隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系及應用分析

馬友博

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津市 300162）

隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系及應用分析

馬友博

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津市 300162）

隧道項目施工時，常會出現軟弱圍巖體，若處理不正確很容易產生圍巖大變形等隱患。為確保隧道項目的正常施工，要嚴格重視軟弱圍巖大變形的防御和把控。以實際工程為例，對軟弱圍巖大變形原因進行了分析，然后從施工工藝和施工控制技術方面對圍巖大變形的控制措施進行了探討，可供參考。

隧道工程；軟弱圍巖；大變形

1 工程概況

某隧道項目總長8 970 m，隧道結構采用帶仰拱曲墻復合式襯砌結構，輔助以噴錨支護，以石英云母片巖夾炭質片巖鋪筑隧道底層，薄層狀夾中厚層，節理裂隙很豐富，且片理面相對很光滑，層間的結合較差，容易出現剝落掉塊等問題，圍巖以Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖為主，多為炭質片巖，結構松散易破碎，左右側巖質易發生塌方，均勻性很差，隧道高度為8.86 m，寬度為6.37 m，最大埋設深度為1 050 m。項目施工時，若發生軟弱圍巖大變形問題（見圖1），需馬上采取措施處理。

圖1 軟弱圍巖大變形情況

2 圍巖大變形出現的原因和特點

通過施工情況跟蹤，得知軟弱圍巖大變形的主要特點：圍巖變形量很大，施工過程中，Ⅳ級炭質片巖的水平收斂量可達到約300～400 mm/30 d，拱頂下沉量約150～200 mm，Ⅴ級炭質片巖由于包含高量炭質和豐富地下水，其變形量遠超過正常值，局部水平變形量可到1 260 mm，見圖2；變形速度快且速率高，圍巖日均水平收斂量約為30～50 mm，隨著隧道的開挖，圍巖大變形速度在提高，局部水平收斂量可達到920 mm/10 d，20 d可產生高于1 560 mm的累計變形量，約為2 250 mm；圍巖變形維持周期久，隧道開挖成型后，圍巖變形可維持的周期非常長，最長可達幾個月，某些地段變形甚至可持續到二次襯砌施工；圍巖大變形布局結構不一、形狀各異，常發生左右變形不勻稱的問題，項目初期支護施工完成后，不同地段發生變形的兩側勻稱性也不一致；項目施工前期，水平收斂速度和累計變形量相比拱頂下沉速度和變形量要超出很多，一般拱頂下沉累計值可達到105 mm，水平累計收斂量超過500 mm，后期時，拱頂下沉顯著，下沉速率為20～30 mm/d，下沉量約為500～600 mm；蠕變和突變均有發生，初期支護封閉結束后，變形速率剛開始很平緩，隨著施工的進行，變形速率在增大，各類施工如爆破施工、仰拱開挖施工、中下臺階落地施工等均會造成初期支護穩定性降低，引發圍巖塌方；變形具有重復性，隧道變形處因變形使得圍巖傾斜，進而要不斷拆換拱架，使得變形增大；由于圍巖遇水易軟化，這樣會使變形加劇，炭質片巖遇水軟化性更強，在施工過程中常常處于泥漿狀態，具有很低的強度，地下水滲流的位置常會出現更大的變形[1]。

圖2 224+780中臺階的水平收斂量變化圖

引發隧道變形的原因：炭質片巖屬于一種特殊的劣質巖體，它可以沿片理面出現蠕滑、流變和結構破損等現象，其強度和抗剪強度都很低，具有很長的變形特性，具有很高的敏感性，區域地質構造容易誘發地層結構變形,產生大量的致密接縫和順層摩擦鏡面,嚴重破壞巖體的完整性,同時也會摻入石英巖脈。巖體的參數值c和φ值均很低，其中c趨近于0，φ值約為100°，σ0=400 kPa，遇水軟化，常以泥漿狀形式存在于施工過程中，強度非常低，很容易引發塑性流動，使得圍巖出現高收斂位移；炭質片巖排布的不均勻，加上結構本身的流變性，隧道開挖時埋深量很高，引發圍巖順層偏壓、局部節理破損，進而引起隧道變形。

