淺談高鐵大斷面軟弱圍巖隧道變形處理技術

張安俊

Engineering technique 工程技術

淺談高鐵大斷面軟弱圍巖隧道變形處理技術

張安俊

（中鐵六局集團廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000）

我國幅員遼闊，地形地貌復雜多變，隨著國家高鐵建設的深入，在丘陵、山嶺地帶，隧道成為貫通線路不可缺少的組成部分。受地質、埋深等各方面的影響，大斷面軟弱圍巖隧道極易在雨季發生變形，造成沉降過大，甚至初支侵線，造成極大安全、質量隱患，及工期、成本的增加。如何妥善處理隧道變形，盡快恢復正常掘進，一直是軟弱圍巖隧道施工重難點。本文結合贛深鐵路廣東段林寨隧道施工實例，介紹了軟弱圍巖變形隧道地表、洞內、基底、換拱處理的施工控制要點，為同類工程施工提供可借鑒經驗。

隧道；軟弱圍巖；變形；處理

1 工程概況

林寨隧道全長6236km，位于廣東省和平縣境內，DK188+915～DK189+490段為Ⅳ級圍巖，段落總長575m，采用Ⅰ型小導管超前注漿預支護，Ⅳb型復合式襯砌，三臺階法施工，開挖斷面達150㎡。洞身主要位于泥盆系砂巖、粉砂巖地層，砂巖呈弱風化，青灰色，節理裂隙較發育，巖體較破碎；粉砂巖，紅褐色，鈣質泥質膠結，節理裂隙發育，巖體破碎，地下水主要為基巖裂隙水及第四系孔隙潛水，一般不發育。

2 施工經過及原因分析

2.1 施工經過

2019年11月28日、12月16日、12月25日林寨隧道掌子面先后開挖至DK188+982、DK189+002、DK189+022，現場揭示圍巖均為全風化粉砂巖，紅褐色，結構松散，呈土狀，遇水易軟化，掌子面易掉塊，地下水較發育，自穩性較差。經方現場勘察并共同研究后，將林寨隧道DK188+982～DK189+002、DK189+002～DK189+022、DK189+022～DK189+042段圍巖級別由Ⅳ級圍巖調整為Ⅴ級圍巖，超前預支護采用Ф89洞身長管棚，Ⅴc型復合式襯砌，初支鋼架采用HW175型鋼，間距0.6m/榀，開挖工法調整為三臺階七步開挖法，核心土預留3～5m。

2020年1月5日林寨隧道掌子面開挖至DK189+035，左中臺階為DK189+029，右中臺階DK189+025；左下臺階DK189+022，右下臺階DK189+017；仰拱施工至DK189+015，二襯里程為DK189+000。

現場揭示地質基底為粉砂質泥巖，呈土夾碎石，泥質含量高，遇水軟化，地下水較發育；中臺階揭示為W3粉砂巖，風化嚴重，強度低，塊狀；拱頂揭示為泥巖，呈土狀，未見地下水。2020年1月5日監控量測數據顯示DK189+000～DK189+035段單日沉降值在15～31mm，超過10mm/d。現場立即暫停掌子面開挖，增加中臺階臨時仰拱支撐。至2020年1月7日19時，DK189+003～DK189+035段多處初支混凝土剝落，累計沉降值在38cm～66cm，收斂值在11～27cm，已嚴重侵限。

2.2 原因分析

經現場地表調查，DK189+000～DK189+193段地表被人為開挖種植果樹，地表裸露，實測隧道DK188+992～DK189+070段埋深為15～20m，較原設計低9～12m，該段多處出現地面下陷，20余處地表開裂現象，并有發展趨勢。此段隧道地質為粉砂質泥巖，呈土夾碎石，泥質含量高，遇水易軟化，埋深較淺且地表多處開裂，與地表水聯系極為緊密，受大氣降水影響大。

2019年12月底至2020年1月初連續多天出現降雨，地表水入滲后軟化巖土體，導致巖土體自重增大，強度降低，圍巖自穩能力下降，造成圍巖變形下沉。

3 施工處理方案

林寨隧道DK189+000～DK189+490段，按照分級分部施工原則，此段施工主要分為兩大方面：一是大變形段的換拱處理；二是后續的開挖掘進。具體如下：

3.1 設置警戒線

在隧道山體地表開裂范圍及未施作二村地段設置警戒線，嚴禁人員及機械進出，確保施工安全。

3.2 完善地表排水系統

沿地表高側設置截水天溝將地表水引排至低側隧道范圍以外，減少地表水下滲。橫向設置截水溝將高側地表水引排至線路兩側自然溝內，截水溝采用C25混凝土現澆，減少地表水下滲。

