云桂鐵路對門山隧道富水軟巖大變形段掘進施工技術研究

才泳

摘要： 文章結合云桂鐵路對門山隧道穿越強風化軟質粉砂巖地層出現的大變形問題，在現場地質調查、研究及監控量測數據分析的基礎上，提出了針對性的變形控制措施。在對門山隧道施工過程中，通過選擇合理的開挖方式、合理優化支護措施、采用可調整式鋼拱架、設置超前導洞及超前鉆孔釋放應力、加大變形預留量等措施有效地控制了圍巖變形。本隧道所采取的變形控制技術措施達到了有效控制軟巖大變形的目標。

Abstract： Combined with the large deformation problem when the Duimenshan Tunnel of Yungui Railway throughout the strong weathering soft siltstone strata， the paper puts forward the targeted deformation control measures on the basis of the analysis of the field geological survey， research and monitoring measurement data analysis. In the construction process of the Duimenshan tunnel， through the measures of selecting reasonable excavation methods， reasonably optimizing the support measures， using adjustable steel arch， setting the lead hole and the leading hole release stress， and increasing the amount of deformation reserve， the deformation of the surrounding rock is effectively controlled. The deformation control technology measures achieve the goal of effective control of soft rock deformation.

關鍵詞： 鐵路隧道；軟質圍巖；大變形；控制措施；監控量測

Key words： railway tunnel；soft surrounding rock；large deformation；control measure；monitoring measurement

中圖分類號：U455.49 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0100-03

0 引言

隨著我國在基礎建設方面的迅猛發展，公路、鐵路及地鐵等工程建設項目遍地開花，并伴隨著西南部大開發的加速推進，越來越多長大隧道工程及地下工程建設于西南部地區。西南部地區位于亞歐板塊與印度洋板塊碰撞地帶，地殼運動活躍，山體斷裂發育、地質構造復雜，隧洞工程常需穿越高應力軟弱圍巖地段，高應力及軟弱巖體常使隧洞工程出現圍巖大變形。圍巖大變形使隧洞洞身及支護、襯砌等結構出現變形開裂、塌方、超限等具有極大危害的地質災害。因此，掌握高應力軟弱圍巖情況下的隧道開挖技術及措施，確保施工的順利進行及隧道結構物安全正常使用，具有非常重要的現實意義。

1 工程概況

云桂鐵路對門山隧道位于丘北縣新店鄉、沖頭鄉境內，隧道設計為單面下坡。進口里程DK588+058，出口里程DK597+636，全長為9578m，最大埋深約680m，隧址區屬構造侵蝕中山地貌，地形起伏較大。測區地面高程1185～1929m，洞身段高程一般在1300～1500m，相對高差200～700m，自然坡度一般20°～40°，局部可達60°。測區內基巖零星出露，表層有第四系坡殘積粉質粘土覆蓋，坡體植被發育，多為雜木，局部平緩處被肯為旱地。隧道進出口地段均為沖溝及斜坡地。

測區地表上覆坡殘積（Q）粉質粘土。隧道穿越地層主要為三疊系上統鳥格組（T3n）地層，巖性為灰、黃灰色薄至中厚層狀泥巖、砂質泥巖、鈣質粉細巖；三疊系中統法郎組B段（T2fb）地層，巖性為黃灰色、綠灰色薄至中厚層狀泥巖、砂泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖，該地層普遍含鈣質。

測區構造以華夏系、新華夏系為主體構造系。區內構造活動強烈，具繼承性和多期復活的特點，以新裂構造為主，褶曲構造也較為發育，地層走向北東向，北北東向，測區構造復雜程度屬復雜。

2 施工中遇到圍巖大變形的地質問題

隧道施工至DK592+065斷面時，初支的C25噴射混凝土在施作后30h時，進行隧道收斂變形監控量測的技術人員發現噴射的混凝土出現龜裂及斜裂縫等現象。48h時，支護噴射混凝土的裂縫變大，支護呈現向明顯的膨脹變形，同時隧底有隆起跡象。4d后I20b工字鋼拱架呈現局部扭曲變形，鋼拱架局部與噴混脫離，同時隧底隆起更為明顯。

