鐵路隧道變形控制措施淺析

王國棟

Research 研究探討

鐵路隧道變形控制措施淺析

王國棟

（中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司機械分公司，河北 唐山 064000）

將鐵路隧道變形情況分級，制定對應(yīng)的措施去及時控制處理，根據(jù)既有承建工程實踐應(yīng)用，分析其可操作性、安全性，達(dá)到控制圍巖失穩(wěn)、初期支護(hù)變形、防止初期支護(hù)侵限的目的。留足安全儲備，確保后續(xù)的仰拱、二次襯砌施工。

隧道變形；控制；措施；安全

0 前言

目前我國鐵路隧道施工除盾構(gòu)法以外，大部分采用礦山法或淺埋暗挖法施工，而其原理就是“新奧法”。施工過程中由于種種因素制約，尤其是工期壓力、施工隊伍自身業(yè)務(wù)水平、地質(zhì)變化等原因，無法充分利用圍巖自身自承能力，從而造成圍巖失穩(wěn)，初期支護(hù)變形。這時候就需要采取相應(yīng)的補救措施來確保工程安全施工。本文主要針對不同的圍巖變形情況來分級、分項，采取對應(yīng)的措施來控制變形，確保安全儲備，確保后續(xù)施工。同時分析其可操作性及社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，達(dá)到確保安全、經(jīng)濟(jì)可控、社會增效的目標(biāo)。

1 隧道變形原因分析

隧道開挖破壞了地層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道周邊的地層應(yīng)力將會由水平方向與豎直方向的主應(yīng)力，轉(zhuǎn)化為隧道徑向與法向的主應(yīng)力，大小主應(yīng)力方向?qū)l(fā)生變化，同時還將伴隨著地層剪切應(yīng)力的出現(xiàn)。

隧道開挖后，周邊地層將會臨時處于無支護(hù)的臨空狀態(tài)，隧道周邊地層將出現(xiàn)向隧道方向位移的趨勢（拱頂下沉與周邊收斂變形），如果在隧道開挖斷面范圍內(nèi)存在地質(zhì)破碎帶或地層斷面，甚至可能引起地層的坍塌。但由于此階段時間相對較短，相應(yīng)的地層位移可能并不明顯，尤其是在地層條件較好的情況下。

開挖后應(yīng)在盡可能短的時間內(nèi)施加初期支護(hù)，并盡早施作仰拱，將初期支護(hù)封閉成環(huán)，達(dá)到“強支護(hù)”的目的。但由于初期支護(hù)施工過程中的種種不當(dāng)，例如進(jìn)尺較深、工藝偏差、尤其是特殊圍巖及地形等原因，初期支護(hù)封閉成環(huán)之前圍巖的變形加劇，這時就應(yīng)該采取必要的措施來避免變形過大造成施工安全事故出現(xiàn)。

2 工程應(yīng)用分析

2.1 依托工程簡介

我單位承建的瓦屋里隧道、肖家塘隧道位于湖南省婁底市萬寶鎮(zhèn)西北約200m處。兩座隧道分別屬于滬昆客專湖南段婁邵聯(lián)絡(luò)線上行線和下行線，中間是其他單位正在施工的正線萬寶坪隧道。三座隧道平行施工，且彼此間相鄰距離很小，最小平距只有27m，施工難度及干擾極大。

2.2 隧道變形管理等級

施工期間，監(jiān)測人員在每次監(jiān)測后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制拱頂下沉、水平位移等隨時間及工作面距離變化的時態(tài)曲線，了解其變化趨勢，并對初期的時態(tài)曲線進(jìn)行回歸分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的最大值和變化速率。根據(jù)開挖面的狀況，拱頂下沉、水平位移量大小和變化速率，綜合判定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并根據(jù)變形管理等級及時反饋于設(shè)計和施工。變形管理等級標(biāo)準(zhǔn)見表2.1-1所示。

