杏子山隧道軟弱圍巖大變形控制技術研究

張洪生

摘要：在杏子山隧道掘進施工時對軟弱圍巖大變形的控制技術進行了探索、研究，采取超前導洞或泄壓孔對圍巖地應力進行了釋放;設置錨桿、噴射砼封閉、預留核心土保持掌子面穩定;設置鎖腳錨管、臨時仰拱、擴大拱腳等措施避免下臺階落底開挖時坍塌;按柔性支護理念進行初支設計及施工等綜合控制措施，確保了軟弱大變形圍巖隧道的安全、順利掘進，達到了規范及設計的質量要求。

Abstract： In the excavation construction of Xingzishan tunnel， the control technology of large deformation of weak surrounding rock was explored and studied. The stress of surrounding rock was released by using the leading hole or pressure relief hole. The anchor rod， jet raft closure and pre-installation core soil were set to maintain the stability of the face; the locking anchor pipe， the temporary inverted arch， the enlarged arch and other measures are provided to avoid the collapse of the lower step bottom excavation; the comprehensive control measures such as initial design and construction are carried out according to the flexible support concept. It ensures the safety and smooth excavation of the weak and large deformation surrounding rock tunnel and meets the quality requirements of specifications and design.

關鍵詞：鐵路隧道;軟弱大變形圍巖;控制措施;柔性支護理念

Key words： railway tunnel;weak and large deformation surrounding rock;control measures;flexible support concept

中圖分類號：U45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）10-0145-03

0 ?引言

隨著我國鐵路路網的逐漸完善，隧道的建設規模、設計理念及施工技術水平也得到了極大的提高。但路網的完善及建設規模的擴大，使得大量隧道建設于地質復雜的地區，故施工中常常遇到軟弱圍巖大變形隧道。而軟弱圍巖隧道掘進時，因地質條件差，外界條件復雜多變，導致時常出現隧道坍塌、工期延后、人員傷亡等事故，損失巨大，教訓深刻。隧道建設的安全及質量現狀與目前的發展形式無法相適應，因此，解決軟弱大變形圍巖隧道建設中的施工安全和質量問題無疑迫在眉睫。

1 ?工程簡介

新建大理至臨滄鐵路杏子山隧道起訖里程為DK80+183～DK89+050，全長8867m，進口端819m為車站雙線隧道，其余段為單線隧道。隧道位于云南省西部橫斷山系縱谷區，云嶺余脈-無量山、哀牢山結合部，屬高中山侵蝕、剝蝕地貌，地形起伏大，沖溝深切發育，呈“V”型，隧道最大埋深726m，最小埋深12m。隧區存在順層偏壓、巖溶、斷層破碎帶、軟弱膨脹圍巖、高地應力、高地溫、有害氣體、圍巖落石等不良地質現象。

隧區經歷了多期地質構造運動，造成破碎帶復雜，節理密集，巖體被切割成非常破碎的狀態。故圍巖自穩能力差，遇水軟化變形，在施工期間發生了掌子面坍塌、初支及襯砌變形破壞等事故，不僅造成了很大的經濟損失，還嚴重拖延了施工進度，因此，急需科學有效地解決杏子山隧道軟弱大變形圍巖的施工問題，以確保安全、順利地完成施工任務。

2 ?杏子山隧道圍巖大變形特征及原因分析

①經現場勘測及試驗分析，本隧道發生大變形處圍巖為粉砂巖，巖體較為破碎，取樣的粉砂巖單軸飽和抗壓強度（Rc）處于11.0～13.6MPa區間范圍內，平均值為12.1MPa。在隧道開挖后，掌子面自穩能力差，需采取加固措施，方可確保裸露圍巖的穩定。圍巖變形在初期速率快，變形量大，需設置超前支護及加強初期支護方可使變形收斂。按鐵路隧道軟弱圍巖等級劃分建議表的規定，劃分為軟巖。杏子山隧道圍巖的類型及產狀決定了其具有易形變的特征。

②隧道埋深大，設計單位檢測DK88+665斷面（隧道埋深約629m）處圍巖初始地應力值為σmax=2.73MPa，則巖石強度及應力比Rc/σmax=12.1/2.73=4.4。按《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2016）的評估標準進行評估，為高應力圍巖。因此，隧道掘進過程中，軟弱圍巖在初始高地應力的作用下有顯著的變形位移，且變形持續時間長，圍巖自穩能力差，成洞困難。