3.3 地表裂縫處理

地表裂縫采用水泥砂漿灌漿封閉，粘土夯填，防止地表水下滲，并加強裂縫觀測。

3.4 超前地質預報

按照超前水平鉆孔位置在掌子面DK189+035及中、下臺階相應位置打設4孔30m超前水平鉆孔，探測前方地質情況和涌水量，并利用該孔對洞內地表滲水及地下水進行引流至小里程已施作的中心水溝后排至洞外。水平鉆探循環鉆進30m，連續預報時前后兩循環搭接不應小于5m。

圖3-1 超前水平孔位置布置圖

3.5 掌子面反壓回填

對中臺階變形段進行加強，即DK189+022～DK189+029段增加雙層臨時仰拱，同時在該段變形較大的左側采用WH175型鋼斜撐加強，間距0.6m。第一層臨時仰拱設置在中臺階底部，第一層臨時仰拱及斜撐施工完成后，中下臺階采用反壓回填至上臺階高度再設置一道臨時仰拱。回填土從棄渣場運至洞內，分層填筑，每層厚度不大于30cm，采用挖機夯實。

臨時仰拱采用I18輕型工字鋼，間距0.6m，工廠化加工并試拼合格后才能安裝。仰拱間噴射25cm厚C25混凝土，連接件采用Φ22鋼筋，間距1m，與臨時仰拱鋼架八字形連接。

3.6 變形段初支加固

3.6.1徑向注漿及初支拱架加固

對DK189+003～DK189+035洞內拱墻變形嚴重處進行徑向注漿。注漿范圍超出變形處2m。該段注漿完成后，以及套拱施工完成后才可以施工DK189+015～DK189+018段仰拱。變形處徑向注漿施工完成后，再對（DK189+003～DK189+035）其他部位進行徑向注漿加固。充分考慮到后續換拱施工，5m圍巖徑向注漿時需對已施工鋼架進行加固，孔口縱、環向間距可根據實際情況進行部分調整。注漿完成后，判斷注漿效果，決定是否補注漿。

圖3-2 DK189+003～DK189+035段5m徑向注漿正面圖

3.6.2鋼纖維噴射混凝土加固

為確保圍巖穩定，對DK189+003～DK189+035段初支變形嚴重初期支護采用濕噴機械手噴射15cm鋼纖維噴射混凝土，鋼纖維為III類鋼纖維，單絲長度30mm，參量50kg/m3。

3.6.3套拱施工

為加強支護強度，在仰拱端頭DK189+012～DK189+015段采用套拱支護，套拱采用I18型鋼鋼架連接成環，鋼架間距1m，合計4榀鋼架，鋼架間通過φ22螺紋鋼筋進行連接成一個整體，套拱鋼架落底至仰拱邊墻頂面，支墊密實，并采用鎖腳鋼管加固，鎖腳鋼管每組2根φ50mm鋼管，壁厚3.5mm，L=5m，支護噴射25cm厚C25混凝土。利用防水板施工臺架安裝套拱拱架，安裝尺寸和鎖腳鋼管的施做如圖3-3所示。

圖3-3 DK189+012～DK189+015套拱安裝示意圖

3.6.4仰拱施工

DK189+015～DK189+022左右兩側拱腰變形大處進行徑向注漿完成，且DK189+012～DK189+015套拱施工完成后。為了穩固變形段，掌子面開挖前，先進行DK189+015～DK189+018段3m仰拱施工，縮短仰拱與掌子面之間步距。

仰拱開挖前，先對中臺階臨時仰拱進行支護，采用I18工字鋼豎向支撐臨時仰拱中間部位，支撐上部與臨時仰拱焊接牢靠，下端與隧道基底密貼，必要時采用型鋼或鋼板墊實。中、下兩臺階間垂直面采用錨噴網支護，錨桿采用Φ22鋼筋，長5m，間距2*2m；鋼筋網采用ф6鋼筋，間距25*25cm。

仰拱開挖后，安排試驗員對隧底進行地基承載力試驗，及時清除虛渣、雜物、泥漿、積水，立即初噴4cm混凝土封閉巖面，按照設計要求安裝仰拱鋼架，復噴混凝土至設計厚度，使初期支護及時封閉成環。若地基承載力小于200KPa，仰拱施工時按2*2m的間距預留φ110PVC管，后續對隧底進行注漿加固。

過程中，要加強監控量測，若沉降大于10mm/d，人員及設備立即撤離。待DK189+015～DK189+018仰拱完成后，回填施工便道至掌子面，為超前支護和掌子面開挖準備。