經進行監控量測，隧道變形速率在12d以內較大。水平收斂變形速率最大值為15.23mm/d，累計水平收斂量達532.52mm；拱頂下沉的最大速率為12.67mm/d，累計拱頂下沉量達427.26mm；洞底隆起量達227.15mm。

發生隧道圍巖嚴重變形后，經設計單位進行現場實勘察、檢測及分析。本斷面處隧道埋深約為563m，隧道圍巖為軟質粉砂巖，且地下水滲流較大。隧道橫截面內的最大圍巖初始應力（σ）為12.78MPa，隧道水平應力的最大初始值為13.78MPa，粉質砂巖的單軸抗壓強度（Rc）為19.6MPa，巖石強度比Rc/σmax=1.42<4。按《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2005）分級標準，屬于極高應力，即隧道圍巖存在高應力，軟質巖在開挖時變形極為顯著，且持續時間長，成洞性差。endprint

3 對門山隧道高應力變形控制措施

3.1 總體施工原則

根據對門山隧道軟弱圍巖的特點、地下高應力分布的規律及隧道的外輪廓形狀，并結合其它項目施工時，在高應力軟弱圍巖大變形的處理及控制方面的經驗及技術總結。總體上按照“先柔后剛，先放后抗”的基本原則進行大變形的控制。

“先柔后剛，先放后抗”指初支采取鋼筋網噴射混凝土、可調整的鋼拱架（且型號由原來I20b工字鋼加大至I22b工字鋼）及錨桿等柔性結構，在較大程度上允許圍巖釋放大部分變形，達到設計預留量后；采用較大剛性的二次襯砌，即提高二襯混凝土標號，增加厚度等措施，以抵抗圍巖壓力，避免洞身變形及破壞。

3.2 變形控制技術措施

按照以上基本原則，本項目采取了如下主要變形控制的技術措施：

3.2.1 選擇合理的開挖方式

采取預留核心土的三臺階七步法施工（如圖1所示），且遵循仰拱及時封閉成環，二襯緊跟的原則。以達到控制荷載釋放速度，降低對圍巖的擾動，從而減少大變形帶來的危害。

以機械開挖為主，必要時輔以爆破，在施工中注重對施工方法及工藝進行優化研究。

核心土長度宜為3～5m，寬度為隧道寬度的1/3～1/2。循環進尺依鋼架間距確定，且控制1.5m內，左、右側臺階錯開2～3m，各臺階長度控制在7m以內，仰拱距下臺階不大于15m，以使初期支護及早封閉成環。

3.2.2 合理優化支護措施

對門山隧道大變形段超前支護采用？準42mm小導管，長度為4.5m，布置范圍為拱部150°范圍內，縱向每3m設置一環。小導管環向間距設為30cm，小導管內注漿。小導管縱向鉆眼角度以10～15°上仰角。小導管外露部分與剛架及錨桿焊接牢固，形成承載整體。

采用6～9m系統長錨桿，按1.0m×1.0m布設。25cm厚鋼纖維噴射混凝土。

3.2.3 設置超前導洞及超前鉆孔釋放應力

在隧道中部設置一處超前導洞（見圖2），利用超前導洞釋放圍巖應力，導洞設置于隧洞上部，導洞超前掌子面25m以上，導洞開挖斷面面積為30m2，提前12d以上進行圍巖應力及變形釋放。監控量測數據表明，導洞兩側洞壁的收劍變形值于190～280mm范圍內。隧道洞身開挖支護后的收斂變形值于210～330mm范圍內。超前導洞可使圍巖提前釋放了35～52%變形量，極大地降低圍巖作用于支期支護的壓力。表1為典型斷面的超前導洞釋放變形量測數據表。

在部分地段采用了超前鉆孔進行壓力釋放，通常孔徑越大，壓力釋放的效果更好，但需根據既有設備情況、技術能力及進行經濟成本考慮后確定孔徑，本項目的超前鉆孔直徑為20cm。超前掌子面約30m。監測量測的結果表明，本項目超前鉆孔釋放應力后的洞身總變形量為未鉆設超前鉆孔76～89%范圍內，雖具有一定的效果，但較超前導洞而言，提前釋放的變形量要小許多。故本項目施工時，主要采用超前導洞釋放變形量。

