川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道施工方法分析

吳軍國，高飛 （中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

川藏鐵路是國家“十三五”重大建設項目計劃中的重中之重，是西藏自治區對外運輸通道的重要組成部分，是引導產業布局、促進沿線國土開發、整合旅游資源的黃金通道。規劃建設川藏鐵路對西藏、四川乃至中國西部經濟社會發展具有重大而深遠的意義。

川藏鐵路雅安至林芝段地貌形態主要受青藏高原地貌隆升的影響，總體地勢西高東低。為我國地勢第二梯度的四川盆地過渡到第三梯度的青藏高原，地勢急劇隆升抬起，為典型的“V”形高山峽谷地貌，具有“三高、兩強”的典型地質特征，表現為：高烈度地震、高地應力、高地溫，強烈發育多樣化地質災害、強烈發育深大斷裂，造就了川藏鐵路極為復雜的宏觀地質環境。高地應力軟巖大變形隧道通常具有圍巖變形量大、變形速率高、變形持續時間長等特點，部分地段甚至出現初支變形破壞、鋼架扭曲、侵限拆換等現象，給設計和施工帶來極大的困難。隧道施工中高地應力作用下軟巖大變形段的安全、快速、有效治理，一直被譽為“世界性難題”，是決定川藏線建設成敗的關鍵因素。

本文以川藏鐵路穿越高地應力軟巖地段隧道施工為依托，對不同等級軟巖大變形處理措施進行了介紹，本文的研究結論以期為類似工程提供一定的參考價值。

2 工程概況

2.1 工程簡介

新建川藏鐵路雅安至林芝段位于四川省及西藏自治區境內，線路自既有成雅鐵路雅安站引出，向西行經雅安、甘孜、昌都、林芝四市州，止于在建拉林鐵路林芝站，新建正線長度1008.41km，其中四川省境內470.61km，西藏自治區境內 537.80km。新建隧道72座837.88km、占線路全長的82.69%，新建10km以上隧道35座728.101km，其中德達隧道、孜拉山隧道、色季拉山隧道、伯舒拉嶺隧道、果拉山隧道5座隧道采用TBM法施工（共18臺正洞TBM），其余隧道采用鉆爆法施工。

2.2 軟巖大變形類型

川藏線軟巖大變形類型為高地應力松動（散）型、擠壓型、結構變形型三種。根據初測階段地勘資料沿線實測最大水平地應力44.3MPa（埋深780m，高爾寺山隧道），預測隧道最大埋深2100m時，最大可達80MPa。根據初測成果資料初步推測全線38座隧道局部段落存在不同程度軟巖變形問題，涉及段落長度約147km，占全線隧道長度的17%，中等及以上軟巖大變形段落約66km。

2.3 川藏線軟巖大變形特點

2.3.1 區域地質構造發育，隧道地質條件極其復雜

沿線主要通過4個一級構造，12個二級構造。斷裂、褶皺密集發育，以深大活動斷裂為主控構造。主要有龍門山斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂3條一級構造邊界斷裂，甘孜-理塘斷裂、金沙江斷裂、雅魯藏布江斷裂3條二級構造邊界斷裂，以及鮮水河斷裂、玉龍希斷裂、理塘斷裂、巴塘斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂、邊壩-洛隆斷裂、嘉黎斷裂、米林-魯朗斷裂等活動斷裂。

圖1 川藏鐵路構造綱要圖

2.3.2 軟質巖分布范圍廣，軟巖大變形段落長

千枚巖、板巖、頁巖、煤層、蝕變花崗巖、變質砂巖等地層，在高地應力環境下，易發生大變形。川藏鐵路沿線隧道所處的地層，上述巖性均有分布且沿線隧道埋深大，地應力高，均具備發生大變形的地質因素。

