勐遠隧道軟弱圍巖收斂變形控制技術研究

任 鵬

（中鐵十五局集團第三工程有限公司 四川成都 611731）

1 工程概況

玉磨鐵路北起玉溪，南經磨憨進入老撾，是國家“一帶一路”戰略中線工程的重要組成部分。玉磨鐵路工程地質復雜，特別是滇西南地區濕熱多雨，巖層風化程度高，沿線地形復雜、構造發育、巖體破碎，工程地質條件差［1］，施工難度大。

勐遠隧道進口工區地層巖性為石炭系下統（C1）泥巖夾砂巖，巖質較軟且結構面發育，從地表至隧道開挖底面，圍巖風化程度分別全風化、強風化，埋深30～54 m，開挖斷面位于潛水面附近，隧道內水量受地表降水影響較大（相對于降雨等，表現出一定的滯后性），圍巖遇水易軟化崩解現象較常見。隧道開挖后，拱頂易掉塊，掌子面圍巖易發生正面擠出或溜塌，側壁有時失去穩定。完成初期支護后，沉降及收斂變形較大（局部收斂變形量超過30 cm）且變形持續時間長。

為了避免初支侵限，施工過程中，試驗了加大預留變形量、加密格柵鋼架等，但仍收效甚微。

2 軟弱圍巖變形控制技術概述

軟弱圍巖隧道變形控制是鐵路隧道施工的難點，工程技術人員先后試驗了多種圍巖或初期支護變形控制技術，包括錨、網、梁、噴、注聯合支護形式［2］、“圓形斷面”隧道施工［3］、雙層超前小導管［4］等。以上各類施工技術中，抑制變形圍巖變形的主要方法是加強初期支護，進而提高初期支護對圍巖變形的抵抗力，即通過“強支硬頂”［5］保持初期支護具有足夠的強度。此外，隧道初期支護中，格柵鋼架及型鋼鋼架對圍巖收斂變形的約束作用不同［6］，格柵鋼架屬“柔性支護”，型鋼鋼架屬“鋼性支護”。在富水且圍巖較軟弱的情況下，圍巖變形速率較大，應首選型鋼架。圍巖變形持續時間較長的情況下，可以施作型鋼鋼架及格柵鋼架相結合的套拱抑制圍巖及初支變形。

3 方案設計及實施

3.1 方案設計

（1）設計依據

勐遠隧道進口工區開挖揭示地層巖性為泥巖夾砂巖，節理裂隙極發育，巖體破碎，巖質軟硬不均，巖層間以黏土等充填，膠結性差或無膠結。碴樣呈角礫狀或土狀，硬度較低，手捏即碎，泥巖遇水軟化崩解、軟化，初期支護表面滴水嚴重，局部呈線狀或串珠狀滴落。

為了避免出現大面積的初支侵限，根據施工經驗，合理控制超挖量及拱架預留變形量，采用前人經驗，根據施工進度及圍巖累計收斂量［7］，合理加大拱架尺寸。

較大含量的地下水對隧道施工的影響表現為：①使巖質軟化，強度降低；②沖走軟弱結構面中的充填物，降低結合程度［8］。故在抑制該隧道圍巖收斂變形上，以最大限度地提高圍巖的自穩能力為主要原則，變“被動支護”為“主動自穩”，故從以下三方面考慮加強圍巖的自穩能力：減少圍巖風化程度；固結圍巖；減緩初支面背后地下水的流動性。

（2）設計概述

結合該段地層巖性及地下水發育狀況，設計了如下抑制圍巖變形措施：①施作雙層鋼筋網片以快速封閉開挖臨空面；②圍巖易收斂段（根據監控量測數據判斷）按1.2 m×1.2m（環×縱）布置徑向注漿管并注漿；③合理引排地下水；④測量現場開挖揭示的圍巖產狀，調整鎖腳錨管長度及入巖角度。

3.2 方案實施

該工區圍巖以軟弱圍巖為主，開挖中以機械開挖為主，局部巖質較硬處，以小當量炸藥爆破。受地下水影響，若施作完成錨桿、鋼支撐后等再施作噴射混凝土，則噴射混凝土與圍巖剝落面間的結合程度較差，將影響初支的整體性及受力結構。故開挖排險后，在開挖剝落面鋪設φ6鋼筋網（網格間距25 cm×25 cm），為了鋼筋網較牢固且平整地固定于巖面上，在巖面上打入鋼筋頭，外露不超過10 cm，鋼筋頭與鋼筋網之間采用焊接的方式連接。鋪設完上述第一層φ6鋼筋網后，施作C25噴射混凝土，噴射厚度以完全覆蓋第一層鋼筋網片為宜。在第一層噴射混凝土表面，施作錨桿，錨桿按1.0 m×1.2 m（環×縱）的方式梅花形布置。利用錨末端、錨墊板、鋼筋頭等點焊鋪設第二層鋼筋網片，網片規格為φ8鋼筋網（網格間距為25 cm×25 cm），網片搭接寬度不小于兩個網格間距。施作鋼支撐及鋼架連接筋后復噴混凝土至設計厚度。