3.2.4 加大變形預留量

設計預留變形量按照25cm考慮。本隧道施工時加大了變形預留量，防止初支超限。一般預留拱頂下沉量40cm，預留水平收斂30cm，并根據不同隧道段的圍巖情況進行適當調整。

3.2.5 探索二次襯砌合理施作時間

施工時，實測軟巖變形數據，并進行變形數據的初步分析，以確認實測數據的有效性，對有效數據進行位移時程曲線、變形速率時程曲線的繪制，隨后進行變形數據曲線的回歸分析（如圖3所示）。按照二次襯砌所允許的變形量及變形收斂速率的控制值，通地回歸分析曲線計算二襯施作的時間，在確定的二襯施作時間再對監測數據進行分析，滿足要求后，進行二襯的施作。

3.2.6 提高初支及模注砼襯砌的剛度

通過加大初支鋼拱架工字鋼型號、提高襯砌結構的強度、加大襯砌厚度等方式提高模注砼襯砌的剛度。①初支的鋼架型號由原來I20b工字鋼加大至I22b工字鋼。 ②襯砌厚度由原來的50cm加大至55cm。③將襯砌結構的鋼筋混凝土強度由原來的C35提高至C40。

3.2.7 提高監控量測的頻率

監控量測作為確保隧道施工安全及施工質量的一項重要技術手段，作為高應力大變形隧道施工，做好監控量測尤為重要。

通過監控量測以掌握隧道圍巖及支護結構的動態信息，并將分析結構及時反饋，以指導現場施工作業。同時，通過監控量測以了解隧道圍巖在所采取的技術控制措施下的表現情況及反映的一些規律、特點，為所采用的工法、技術措施效果進行鑒定、評估，為處理大變形提供科學依據。

普通圍巖隧道的監測頻率通常為1～2次/d，但本項目將頻率提高到4次/d，遇到特殊情況及圍巖地質極差的情況下，適時提高監測頻率。

為了快速進行監測數據的分析及反饋。在手提電腦中編制了計算軟件，輸入數據后，即時自動繪制出位移—時間等各類直觀曲線；自動進行曲線回歸分析并計算、顯示出相應參數，能夠及時準確地掌握隧道圍巖及支護的動態狀況。

4 高應軟巖變形控制技術評估

按照上述大變形綜合控制措施及支護參數進行施作后，圍巖變形得到很好的控制，收斂變形在通常12d內趨于穩定，雖然局部圍巖變形相對較大，但噴射混凝土表面基本沒產生裂縫，鋼架沒有出現整體扭曲變形現象，僅鋼架連接處型鋼墊板及型鋼出現輕微扭曲變形現象，但整體性較完好，焊縫完整，進行了處理后，變形穩定。

本項目選取了4個較為典型斷面的拱頂下沉、水平收斂達到穩定時的天數，及施作二襯時的變形速率列表如表2所示。

從表中2可看出，斷面在12d內均達到了變形穩定階段，最大拱頂下沉值190mm；最大累計水平收斂值306mm，較未采用有效措施前小了許多。

5 結束語

軟弱圍巖且存在高地應力，是使隧道洞身出現大變形的兩個主要成因。雖然地應力無法減少，但可加強初支及二襯以抵抗高壓應力。故本項目加強了初支參數及提高了二襯的剛度作為抵抗高地應力的主要手段。但控制大變形的宜先放后抗，本項目采取了設置超前導洞或超前鉆孔進行部分應力的釋放，達到了事半功倍的效果。另外，開挖輪廓要預留足夠變形空間，避免變形超限。最后要運用成熟、快捷的計算軟件進行回歸分析及預測，為下一步施工工藝及支護參數的調整提供信息，以確保施工安全。

參考文獻：

[1]李天斌，孟陸波，王蘭生.高地應力隧道穩定性及巖爆大變形災害防治[M].北京：科學出版社，2016，01.

[2]馬時強.幾種控制軟弱圍巖大變形應急方法的效果評價[J].隧道建設，2010（4）.

[3]關樹寶.軟弱圍巖隧道變形及其控制技術[J].隧道建設，2011（1）.

[4]中鐵二院工程集團.隧道合理支護參數及地表沉降控制技術研究報告[R].2009.

[5]帥建兵.老東山隧道軟弱圍巖變形開裂控制技術研究[J].鐵道科學與工程學報，2012（1）.endprint