3 施工控制方案

結合上述分析，給出以下施工控制方案：對于圍巖變形大的隧道地段，在施工過程中要嚴格遵循“超前管理、極速開挖”的原則進行，嚴格把控注漿、支護、封閉、襯砌、測量等施工工序；針對小范圍Ⅲ、Ⅳ級圍巖炭質片巖隧道施工時，采用超短三臺階法，并將二次襯砌距離掌子面的長度嚴格控制在35 m內；針對大范圍Ⅴ級圍巖炭質片巖隧道施工時，采用三臺階法和臨時仰拱法搭配開展，結合圍巖和資源的具體情況選取上臺階+臨時仰拱法，以及中臺階+臨時仰拱法進行合理施工；增強封閉成環快、襯砌節奏緊湊的施工意識；結合實際施工合理調整施工方案。

4 施工要點

4.1 參數設計

本隧道項目中以Ⅴ級圍巖進行設計，其中超前支護選用30 cm間距、42超前小導管；在初期施工中，支護鋼架采用了2榀/m的I20型鋼，拱部錨桿選取了長3.0 m的22砂漿錨桿，間距100 cm×100 cm，并布設6.5和8的鋼筋網，控制網孔間距為20 cm×20 cm；二次襯砌主筋是25鋼筋混凝土，控制襯砌厚度在50～77 cm內。以三臺階法開始隧道施工，對小導管超前支護(φ20 cm)采取加密施工處理，超前小導管平均每鋪設2榀，鋼架就要施作一次，設計長度控制在3.5 m，間距要在20 cm內，外插角要在10°以內，將小導管末端與鋼拱架焊接牢固。鋼架連接處，需布設大于4根的鎖腳錨桿，鎖腳錨桿規格為長3.5 m，直徑Ф25。結合需求布設臨時仰拱，超挖時選用二次襯砌同級混凝土進行回填施工，待仰拱成環后，結合變形測量值及時調整并進行二次襯砌[2]。

4.2 把控要點

（1）保留更多的變形量，特別是水平收斂量。通常對于軟圍巖隧道，其預留的變形量為30 cm，結合圍巖實際變形情況對于地質均勻的地段兩側預留變形量可增大至50 cm，而拱頂預留約30～50 cm，對于左右不均勻地段一側預留可增大至70 cm，另一側則不變。

（2）增強鋼拱架強度，嚴格把控開挖深度。為有效把控變形量，初期支護鋼拱架可由I20型鋼調整為I22型鋼，I25型鋼，持續增加強度，降低變形量。Ⅴ級圍巖的爆破打眼深度嚴格控制在1.2 m，裝藥量嚴格控制在0.25 kg，為降低對圍巖的干擾，可選用松動爆破技術，嚴格把控循環挖進尺寸，約為1.0 m，并馬上采用噴射混凝土施工方式封閉掌子面。

（3）排水設計：洞內上臺階選用初期支護背側鋪筑鋼管方式來實現引排，并借助壁后開展注漿施工，以及預設小型集水坑。炭質片巖巖體的強度很低，通常在施工過程中以粉末形式存在，在隧道會遇水軟化，使圍巖的粘結力下降，借助云母等滑動結理面的影響，使圍巖的自持力下降，進而增大初始支護圍巖壓力。

（4）拱腳措施：拱腳選用鎖腳小導管，由于炭質片巖具有極低的強度，故需以25自進式中空錨桿代替42小導管，此時鎖腳錨桿可全長施作，且施作周期降低了20 min。隧道拱腳的炭質片巖很容易塌方，其強度非常低，在進行廢渣處理時極易出現二次失穩的情況，故需選用砂袋及時堆穩拱腳，并預留注漿孔，進行掛網噴錨。為了減少圍巖松動圈的出現，支護結束后要立刻開始注漿固結施工[3]。要布設集水坑來防止隧道某些地段發生露水、滲水現象，此外還要在拱腳邊墻處搭設臨時支墩，支墩規格為高1.5 m、頂底寬0.8 m和1.25 m、坡比1∶0.3，并在支墩底端布設8節碴鋼筋，以此來增大摩擦力。

