ⅳ級圍巖預留變形量為9 cm，Ⅴ級圍巖預留變形量為13 cm。圖紙設計的預留變形量已不能滿足現場施工的需要，經過對變形區域圍巖量測資料的分析，我施工單位提出將此類軟弱圍巖的預留變形量調整為40 cm（斷面圖如圖6斷面所示），也就是將初支的外輪廓線擴挖40cm，保證在澆筑二襯拱墻混凝土時，初支不會侵入拱墻的范圍內，從而保證拱墻混凝土的設計厚度。預留變形量也不是一城不變的，是根據圍巖量測資料隨時變化的。以DK286+420段的圍巖量測資料為例，來看看初支隨時間的變化情況。

通過對表1、圖4的分析，把預留沉降量變為40 cm是可行的。雖然放大設計的輪廓線會增加工程的投資，但比起后期處理變形所發生的費用，是不值得一提的。

3.2.3 加強初期支護參數

由于隧道工程未知因素太多，部分初期支護發生變形與支護參數太弱有一定的關系，通過對現場實際軟弱圍巖的分析，加強初期支護的參數是勢在必行的。天池坪隧道加強初期支護的措施有：

加厚噴射混凝土、加大鋼架型號及縮小鋼架間距、錨桿加長加密、鋼筋網與鋼架連接筋雙層布置，鎖腳錨桿換成6.0 m長φ42小導管等措施。

由表2、圖5～圖6可以看出，變更后的參數比設計要加強了許多，在天池坪隧道后續的施工中，按照初期支護加強參數施工的地段，未在出現大的變形，施工正常。DK286+520就是按此加強參數施工，從它的圍巖量測資料（圖7～圖11）可以看出，初期支護變形都在可控范圍內，可見加強初期支護參數是非常可行的。

3.2.4 加大圍巖量測頻率

采用噴錨構筑法修建的隧道，圍巖量測是施工工序中不可缺少內容，它不僅監測各施工階段圍巖和支護動態，確保施工安全。而且可為調整初期支護設計參數，確定二次襯砌和仰拱的施作時間。同時，積累的圍巖量測資料為以后同條件下施工隧道提供了參考。天池坪隧道的圍巖量測測點布置如圖12所示。由于天池坪隧道的圍巖狀況不好，所以縱向量測斷面間距按5 m布置，量測頻率為1～2次/d，根據圍巖變化情況可以適當加密，每天量測的數據及時進行整理和分析，發現異常立即采取措施進行處理，不能讓初支侵入二襯拱墻范圍內。

3.2.5 縮短隧道安全步距

隧道的安全步距是指仰拱和二次襯砌距掌子面的距離。業主與監理單位規定仰拱距掌子面的距離不大于50 m，二次襯砌距掌子面的距離不大于90 m。針對天池坪隧道軟弱圍巖現狀，我單位將仰拱距掌子面的距離變為不大于35 m，二次襯砌距掌子面的距離變為不大于70 m作為施工準則，仰拱緊跟掌子面，這對控制隧道初支變形也起到了舉足輕重的作用。

4 結語

天池坪隧道于2009年3月開始施工，由于我單位對軟弱圍巖認識不足，從而導致初期支護157m發生的大變形，初支侵入二襯拱墻內，直接導致天池坪隧道進口工區停工并且花了3個多月的時間去換拱，增加了工程費用。所以，在隧道施工中必須注重對大變形的處理技術。上述大變形處理技術，是采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、加強初期支護參數等措施來實施控制，并且這些措施在實際的施工中易于操作，對工程的質量、進度、安全都有充分的保證，并為同條件下的隧道積累了成功的施工經驗。本文對隧道大變形處理技術只進行了簡要介紹，供參考，不妥之處望兄弟單位批評指正。

參考文獻

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[2] 石家莊鐵道學院.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] 西南交通大學.隧道工程地質[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段施工圖.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.endprint

3.2 防止大變形的處理技術

3.2.1 三臺階七步法開挖

針對隧道圍巖的現狀，天池坪隧道采用三臺階七步法的施工方法進行開挖施工，開挖支護進尺不大于2榀鋼架間距，開挖時盡量減少對圍巖的擾動，縮短圍巖暴露時間，及時的進行支護作業。三臺階七步法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖變形。