表2.2-1 變形管理等級標(biāo)準(zhǔn)表

管理等級管理位移施工狀態(tài) ⅠUo 2Un/3采取特殊措施 注：Un為允許最大位移量，Uo為當(dāng)前位移量

2.3 隧道變形施工等級及控制措施

當(dāng)管理等級為Ⅱ、Ⅲ級時就應(yīng)該對隧道的初期支護(hù)采取措施來控制其變形，隧道圍巖變形控制及分級見表2.3-1：

表2.3-1 隧道圍巖變形分級及控制措施表

管理等級施工級別圍巖量測及現(xiàn)場觀察情況技術(shù)措施管理措施 Ⅱ輕度拱頂出現(xiàn)輕微沉降，噴砼面出現(xiàn)細(xì)小裂痕，無明顯掉塊現(xiàn)象，收斂情況可控增設(shè)鎖腳錨桿，錨桿端頭處與鋼架“L”形焊接現(xiàn)場技術(shù)員、施工隊工班長注意觀測、控制；量測頻率正常 Ⅲ中度拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在5cm以上，但是日沉降量曲線較為平緩；噴砼面出現(xiàn)較大裂縫、隆起，鋼架出現(xiàn)輕微變形拱部及邊墻增設(shè)鎖腳錨桿，上臺階設(shè)臨時橫撐閉合，拱部視情況小導(dǎo)管注漿隧道主管帶領(lǐng)技術(shù)員及施工隊各負(fù)責(zé)人密切關(guān)注，增加量測頻率，避免發(fā)展成為重度 Ⅲ重度拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在10cm以上，同時有較為明顯的日沉降量；噴砼面出現(xiàn)密集裂縫、隆起、掉塊；鋼架出現(xiàn)明顯變形，上下臺階連接板處發(fā)生扭曲1.上、下臺階設(shè)臨時橫撐閉合，上下臺階連接板處下方設(shè)斜撐與底層橫撐相連，拱部及周邊小導(dǎo)管注漿2.全環(huán)設(shè)護(hù)拱施工，并將護(hù)拱連接成為整體，防止塌方項目主管領(lǐng)導(dǎo)值班，現(xiàn)場負(fù)責(zé)人跟蹤觀察指導(dǎo)，避免坍塌事故，出現(xiàn)特殊情況及時撤離

2.3.1輕度級別變形控制措施

2.3.1.1技術(shù)措施及施工工藝

當(dāng)拱頂出現(xiàn)輕微沉降，此時目測初期支護(hù)噴砼面出現(xiàn)細(xì)小裂痕，但是無明顯掉塊現(xiàn)象，沉降、收斂量測數(shù)據(jù)顯示較小但是還有繼續(xù)發(fā)展趨勢時應(yīng)該按照隧道變形輕度級別進(jìn)行變形控制，具體施工過程如下：

a.沿初支鋼架45°夾角打設(shè)增強鎖腳錨桿，錨桿長度4m。

b.錨桿頭加工成L型，緊貼鋼架兩側(cè)各設(shè)置一根，錨桿L型接頭抱緊后與鋼架面板滿焊加固。

c.每側(cè)拱腳各增設(shè)2組鎖腳錨桿，錨桿安裝完成后注漿處理。

d.對初期支護(hù)噴砼開裂面復(fù)噴處理，并作出標(biāo)示，方便進(jìn)行后續(xù)的觀察噴砼面是否繼續(xù)開裂。

2.3.1.2管理措施

a.現(xiàn)場技術(shù)員及作業(yè)工班長對處理完成的初期支護(hù)進(jìn)行觀察，主要觀察拱部及拱腳噴砼面是否繼續(xù)開裂，裂縫寬度是否增大，錨桿錨固孔是否出現(xiàn)明顯下沉式開裂等。

