天平山隧道軟巖施工控制技術研究

李興軍LI Xing-jun

（中鐵十二局集團第三工程公司，太原 030024）

（The 3rd Engineering Co.，Ltd.of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan 030024，China）

1 工程概況

天平山隧道（DK366+862～DK380+874，全長14012m）位于廣西自治區桂林市范圍內，隧道最大埋深775m，雙線單洞，是貴廣鐵路的控制性工程之一。

2 工程地質情況

隧道范圍內覆土主要有第四系全新統地層，洞身穿過奧陶系、寒武系地層，以砂巖、頁巖為主，且洞身段穿越四條區域性大斷層，地下水發育，砂巖儲水性較好，裂隙發育，含水帶范圍廣闊。因此，該隧道地質條件復雜，塌方、突水、突泥、圍巖變形等各種不良地質相互交錯、相互影響。

3 隧道軟巖力學分析

巖體本身的物理性質是決定巖體破壞的主要因素，因此，天平山隧道變形問題的研究，首先從研究軟巖本身的特性開始。軟巖中的泥質成分及結構面控制了軟巖的工程力學特性，一般來說軟巖具有強度低、膠結性差、可塑性、吸水膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等特點。

4 軟巖變形及破壞特點

隧洞開挖后，在巖體中形成了一個自由變形空間，使原來處于擠壓狀態的圍巖，由于失去了支撐而發生向洞內松脹變形；若這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆等，前者稱為變形，后者稱為破壞。天平山隧道內的巖性基本為層狀結構，層狀巖體圍巖的變形破壞主要受巖層產狀及巖層組合等因素控制，其破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內鼓等。

5 施工中支護體系變形破壞情況

由于前期對炭質頁巖、板巖、石英巖、風化砂巖等巖體互層交錯或單體的高地應力變形的能力、能量、持續時間等判斷不準，施工中按照原設計支護參數施工，造成了前期施工過程中支護體系變形超限，數次發生大面積初支開裂、局部砼擠壓剝落、掉塊、鋼架扭曲斷裂的險情，變形主要集中在拱頂、拱腰部位。

6 施工中的變形控制研究

6.1 正洞軟巖變形試驗段位置選擇

根據設計地質勘探報告，在天平山隧道在DK371+600～K372+600、DK376+100～DK377+100 等段洞身基巖為以頁巖、炭質頁巖為主的軟質巖，埋深大，可能存在擠壓性變形問題。為給后續施工提供經驗，結合2#斜井位置，安排DK372+535～DK372+335 為軟巖變形試驗段。在試驗段支護參數的選擇上，充分考慮了軟巖具有強度低、膠結性差、可塑性、吸水膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等特性，結合以往的施工經驗，并且在施工中及時動態調整，最后取得整個隧道的施工支護參數，作為指導施工的依據。