③圍巖地下水發育，在富水條件下，高地應力的軟弱圍巖對地下水的影響非常敏感，遇水呈顯著軟化及泥化作用，圍巖強度降低，產生大變形。

3 ?軟弱圍巖大變形控制措施

控制圍巖大變形的支護技術主要有容許變形的柔性支護設計和剛性支護設計兩種完全相反的理念，因本隧道變形量大，剛性支護時支護結構承受圍巖變形壓力非常大，滿足施工要求的剛性支護系統無疑工程量大，造價高。為此，本項目采取柔性支護設計的理念進行圍巖大變形的控制，施工過程采取了如下綜合控制措施。

3.1 應力釋放試驗

由于本隧部分地段地應力高，隧道掘進后圍巖應力釋放及應力重新分布的過程中使得圍巖變形過大，隧道水平收斂通常為30～70cm，最大值甚至達到了93.2cm。即使按柔性理念進行設計的初支系統的允許形變上限值低于圍巖形變值而出現破壞。因此，本隧擬采取設置超前導洞或是超前泄壓孔使部分圍巖地應力超前釋放，減輕施做初支時圍巖的地應力及變形值，確保初支穩固安全。

超前導洞采用圓形截面，設置于隧道斷面偏上處（如圖1所示），導洞斷面面積約18m2，超前于掌子面40m，并分別于超前導洞斷面、隧道全斷面的底部設置超前30m的？準150mm泄水孔，泄水孔采用水平地質鉆機鉆設，兼做地質勘察。為了避免導洞坍塌，根據情況不同施做簡單錨噴支護。對比試驗測試表明，超前導洞可提前釋放變形量的25～60%，控制變形的效果非常明顯。

因超前導洞施做工期較長，造價較高，故部分圍巖狀況較好，變形量較小的段落在隧道上部鉆設？準250mm超前泄壓孔進行應力釋放（如圖2所示）泄壓孔超前掌子面30m以上，經對比試驗測試，可提前釋放變形量的20～45%，控制變形的效果較超前導洞要差，但具有施工簡單、快速的優勢，適用于本項目工期較緊的情況。

3.2 確保掌子面變形過大坍塌的技術措施

軟弱大變形圍巖隧道的掌子面通常因變形過大而發生坍塌事故，造成施工人員傷及施工機具損失，故在施工中需引起高度重視。

①超前支護。超前支護為“先支后挖”的技術措施，對隧道掌子面前方圍巖的變形具有良好的控制效果，是避免掌子面坍塌的重要措施。通常采用的超前支護為：超前大管棚、超前小導管及超前錨桿等幾種類型。本隧根據圍巖情況及施工條件，主要采用超前小導管的支護形式，其施工參數如下：

超前小導管采用？準42熱軋無縫鋼管，長度為6m，搭接不得小于1.0m，沿隧道掘進輪廓線外布設，間距為80cm，支護范圍為拱部120°，外插角按1～2°設置。

超前小導管施工時需按嚴格設計參數施打和壓漿;為確保超前小導管與支護鋼架形成聯合支護效果，小導管的外露端頭焊接固定于型鋼拱架上，以真正達到加固圍巖的作用。

②掌子面設置錨桿。因項目工期較緊，為確保施工進度，在掌子面打入錨桿，以控制圍巖開挖后的先行變形和掌子面變形，為后續進行大斷面開挖創造條件。

掌子面設置的錨桿采用易于切割的玻璃纖維錨桿，有利于后續的掘進，錨桿長度根據具體現場情況及施工條件的不同，選用10m、15m、20m等三種類型。

③噴射砼封閉掌子面。掌子面開挖后立即噴射厚度10cm砼進行封閉，避免圍巖裸露加速風化而變形膨脹，以維持掌子面的穩定。

④開挖預留核心土。隧道掘進時掌子面預留核心土。以往施工經驗表明，此措施是防水掌子面失穩坍塌的有效方法，且施工簡單、經濟可行，在本項目中運用較多。

3.3 控制下臺階落底開挖時坍塌的技術措施

為確保施工進度，在采取上述的防護措施后，通常采用上、下臺階法開挖。臺階法的下臺階落底開挖時，圍巖坍塌風險極高。因為落底時上臺階的初支基礎處于懸空狀態，無支撐著力點，容易引起圍巖及初支失穩而坍塌。為此，下臺階開挖時安全保障的關鍵在于為上臺階的初支結構提供一個穩固的支撐基礎來控制初支拱腳下沉。本隧采取如下措施：