3.2.2 加大預留變形量

在圖紙原設計中Ⅳ級圍巖預留變形量為9 cm，Ⅴ級圍巖預留變形量為13 cm。圖紙設計的預留變形量已不能滿足現場施工的需要，經過對變形區域圍巖量測資料的分析，我施工單位提出將此類軟弱圍巖的預留變形量調整為40 cm（斷面圖如圖6斷面所示），也就是將初支的外輪廓線擴挖40cm，保證在澆筑二襯拱墻混凝土時，初支不會侵入拱墻的范圍內，從而保證拱墻混凝土的設計厚度。預留變形量也不是一城不變的，是根據圍巖量測資料隨時變化的。以DK286+420段的圍巖量測資料為例，來看看初支隨時間的變化情況。

通過對表1、圖4的分析，把預留沉降量變為40 cm是可行的。雖然放大設計的輪廓線會增加工程的投資，但比起后期處理變形所發生的費用，是不值得一提的。

3.2.3 加強初期支護參數

由于隧道工程未知因素太多，部分初期支護發生變形與支護參數太弱有一定的關系，通過對現場實際軟弱圍巖的分析，加強初期支護的參數是勢在必行的。天池坪隧道加強初期支護的措施有：

加厚噴射混凝土、加大鋼架型號及縮小鋼架間距、錨桿加長加密、鋼筋網與鋼架連接筋雙層布置，鎖腳錨桿換成6.0 m長φ42小導管等措施。

由表2、圖5～圖6可以看出，變更后的參數比設計要加強了許多，在天池坪隧道后續的施工中，按照初期支護加強參數施工的地段，未在出現大的變形，施工正常。DK286+520就是按此加強參數施工，從它的圍巖量測資料（圖7～圖11）可以看出，初期支護變形都在可控范圍內，可見加強初期支護參數是非常可行的。

3.2.4 加大圍巖量測頻率

采用噴錨構筑法修建的隧道，圍巖量測是施工工序中不可缺少內容，它不僅監測各施工階段圍巖和支護動態，確保施工安全。而且可為調整初期支護設計參數，確定二次襯砌和仰拱的施作時間。同時，積累的圍巖量測資料為以后同條件下施工隧道提供了參考。天池坪隧道的圍巖量測測點布置如圖12所示。由于天池坪隧道的圍巖狀況不好，所以縱向量測斷面間距按5 m布置，量測頻率為1～2次/d，根據圍巖變化情況可以適當加密，每天量測的數據及時進行整理和分析，發現異常立即采取措施進行處理，不能讓初支侵入二襯拱墻范圍內。

3.2.5 縮短隧道安全步距

隧道的安全步距是指仰拱和二次襯砌距掌子面的距離。業主與監理單位規定仰拱距掌子面的距離不大于50 m，二次襯砌距掌子面的距離不大于90 m。針對天池坪隧道軟弱圍巖現狀，我單位將仰拱距掌子面的距離變為不大于35 m，二次襯砌距掌子面的距離變為不大于70 m作為施工準則，仰拱緊跟掌子面，這對控制隧道初支變形也起到了舉足輕重的作用。

4 結語

天池坪隧道于2009年3月開始施工，由于我單位對軟弱圍巖認識不足，從而導致初期支護157m發生的大變形，初支侵入二襯拱墻內，直接導致天池坪隧道進口工區停工并且花了3個多月的時間去換拱，增加了工程費用。所以，在隧道施工中必須注重對大變形的處理技術。上述大變形處理技術，是采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、加強初期支護參數等措施來實施控制，并且這些措施在實際的施工中易于操作，對工程的質量、進度、安全都有充分的保證，并為同條件下的隧道積累了成功的施工經驗。本文對隧道大變形處理技術只進行了簡要介紹，供參考，不妥之處望兄弟單位批評指正。

參考文獻

[1] 鐵道部經濟規劃研究院.鐵路隧道工程施工技術指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

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[3] 西南交通大學.隧道工程地質[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段施工圖.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.endprint