6.2 擬采用的隧道施工方法

在軟巖區段可采用兩臺階或三臺階法，各工序及時緊跟，施作精細到位，質量過關，排除施工不力造成大變形的因素。并注意拱腳及墻腳的穩定措施，仰拱封閉距離等。

6.3 大變形分級控制及擬定支護參數

6.3.1 大變形分級基準

對于天平山雙線大斷面隧道，按如表1 相對變形進行大變形分級。

6.3.2 變形控制支護參數

可能會產生大變形的情況分析：

①常規變形：薄層炭質頁巖或頁巖夾砂巖互層。

②I 級大變形：厚層炭質頁巖。

③II 級大變形：厚層炭質千枚巖，地質構造強烈。

④III 級大變形：厚層炭質千枚巖，地質構造強烈，伴有地下水滲流。

根據上述大變形分級標準，分別采取相應的支護參數如表2 所示。

說明：①常規變形采用常規V 級雙線隧道設計參數。

②I 級大變形在常規參數基礎上及時補強，補噴10cm網噴混凝土。

③II 級大變形采用雙層支護，補工16 鋼架及18cm 網噴混凝土。

④III 級大變形采用加強雙層支護，并采取掌子面加固措施，可采用鋼管或玻璃纖維管注漿方式。

表1 天平山隧道量測變形分級

圖1 變形量測測點布置

⑤各級大變形，均根據變形量測數據及時反饋，及時采取補強措施，以避免支護拆換。

6.4 試驗段現場測試項目

試驗斷面安排根據現場實際，斜井交叉斷后DK372+535～DK372+335 范圍，各項試驗段長40m,并進行工法效果檢驗。

6.4.1 試驗內容

通過開展試驗，進行工字剛鋼架和H 型鋼架效果對比，掌握軟巖大變形隧道圍巖應力釋放和支護結構受力變形規律，提出變形控制標準和相應的施工工法、施工措施。

①圍巖參數現場原位和取樣試驗。

②斷面變形特征分析（不同施工開挖方式、不同支護強度）。

③適應于變形特征的不等參支護參數的確定。

④合理的預留變形量。

⑤剛架（強化格柵、H 型鋼）與錨桿施作順序對變形的影響分析試驗、錨桿分部施作方法（先關鍵部位）。

⑥初支補強方法及參數，試驗內容詳見表2。

6.4.2 圍巖參數現場原位和取樣試驗

選擇有代表性區段進行現場原位巖體抗剪斷試驗和巖體變形試驗，取樣室內進行巖體強度和變形參數試驗。

6.4.3 量測項目及測點布置

試驗斷面及量測項目如表3 所示。測點布置如圖1 所示。

表2 不同變形等級的支護參數

表3 每試驗段測試項目及測點統計

6.4.4 量測方法

支護應力、圍巖及支護變形(位移)現場測試包括試驗段收斂位移、掌子面內部位移、圍巖壓力、襯砌接觸壓力、噴混凝土應力、鋼架應力、錨桿軸力、二襯混凝土應力等。

①收斂位移監測方法。結合收斂儀和斷面儀進行監測，每天量測一次，直至變形基本穩定為止。

②圍巖壓力及接觸壓力監測方法。采用振弦式雙膜壓力盒，頻率接收儀進行監測，每天量測一次，直至壓力基本穩定為止。

③鋼架應力監測方法。采用外貼振弦式應變計，頻率接收儀進行監測，每天量測一次，直至壓力基本穩定為止。

④支護混凝土應力監測方法。采用埋入式混凝土應變計，頻率接收儀進行監測，每天量測一次，直至壓力基本穩定為止。

6.5 解決的關鍵技術問題及達到的目標

為天平山隧道軟巖區段安全施工提供重要技術支撐，確保施工安全。

①支護由強至弱。在沒有完全掌握變形特點和變形規律之前，可采用強支護，避免變形超限后，在軟弱圍巖地段進行換拱的極高安全風險，通過變形量測和應力應變量測，逐漸減弱支護參數。

②預留加固空間。在開挖時，不僅按照常規預留圍巖變形量，而且還要考慮預留在變形超限時進行二次初支加固空間，預留變形量可根據量測和應變數據進行由大到小逐步調整。

③仰拱、襯砌加強。在沒掌握變形規律和變形持續時間之前，仰拱、襯砌按照原設計提高一個圍巖級別，留有安全余量，防止圍巖持續變形，作用到仰拱、襯砌上的應力超限。在試驗段施工過程中根據監測數據再進行逐步調整，確保隧道施工及以后的運營安全。

④初期支護施工要“強”、“快”、“穩”。優化初期支護參數，在施工過程中嚴格按照試驗參數規范施工，確保滿足支護體系的設計承載能力，達到強支護抑制變形的目的。同時加強工序銜接管理，高效組織，實現快速封閉成環，減小施工因素造成的拱部沉降、周邊收斂。同時在軟弱圍巖地段施工要本著安全第一的原則，切不可盲目冒進。

⑤地質探測及判別。準確掌握掌子面前方地質情況是確定軟巖支護參數控制軟巖變形的關鍵。在施工過程中采用先進的RPD-150 地質鉆機，對掌子面前方50～100 米范圍圍巖進行鉆探取芯，探測掌子面正前方及隧道周邊地質情況。由于鉆探存在盲區，所以在鉆探之外還采用了TSP-203 地質雷達進行物探，每100 米探測一次。同時配置專業的地質工程師進行地質素描，然后綜合各類探測成果得出圍巖判定表，為支護參數擬定提供支撐。

⑥支護體系量測。圍巖變形、應力的大小、時效、變形趨勢是判斷軟巖支護參數的重要依據。在量測系統中采用全站儀無尺量測方法，對圍巖拱頂下沉、水平收斂進行量測，及時采集量測數據，利用回歸曲線法進行數據分析，判定變形等級；采用預埋壓力盒、應變計等對鋼架應力、錨桿軸力、圍巖應力、接觸壓力等進行量測，將量測結果進行分析，對支護強度進行評估，判定支護參數強弱，確定后續施工合理支護參數。

通過實驗I 型支護參數在確保安全質量的前提下，既有效地控制了有害變形，同時也兼顧了經濟節約和加快施工進度的作用，可以作為全隧道軟巖變形段的施工支護參數。

7 結束語

軟巖地質條件下的大斷面隧道施工采用多分部施工法，通過小斷面、支護及時封閉、臨時支護等技術來阻止沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內鼓等破壞形式，確保隧道穩定性，有其積極意義，但它限制了大型施工機械的使用，進度慢、安全性差,多次擾動也增加了一定的安全隱患。本課題研究軟巖地質條件下的臺階法安全施工方法的控制理論和控制方法,包括核心土、超前支護、超前加固、開挖進尺、支護封閉距離及上述措施的綜合應用,對于類似工程的施工有很大借鑒意義。

[1]肖翔.吊溝嶺隧道軟巖施工方法研究[D].西南交通大學，2008.

[2]畢冬輝.新奧法隧道軟巖施工技術[J].市政技術，2011（04）.

[3]李文濤，張穎.直眼掏槽在隧洞軟巖施工中的應用及爆破參數優化[J].長春工程學院學報（自然科學版），2007（01）.