①鎖腳錨管技術措施。在上臺階型鋼拱架的拱腳處設置鎖腳錨管，將上臺階初支壓力傳遞至圍巖上，錨管設置方向盡量平行于拱腳的切線方向，以提高承載能力。

每個拱腳處設置4根長7m鎖腳錨管。

②臨時仰拱技術措施。設置臨時仰拱，讓上臺階的初支封閉成環，能有效地控制上臺階初支的沉降變形，確保下臺階的安全掘進。

③擴大拱腳的技術措施。擴大上臺階拱腳的基礎寬度，以降低地基壓強，實現上臺階初支穩固。

上臺階初支基礎需要有足夠的寬度來分散壓力，通常為0.8～1.0m，寬度不足時，初支沉降過大，達不到安全要求。為了確保基底支承力，擴大拱架斜撐設置鋼板支墊。擴大拱腳設置如圖3所示。

3.4 開挖方法及初支方案

①開挖方法。因工期緊，在情況允許的條件下通常采用進度較快的二臺階法。部分地質較差的Ⅴ、Ⅵ圍巖地段，也適當采用了CRD法、三臺階七步法施工，掘進方案的選擇以確保安全為首要考慮因素。

②初期支護方案。開挖后，立即對開挖面噴射5cm厚度的鋼纖維砼封閉圍巖，避免圍巖暴露加速風化及變形，引起坍塌。

加強鋼拱架等初支承壓能力，采用I20b工字鋼鋼拱架，設置間距加密為60cm。因為圍巖地應力和變形量大，鋼拱架需承受巨大的圍巖壓力，常出現初支變形破壞情況。為此，在鋼拱架的邊墻兩側各安置了一個可收縮接頭，使鋼拱架長度可收縮30cm，收縮接頭的設置使得鋼拱架更為柔性地隨圍巖形變，從而降低圍巖對鋼拱架的壓力。初支噴射鋼纖維砼，厚度增加至30cm。

上臺階設置擴大拱腳，在拱架每處拱腳處設置鎖腳錨管，錨管與鋼架焊接牢固。系統錨桿采用1.0m×1.0m間距，梅花型布置的？準25自進式中空注漿錨桿。

同時按3.0m×3.0m間距，梅花型布置的？準42注漿管進行圍巖注漿，長度6m，通過注入漿液，將破碎圍巖包裹、聯結成整體，避免地下水軟化圍巖，減低圍巖變形值。

大變形段隧道初期支護設計參數如圖4所示。

③仰拱及襯砌。仰拱及時跟進施做，盡量緊跟掌子面，且滯后不得超過30m，使支護封閉成環，提高支護的承壓能力。同時襯砌施做也要及時，但不能一味求快，需在圍巖地應力及變形充分釋放后，即圍巖收斂變形趨于穩定后再及時澆筑襯砌，以避免襯砌承壓過大，在圍巖壓力下破損。

4 ?圍巖變形加固控制效果

選取了采取以上大變形綜合控制措施的DK88+530、DK88+580、DK88+630典型斷面與采用原支護設計參數施工的DK88+365類似圍巖斷面，進行圍巖收斂變形量的對比試驗，試驗結果如表1所示。

從表1可看出，采取了以上大變形綜合控制措施的3個斷面的拱頂下沉及水平收斂值均較對比斷面大幅降低，變形值處于可控范圍內。表明本項目所采取的綜合措施對于控制圍巖大變形是科學有效的，確保了施工安全及隧道結構安全。

5 ?軟弱圍巖大變形控制的其他技術措施

5.1 加強超前地質預報

由于地質勘察技術的發展水平所限及地質勘察點位難以覆蓋全段落，現場施工所揭示的實際地質情況與設計勘察所提供資料間存在差異，需根據地質情況的不同，對超前支護、施工及初支的技術參數作相應的調整及修改，以確保施工安全及施工質量。本隧在施工時建立了由5人組成的地質超前預報及監控量測小組，專門進行地質的超前預報技術工作。

5.2 加強監控量測

本隧施工時還高度重視監控量測等信息化手段的應用。進行的監控量測主要包含水平收斂、拱頂下沉，淺埋隧道段還設置地表沉降觀測量點。

隧道收斂采用人員持尺量測耗時、耗力、干擾大，本項目應用了全站儀加貼片反射法進行變形及位移的量測，并配備手提電腦對數據進行軟件處理及分析。能夠將變形及位移的量測數據及分析結果以最快的時間反饋與施工現場，確保了軟弱大變形圍巖隧道施工的安全、順利進行。

6 ?結束語

軟弱圍巖隧道施工的質量事故、安全事故時有發生，造成了財產損失、人員傷亡和巨大的社會影響，故進行軟弱圍巖大變形隧道施工時，要認清軟弱圍巖發生變形的原因及發展規律，采取針對性的有效控制措施，嚴格進行工序操作、超前地質勘察及監控量測，可完全避免軟弱圍巖大變形隧道質量及安全事故的發生，確保施工人員生命及隧道結構的安全。

參考文獻：

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