3.7 開挖掘進

3.7.1地表預加固

為改善圍巖物理力學性能，對掌子面前方地表已發生土體擾動的DK189+035～DK189+085段采取地表袖閥管注漿加固處理，加固寬25m；加固深度均從隧道拱頂5-8m開始，隧道中部加固至隧道輪廓線以外50cm，兩側加固至W2基巖面以下0.5m。注漿孔鉆孔孔徑不小于90mm，間距2m*2m，梅花形布置。以水泥漿液為注漿材料，水灰比0.8:1～1:1，注漿壓力0.5～3.0MPa，漿液擴散半徑1.5m。注漿前進行現場注漿試驗，根據實際情況調整注漿參數。

袖閥管材料采用φ60mmPVC塑料管，袖閥管全長設置，袖閥管與孔壁之間采用套殼料添堵密實，套殼料配合比為水：灰：土=1.6:1:1。地表往下挖20cm，施做長寬高為1*1*0.2m的C20混凝土塊止漿盤。按照先小里程再大里程，先周邊后中間，由內向外，間隔跳孔的順序注漿。

DK189+035～DK189+085段地表注漿于2020年3月22日開始，截止2020年3月28日完成30孔，施工過程中注漿壓力上限1.5MPa左右，無法達到3MPa的設計注漿壓力要求，漿液擴散效果不佳，且注漿過程中存在竄孔現象，經過多次調整仍未能達到設計注漿加固要求。現場鉆孔勘探得知DK189+035～DK189+047段拱頂5～11m為富水層，采用普通單液漿注漿，造成漿液大部分流失，漿液用量大且固結速度慢，加固土體效果較差。通過現場研究進行了以下兩項調整：

①采用剛性袖閥管，用以增強注漿壓力，提升注漿效果。

②隧道邊墻兩側采用水泥+水玻璃雙液漿，減少漿液流失，加快土體固結，提升地表注漿加固土體效果。

3.7.2超前支護

初支采用鋼管壁厚5mm的φ89管棚進行超前支護，單根長10m；支護范圍為拱部140°范圍，環向間距0.4m，外插角≯10°；利用HW175型鋼拱架腹部穿孔作為導向架，縱向搭接長度不小于3m。

3.7.3開挖

林寨隧道DK189+035～DK189+085段圍巖級別由Ⅳ級調整為Ⅴ級，采用三臺階臨時仰拱開挖法，間距0.6m/榀HW175型鋼初支鋼架，Ⅴc型復合式襯砌。嚴格控制每循環開挖進尺及臺階長度，初支及時封閉成環，仰拱至掌子面距離控制在30m以內，二次襯砌緊跟。

3.8 換拱施工

DK189+012～DK189+060段仰拱施工完成后，先施工DK189+036～DK189+048段二襯，再進行DK189+003～DK189+035段進行換拱施工。根據實際情況，提前用鎖腳鋼管加固初支拱架，每榀拱架分段切割拆除，換合格拱架后噴射混凝土，施工期間加強監控量測，并進行初支檢測。從DK189+003開始往大里程方向進行換拱，為保證施工安全，每次拆除換拱距離為1榀（0.6m）。

工藝流程如下：施工準備→插打鎖腳加固單元拱架→鑿除初支混凝土→分段拆除拱架→安裝新拱架→預留連接鋼筋、鋼筋網片→噴射初支混凝土

3.8.1換拱措施

換拱施工前DK189+003～DK189+035段初支已閉合成環，仰拱已施作，依據測量結果，為局部拱架置換，僅處理上臺階A單元。

3.8.2加固已施工鋼架

在拆除A單元前，必須對A2、A3、B1、B2、C1、C2單元進行加固，每單元增加1組φ50*3.5mm鎖腳鋼管進行鋼架加固，2根/1組，長度5m。增設鎖腳鋼管打設在A1與A2、A1與A3、A2與B1、A3與B2、B1與C1、B2與C2單元連接板以下0.5m處，向下15°，與鋼架用Φ22鋼筋“L”型焊接牢固，注1:1水泥漿，注漿壓力1.0～1.5MPa，具體詳見圖3-4。

圖3-4 DK189+003～DK189+035段鋼架加固布置圖

3.8.3拆除初期支護混凝土

在拱架A1、A2、A3單元的兩側，人工用風鎬配合破碎錘從上往下鑿出寬度25cm左右凹槽，拆除至鋼筋網或連接筋混凝土面時，切斷鋼筋網及連接筋，全部切斷后才能進行剩余混凝土進鑿除。按預留沉降15cm鑿除至開挖輪廓線后，為封閉開挖面防止拱部掉塊，初噴一層4cm厚C25噴射混凝土。