b.增加隧道圍巖量測頻率，根據(jù)量測數(shù)據(jù)分析初支體系穩(wěn)定情況，形成動態(tài)控制。

2.3.2中度級別變形控制措施

2.3.2.1技術(shù)措施及施工工藝

拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在8cm以上，但是日沉降量曲線較為平緩；目測初期支護(hù)噴砼面出現(xiàn)較大裂縫、有部分隆起，鋼架拱腳處出現(xiàn)輕微扭曲或彎起變形，此時應(yīng)該按照隧道變形中度級別進(jìn)行變形控制，具體施工過程如下：

a.拱部及邊墻增設(shè)鎖腳錨桿，L=4m；每側(cè)拱腳設(shè)置2組，錨桿頭與鋼架抱緊滿焊；具體施工方法與輕度級別中描述一致。

b. 于上臺價拱腳處加設(shè)臨時橫撐。臨時橫撐使用Ⅰ18工字鋼，長度根據(jù)現(xiàn)場實測而得，兩端分別與兩側(cè)拱腳滿焊，形成封閉環(huán)狀體系。連接端頭也可以使用連接板螺雙連接，但是施工中不容易控制其緊密連接，故采用焊接連接方式。

c.臨時橫撐一般沿線路方向至少布置2道，安裝前確保其置于穩(wěn)定、堅硬的地基上，為方便行車橫撐縱向間須鋪墊料碴或混凝土，待壓實后方可行走機械。

d.視圍巖情況考慮是否進(jìn)行小導(dǎo)管注漿處理，如圍巖松散、破碎較嚴(yán)重則必須注漿處理。

e.圍巖穩(wěn)定后可以切割拆除臨時橫撐，此時整體圍巖基本已同初期支體系形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，但拆除時仍應(yīng)小心觀察，如發(fā)現(xiàn)異常則立即停止拆除并焊接恢復(fù)。

2.3.2.2管理措施

a.出現(xiàn)中度級別變形施過程中應(yīng)由隧道主管領(lǐng)導(dǎo)帶隊，密切關(guān)注變形段。要經(jīng)常對初期支護(hù)進(jìn)行觀察，尤其是對施作完成的臨時橫撐的觀察。首先觀察初期支護(hù)表面裂縫是否繼續(xù)發(fā)展，拱腳處有無明顯變形，橫撐與鋼架焊接處是否出現(xiàn)開焊現(xiàn)象，這樣可以針對實際情況來進(jìn)行施工上必要的調(diào)整。

b.增加隧道圍巖量測頻率，根據(jù)量測數(shù)據(jù)分析初支體系穩(wěn)定情況，形成動態(tài)控制。

2.3.3重度級別變形控制措施

2.3.3.1技術(shù)措施及施工工藝

拱頂出現(xiàn)明顯沉降，累計沉降量在10cm以上，同時有較為明顯的日沉降量；目測初期支護(hù)噴砼面出現(xiàn)密集裂縫、隆起、掉塊現(xiàn)象；鋼架出現(xiàn)明顯變形，尤其是拱腳及上下臺階連接板處發(fā)生扭曲現(xiàn)象嚴(yán)重，此時應(yīng)該按照隧道變形重度級別進(jìn)行變形控制，具體施工過程如下：

a.拱部及邊墻增設(shè)鎖腳錨桿，L=4m；每側(cè)拱腳設(shè)置2組，錨桿頭與鋼架抱緊滿焊；具體施工方法與輕度級別中描述一致。

b. 于上臺價及下臺階拱腳處加設(shè)臨時橫撐。臨時橫撐使用Ⅰ18工字鋼，長度根據(jù)現(xiàn)場實測而得，兩端分別與兩側(cè)拱腳滿焊，形成封閉環(huán)狀體系。

c.由于圍巖應(yīng)力集中，上、下臺階連接處極易出現(xiàn)變形、隆起、侵限現(xiàn)象，使用Ⅰ18工字鋼斜撐將上臺階拱腳與下臺階橫撐相連，形成三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，可以有效的控制事故發(fā)生。

