深埋單線鐵路隧道軟巖大變形快速施工技術

蔡曉瑞

（中鐵十六局集團第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000）

1 工程概況

新建麗香線南起麗江站，北至香格里拉，為國鐵I 級單線電氣化鐵路，設計時速160km/h，建設工期6 年。線路全長139.666km，隧道20 座/92.5km，橋梁32 座/9.4km，路基37.76km，橋隧占比73%。麗香鐵路處于新構造運動強烈、應力集中度高、多期巖漿侵入的地質環境中，地質構造復雜多變，活動斷裂發育，新構造運動十分強烈，受褶皺、斷裂及巖漿侵入活動的影響，巖體整體性多遭受嚴重的破壞，巖體松散破碎，自穩能力差。根據應力測試資料，區內水平地應力值一般較大，勘測階段地表深孔實測地應力16.11～27.79MPa，施工階段洞內實測最大地應力5.16～12.70MPa，線路走向與區域構造線大致平行，最大主應力近似垂直于線路走向，且順層偏壓問題較為突出，這對隧道邊墻的穩定性十分不利。玄武巖夾凝灰巖、炭質頁巖、板巖等巖質較軟，遇水易軟化，巖體力學指標急劇降低，導致隧道開挖后收斂變形明顯，累計變形最大收斂100.3cm，長坪、白巖子、圓寶山等隧道初支大變形、嚴重侵限。

其中白巖子隧道進口緊鄰海巴洛大橋香格里拉端橋臺，出口緊鄰螺螄灣三線中橋麗江端橋臺，進口里程D1K61+600，出口里程為D1K65+683，全長4083m，隧道最大埋深約680m。

從圍巖性質看，白巖子隧道圍巖巖體屬于強風化沉積巖，巖體破碎，褶皺發育，存在明顯的順層偏壓，且層理傾向多變，控制難度大，圍巖受開挖擾動影響大，松動圈達到5～6m，導致圍巖出現大變形，且表現出塑性和流變性質。

從開挖工法看，白巖子隧道采用三臺階法施工，圍巖受開挖擾動次數多，剛架連接差，初期支護封閉周期長，支護結構的承載力低，未形成對圍巖的有效支護。

從隧道斷面形狀看，單線鐵路隧道高跨比相對較大（約1.4），且邊墻采用直墻結構，不利于水平收斂控制。據監控量測成果數據分析，各隧道洞內初期支護變形大多表現為水平收斂較大，拱頂下沉量較小，且變形速率突變多發生于工序變換時（開挖下臺階或仰拱）。

2 兩臺階帶仰拱同步開挖工法簡介

根據新奧法的理念，隧道支護體系設計的關鍵技術在于充分發揮圍巖自身承載力，必須考慮支護結構與圍巖的相互作用，深埋軟巖隧道存儲的彈性勢能高，一方面要允許圍巖產生一定程度的塑性變形釋放能量；另一方面避免圍巖進入松動狀態，需要及時提供有效的支護阻力。

針對白巖子隧道前期施工存在的大變形問題，分析認為，三臺階法開挖閉合時間長，尤其是仰拱單獨挖作為一個步序，導致初期支護閉合周期長，不能及時阻止變形的發展，變形發生后，導致鋼拱架閉合困難，結構受幾何非線性影響顯著，換拱頻繁，并存在同一位置多次換拱情況，作業人員士氣低落，進度緩慢。

結合白巖子隧道的工程地質和水文地質情況，通過分析監控量測的數據，研究圍巖變形規律的時空效應，提出兩臺階帶仰拱同步開挖工法。具體工法流程為：上下臺階帶仰拱同時鉆眼、爆破→通風、排險→扒碴→進行上臺階初支、下臺階出碴→進行上臺階超前支護、下臺階立架→噴混凝土。

兩臺階帶仰拱同步開挖工法的上臺階高4.3m，下臺階高4.5m，臺階長度4～6m。該工法具有以下優點：（1）實現上下臺階同時開挖，同步支護，短進尺、快循環，各工序緊湊，施工進度快；（2）實現下臺階帶仰拱開挖，快速施工，仰拱初支緊跟掌子面，初期支護成環早；（3）采用同步爆破、扒渣，有利于隧道結構穩定，避免多次爆破對周邊圍巖的擾動；（4）臺階短利于仰拱二襯緊跟，保證施工安全步距。

3 工法要點

（1）優化工序，平行作業。利用掌子面打鉆時間施作錨桿，利用掌子面打超前鎖腳時間進行錨桿注漿，上導立架、下導出渣；下導立架、上導施作超前鎖腳。實現上臺階和下臺階（含仰拱）平行同步作業。

（2）快速封閉。兩臺階帶仰拱同步開挖工法初支封閉快，成環早，鋼架連接質量好，二襯仰拱跟進時間短，有效控制變形、避免坍方，杜絕初支侵限換拱現象，安全風險降低。

（3）加強支護、狠抓落實。加密超前導管，控制軟弱變形圍巖超挖、防止大面積溜坍；拱架間采用工字鋼相連接，整體受力；雙排鎖腳抑制收斂變形，下導拱架加密超前導管防止垮塌[1]。

邊墻及拱部打設自進式長錨桿，錨桿直徑32mm，每孔打設3 根錨桿共計長度6～7.5m，注漿強度達到設計要求加設槽鋼后安裝錨墊板，確保對支護結構和圍巖的約束。錨桿注漿料采用3%的早強劑、10%的膨脹劑、87%的水泥配制膠凝材料，然后按水膠比0.3 進行攪拌，確保錨固效果。

（4）增加配制、提高效率。增加掌子面施工作業人員，提高效率，加快作業時間；合理增加機械設備，并配制專業維修隊，定期保養、維修，確保施工中機械設備性能良好。表1 為兩臺階帶仰拱同步開挖工法設備配置情況。

表1 設備配置

采用DCM2-90 履帶式隧道錨桿臺車、卡特格蘭地C6 鉆機等設備適應隧道不同位置和高度的施工，實現多孔徑鉆孔作業，兩鉆臂同時作業，提高施工效率高。濕噴機械手確保噴射混凝土的質量，減小落漿回彈量，并提高對施工人員的健康防護。采用新的工法后，循環時間大幅度縮短，V 級軟弱大變形隧道由22h 縮短至15h 工效提升近1/3，月進尺由35m 左右提高到月進尺最高85m，月進尺增長142.8%。

（5）重視超前地質預報。現場時常會遇到實際開挖揭示地質與設計提供的地質存在較大差異，因此，施工階段的超前地質預報工作尤為重要。充分利用超前水平探孔、地質雷達、紅外探水、TSP 等超前預報手段，探明前方實際圍巖情況，確保施工安全。

（6）強化量測。監控量測是軟弱圍巖隧道安全施工的“眼睛”，是判斷結構穩定性、指導軟弱圍巖隧道安全施工“最重要”的信息化手段，加強圍巖觀測，數據及時反饋，通過量測數據指導現場施工，動態調整現場支護措施。

4 結束語

綜上所述，本文針對深埋軟巖單線鐵路隧道大變形的問題，結合具體工程，開展兩臺階帶仰拱同步開挖工法的應用，取得了良好的施工效果，可為今后的類似工程提供借鑒。