（5）臨時仰拱：臨時仰拱材料為I25型鋼混凝土，間距50 cm，要與初期支護型鋼牢固焊接，型鋼下布設間隔20 cm×20 cm的8鋼筋網，以點焊方式和型鋼連接；縱向選用22螺絲鋼以55 cm間距進行連接，為縮短循環周期，可灌注墊實臨時仰拱型鋼底端，于其上端鋪設厚20～30 cm的虛碴，以此來降低重車碾壓破壞力。

（6）監控量測：一般二次襯砌施工常常在圍巖初期支護結構穩定后進行，但因本隧道項目中炭質片巖結構的特殊性，量測數據變形圖以直線狀形式出現，日變形量約11～24 mm，局部地段收斂量在一定時間會發生二次變形，硬巖在初期支護變形后很短時間內就出現了塌方；在炭質片巖初期支護變形后選用注漿方式進行加固處理，可有效控制圍巖產生二次擾動，有效控制塌方情況的發生。故而，常規數據分析無法符合炭質片巖隧道施工，需加強監控量測力度[4]。尤其是會對工序產生影響的施工，需增強對其的量測力度，以綜合量測結果來合理推算二次襯砌施工產生的變形總量，避免突變引起的塌方情況。

5 結語

綜上所述，在隧道工程施工過程中，為了控制軟弱圍巖大變形，需要在開挖隧道之前對地質情況進行調查，并開展地質超前預報，分析圍巖大變形出現的原因，并制定出相應的開挖支護措施。同時做好施工監測工作，對模擬參數進行優化，進而使圍巖大變形得到有效的控制，保證隧道工程順利實施。

[1]趙勇.隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究[D].北京:北京交通大學,2012.

[2]張洋.隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系研究[D].四川成都:西南交通大學,2006.

[3]卿三惠,黃潤秋.烏鞘嶺隧道軟巖大變形防治技術問題探討[J].路基工程,2005(4):93-96.

[4]何荷.隧道工程中軟弱圍巖的施工技術探究[J].交通世界,2013(17):269-270.

“十二五”國家科技支撐計劃“高速磁浮交通工程化集成系統研究”項目通過驗收

近日，科技部高新司在上海組織召開了“十二五”國家科技支撐計劃“高速磁浮交通工程化集成系統研究”項目驗收會。與會專家乘坐了磁浮車輛,考察了磁浮試驗線實物系統的研制情況，觀摩了半實物仿真系統的演示，參觀了“十二五”項目成果展示，審閱了項目驗收技術資料，聽取了項目組匯報，并進行了質詢和討論。

“高速磁浮交通工程化集成系統研究”項目組織部門為上海市科委，承擔單位為同濟大學。經過項目團隊的科技攻關，研制的磁浮系統技術部件達到了產品級，核心部件通過了實車運行試驗考核，支持了上海磁浮示范線的安全穩定持續運營，提高了我國磁浮產品研發的核心技術能力。將一列兩節編組磁浮列車改造成永磁電磁混合懸浮列車，在1.5 km試驗線上驗證了在同等條件下，混合懸浮技術的連續靜浮能力提高到24 h，承載力提高25%以上，懸浮功耗降低20%以上。研發了高速磁浮交通半實物仿真平臺，形成了仿真環境下多車多分區、最高磁浮列車運行速度500 km/h及復雜工況運行的高速磁浮集成試驗與測試環境，為系統工程化奠定了基礎。研制了懸浮、導向、渦流制動系統控制器及傳感器測試臺等磁浮專用檢測檢驗設備。

專家組認為，該項目完成了項目批復規定的研究內容，達到了考核指標的要求，同意項目通過驗收。

U452.12

B

1009-7716（2017）12-0141-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.039

2017-08-02

馬友博（1983-），男，河北廊坊人，工程師，從事鐵路工程施工工作。