d.拱部小導(dǎo)管注漿處理，邊墻局部、尤其是連接板處注漿處理。

e.圍巖穩(wěn)定后可以切割拆除臨時橫撐、及斜撐，遵循拆除一段仰拱施工一段的原則，循序施工，保證臨時封閉結(jié)構(gòu)安全轉(zhuǎn)移成為仰拱封閉結(jié)構(gòu)，具體施工同上文所述。，拆除時小心觀察，如發(fā)現(xiàn)異常則立即停止拆除并焊接恢復(fù)。

f.如已施工完仰拱的初期支護(hù)仍出現(xiàn)突然的沉降收斂，或者量測曲線平緩但繼續(xù)下去會導(dǎo)致初期支護(hù)侵限，此時如果二次襯砌無法跟上施工，則應(yīng)該設(shè)置護(hù)拱（套拱）。護(hù)拱使用既有工字鋼鋼架全環(huán)安裝，下部連接板直接坐落于已施工仰拱混凝土面上。縱向之間護(hù)拱使用連接筋連接，護(hù)拱與原初支面間空隙處使用墊板填塞密實，確保應(yīng)力傳遞，并盡快安排后續(xù)二襯施工，護(hù)拱拆除也遵循拆除一段施工一段二襯原則，必要時采取跳槽施工二襯。

2.3.3.2管理措施

a.出現(xiàn)重度級別變形施過程中應(yīng)由項目部主管領(lǐng)導(dǎo)帶隊，輪換制度密切關(guān)注變形段，確保洞內(nèi)全時間段均有人值班。出現(xiàn)特殊情況及時匯報并采取相應(yīng)措施，防止坍塌事故的發(fā)生。

b.隧道圍巖量測跟蹤進(jìn)行，確保洞內(nèi)隨時有人監(jiān)測，獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)，避免坍塌事故。

c.組織隧道施工專家每天召開現(xiàn)場會，實時分析并研究探討應(yīng)對措施，做到隧道施工安全萬無一失。

3 優(yōu)缺點分析及結(jié)論

3.1 優(yōu)點

a.處理時間短，使用加強鎖腳錨桿，加設(shè)橫撐、斜撐具備施工時間短的優(yōu)點，隧道施工安全控制拼的就是時間，尤其對于重度變形來說，早一個小時采用應(yīng)對措施控制住可能就會避免一次侵限、坍塌事故。而上述三種控制措施均可以原地取材，拆卸也很方便，時間短是其最大的優(yōu)點。

b.效果明顯。在實際應(yīng)用中，上述三種變形控制措施均得到了驗證，實用效果很好，均控制住了隧道的變形，為后續(xù)的施工提供了非常好的安全保障。

c.工藝簡單，隧道內(nèi)大部分施工人員不需要培訓(xùn)均可快速施工，也為隧道安全風(fēng)險快速處理原則提供了有力保障。

3.2 缺點

a.阻礙行車。安裝了橫撐、斜撐之后，對行車通暢有部分影響，機械施工過程中也需小心，防止碰到臨時支護(hù)而導(dǎo)致其扭曲、變形不起作用。

b.浪費材料。安裝的橫撐、斜撐由于分散了圍巖應(yīng)力釋放，緩解了圍巖應(yīng)力集中，會輕微的變形，導(dǎo)致拆除后部分工字鋼不能再次循環(huán)利用。

3.3 結(jié)論

隧道變形控制使用加強鎖腳錨桿，增加橫撐、斜撐等措施控制，能有效的控制隧道變形，分解及減緩圍巖應(yīng)力集中，避免出現(xiàn)初支侵限，隧道坍塌事故，為后續(xù)的仰拱閉合施工提供了安全保障，也為二襯施工提供了足夠了安全儲備；其工藝簡單，可操作性強，施工時間很短，可靠性也經(jīng)過了實踐驗證，是隧道變形控制的首選措施。

[1]中華人民共和國鐵道部：《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》

[2]中華人民共和國鐵道部：《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》

[3]由鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司設(shè)計的長昆客專鐵路設(shè)計文件和施工圖紙。

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1007-6344（2021）01-0329-02