噴射混凝土強度達到設計強度的40%后（24 h后），在初支面上施作φ42注漿管（管壁上鉆設溢漿孔，孔徑6～8mm，孔間距10～20 cm），注漿管單根長2～3 m，布置間距1.2 m×1.2 m（環×縱）且呈梅花形布置。注漿材料為1∶1水泥漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。為減輕地下水對初支的水頭壓力，且減少因地下水流動而對基巖填充物的沖刷，對初支面濕潤或滴水處，改為“水玻璃＋水泥漿”的雙液注漿。

當上述雙液漿仍不能起到有效的隔水作用以便抑制地下水流動性時，則在滴水處施作泄水孔，使初支背后的基巖裂隙水及時排出，并定向引排，使地下水形成固定泄水通道，降低初支背后的水頭壓力對初支的影響［9］。

鎖腳錨管打設角度是影響其控制鋼拱架下沉效果的重要參數［10］，通常情況下，鎖腳錨管入巖角度與水平方向呈20°～40°，但因施工人員施工習慣、施工難度等，鎖腳錨管入巖角度通常情況下小于20°，故在本試驗方案中，為了更加有效地發揮鎖腳錨管對拱架內收的抑制作用，對鎖腳錨桿的長度及入巖角度分以下兩種情況調整：（1）巖層傾角較小時，增加鎖腳錨管長度（6 m），減小鎖腳錨管入巖角度（20°左右）；（2）巖層傾角較大時，減小鎖腳錨管長度（3 m），增大入巖角度（30°以上）。

4 試驗效果

施工現場通過前后各10 m的對比試驗檢驗該隧道圍巖收斂變形控制方案是否有效。其中DK442＋003（不含）～DK442＋013（含）段為對比里程段，未對圍巖采取設計以外的加固措施；DK442＋013（不含）～DK442＋023（含）按前文所述措施加固圍巖。比較前后兩個里程段內以下各項參數：拱頂最大累計沉降、拱腰最大累計收斂、拱墻最大累計收斂、變形持續時間（見表1）。其中單日變形量在3 mm以下認為持續變形結束，圍巖趨于穩定。

表1_圍巖加固效果對比

為了更加清晰地表述出DK442＋006拱頂沉降規律，自開挖之日（2017年8月19日）起，計算每5日內的平均日沉降量，并繪制曲線圖（見圖1）。同理，繪制DK442＋018拱頂沉降規律曲線圖（見圖2）。

圖1 DK442＋006拱頂日均沉降量曲線

圖2 DK442＋018拱頂日均沉降量曲線

從圖1中可看出，圍巖在開挖支護后，圍巖變形漸變的收斂趨勢不明顯，日均變化曲線呈現出較強的上下波動性，表明圍巖收斂不穩定，圍巖應力釋放不均衡，圍巖基本穩定且具備施作二次襯砌條件時，圍巖累計變形量約33 cm，故預留變形量設置為35 cm；經本方案設計的方法對圍巖加固后，圍巖變形趨勢穩定，圍巖變形曲線符合相關技術規程［11］，圍巖在基本穩定后的累計變形量約10 cm，為了避免局部里程段圍巖變形過大而導致初支侵限的現象，故后續施工中預留變形量調整為15 cm。

5 結束語

軟弱圍巖隧道施工中的圍巖變形控制應從地層巖性判識、超前支護、開挖、支護等多方面綜合研究，總的來說，應遵循“管超前、嚴注漿、強支護、勤測量、早封閉”的軟弱圍巖施工原則［12］。本次結合勐遠隧道軟弱圍巖變形控制的實例，整理出一整套的軟弱圍巖變形控制技術，取得以下成效：

（1）雙層鋼筋網片施工技術在快速封閉開挖臨空面，防止圍巖短時間內快速風化崩解方面效果明顯，其中，貼近巖面的鋼筋網片能加強開挖面與混凝土的緊致度，提高初支結構的受力強度。

（2）徑向注漿在圍巖結構面較發育帶，對圍巖的加固作用明顯，能在支護背后形成有效的加固圈。

（3）軟弱圍巖帶，在及時引排地下水的同時，應減小初支背后的基巖裂隙水的流動性，圍巖開挖中，對初支背后的圍巖具有一定的擾動性，徑向注漿能形成有效的隔水層，進而減小基巖裂隙水流動性。

（4）鎖腳錨管的受力程度受圍巖產狀的影響，應根據圍巖產狀動態調整入巖角度及鎖腳錨管長度。