圖3-5 DK189+003～DK189+035段初期支護拆除圖

3.8.4架設型鋼拱架

初噴封閉后，打開接頭②、⑤處連接板，將已變形A單元拆除。現場測量后，在鋼筋加工場制作相應弧度的鋼拱架并試拼，然后把加工好的鋼拱架安裝至打開的接頭位置。此時A、B單元間的連接法蘭盤將會錯位，為確保鋼架整體安全牢固，將A、B單元間連接法蘭盤焊接牢固，并在②、⑤接頭以上0.5m處打設1組鎖腳鋼管固定拱架，并施作Φ22mm縱向連接鋼筋與相鄰鋼架牢固連接。

3.8.5初支掛網錨噴

型鋼架設后按設計進行初支掛網錨噴施作。采用網格尺寸為20cm×20cm的Φ6鋼筋網，在鋼筋加工場內集中加工，鋼筋網必須與初噴砼密貼。錨桿均采用HRB400直徑22砂漿錨桿，錨桿長度4.0米，環×縱間距為1.5×1.5m，且錨桿尾板與鋼筋網固定牢固。

林寨隧道DK189+035處掌子面2020年4月22日恢復正常掘進，7月15日掘進至DK189+085處，歷時84天，平均每天0.6m（1榀），進展順利，監控量測觀測變形最大值小于15cm。DK189+003～DK189+035段初支換拱從2020年7月21日開始，至9月13日結束，歷時55天，平均每天0.6m（1榀），進展順利，監控量測觀測變形最大值小于5cm。

表明通過地表袖閥管注漿加固以及洞內徑向注漿、套拱加固、鋼纖維噴射混凝土加固等一系列措施，確保林寨隧道正常掘進的盡快恢復及嚴重變形段換拱施工的順利完成。

3.9 監控量測

（1）設置地表監測網： DK189+003往大里程方向按縱向間距10m布設地表觀測樁，觀測斷面左側寬25m，右側寬25m，測點橫向間距2～5m，拱頂適當加密。

（2）洞內監控量測斷面按間距5m布置，每個量測斷面至少布置一個拱頂下沉測點和三條凈空水平收斂量測線。

（3）施工過程中應加密測量頻次，量測頻率不小于2次/天，并嚴格按監控量測規范執行。

（4）加強量測成果的回歸分析工作，發現問題應立即停止施工，并及時報相關單位處理。

4 軟弱圍巖隧道大變形的預防

軟弱圍巖隧道掘進過程中發生大變形，實際施工中均按文中前面講述的地表、洞內及基底相同或相近方法進行巖土體加固處理后換拱，成本極高、風險極大，且嚴重影響施工工期。后續施工中為防止軟弱圍巖隧道大變形的發生，并避免發生更嚴重的不可逆轉的大塌方，建議采取以下預防措施：

（1）將隧道超前地質預報納入施工工序管理，充分利用超前地質預報探明隧道掌子面前方土體狀態，為施工工法、預支護措施的選擇提供依據。

（2）將隧道圍巖監控量測納入施工工序管理，通過洞頂及洞內圍巖監控量測監控地表、洞內土體變形情況，及時反饋施工。發現異常或緊急情況，及時停止作業，撤離人員、設備，避免出現人員傷亡及設備損失。

（3）做好圖紙審核，查看設計是否給齊了土體預加固措施，特別是淺埋偏壓軟弱圍巖段查看是否有地表預注漿加固、預反壓等措施。若設計所給措施充足，嚴格按照要求進行施工；若不足，需及時與設計溝通，補齊相關措施。

（4）在工期許可的情況下，軟弱圍巖隧道段盡量避開雨季施工，一定比例的軟弱圍巖隧道均是雨期地表水入滲后導致巖土體自重增大，巖體軟化，圍巖自穩能力下降，造成圍巖下沉、變形，甚至大面積塌方、冒頂。

（5）施工時嚴格控制每循環進尺及臺階長度，初期支護及時封閉成環，仰拱至掌子面距離控制在20～25m，二襯緊跟。

5 結語

隨著國家“十四五”規劃的展開，我國鐵路、公路等各類基礎設施建設即將進入一個飛速發展期，將遇見層出不窮的各類復雜地形隧道及隧道失穩變形，特別是南方多雨地區大斷面軟弱圍巖隧道失穩變形將越來越常見，那么怎樣安全、快速的恢復隧道的正常掘進及完成嚴重變形段的換拱施工成為施工技術人員需要認真討論的問題。

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張安俊(1987.11- )，男，湖北麻城，大學本科，中級工程師，主要從事道路橋梁隧道施工技術研究。

TU723

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1007-6344（2021）01-0187-03