3 高地應力軟巖大變形分級

各級圍巖在正常施工條件下都會產生一定的變形，隧道施工規范、新奧法指南及襯砌標準設計等對各級圍巖及各種支護結構都規定有不同的預留變形量以容納這些變形。一般情況下圍巖變形量超過正常規定(20cm)的2倍(即＞40cm)時，可把圍巖變形視為大變形。隧道圍巖大變形主要發生于低級變質巖、斷層破碎帶及煤系地層等低強度圍巖中。川藏鐵路隧道初步設計軟巖大變形主要是根據強度應力比和位移變形速率判定。

①強度應力比判定：《鐵路擠壓性圍巖隧道技術規范》進行判識與劃分，共分為四級，如表1所示。

軟巖大變形經驗判據 表1

②按變形速率判定（表2）。

按變形速率對圍巖變形潛勢分級 表2

4 高地應力軟巖大變形施工關鍵技術研究

4.1 總體處理原則

川藏鐵路軟巖大變形隧道施工遵循“主動加固、優化輪廓、強化支護、適時錨固、工法配套”的基本原則。針對不同等級的大變形采用對應的預設計襯砌支護措施，根據圍巖揭示情況，結合現場試驗、理論分析和工程類比綜合確定支護參數。變形控制支護體系要有一定的強度和剛度，合理選擇支護時間，容許圍巖適度變形，充分發揮和調動圍巖的自承能力，初期支護及時施作并形成封閉支護體系。采用信息化施工管理，根據超前地質預報結果、開挖揭示的地質條件、支護結構狀態及監控量測成果，及時調整變形等級、支護參數和施工方法。

川藏鐵路隧道軟巖大變形不同級別防治措施一覽表 表3

圖2 軟巖大變形分級措施流程圖

4.2 超前加固技術

隧道開挖是釋放應力的過程，不同的開挖方法，應力釋放的過程及程度也是不同的，支護則是應力控制的方法，不同的支護方法應力控制的過程和程度也是不同的。軟巖大變形主要依賴于支護手段控制。當前國內外軟巖大變形隧道支護理念主要有及時強支護、多層支護、主動控制支護、聯合支護。主動控制支護主要是針對錨桿、錨索以及注漿加固地層（小導管徑向注漿、超前小導管注漿等）的錨注支護體系。主動控制支護一方面通過對圍巖進行注漿加固，改善圍巖物理力學性質，主動控制圍巖塑性變形，充分發揮、調動圍巖自承載作用；另一方面，注漿漿液充填于圍巖的各種裂隙之中，提高了圍巖的整體性，有效地阻止了地下水的滲入。

隧道超前加固在發揮圍巖自承能力和控制變形上發揮了積極的作用，而高地應力軟巖大變形隧道主要是構造應力較大，巖體破碎，掌子面穩定性差，特別是在斷層、破碎帶、褶皺核部、巖層交界面等地段可能還會受地下水影響，穩定性更差，因此超前加固措施對穩定掌子面為隧道開挖創造條件、隧道施工安全方面至關重要。

4.2.1 超前加固主要措施

川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道超前預加固以拱部超前小導管為主，極破碎洞段或破碎含水洞段，掌子面穩定性差時，多采用中管棚（大型機械化配套采用9m中管棚設計）。隧道開挖掌子面加固一般采取噴射混凝土封閉為主，必要時采取超前錨桿（玻璃纖維錨桿）、超前注漿等措施確保掌子面的穩定。

圖3 帷幕注漿鉆孔施工

圖4 超前導管支護

圖5 掌子面素噴封閉示意圖

圖6 掌子面錨桿加固示意圖

4.2.2 超前加固措施施工控制重點

超前小導管控制重點是注漿質量和搭接長度，管棚控制重點是打設角度、注漿質量和搭接長度，超前注漿控制重點為選擇合理注漿方式、適宜的注漿材料和漿液擴散效果。超前注漿、超前管棚、長錨桿等成孔應采用適宜的鉆孔設備，滿足鉆孔長度和孔徑需要，確保成孔質量。

4.3 開挖技術

川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道開挖方法根據工程地質和水文地質條件、開挖斷面大小、襯砌類型、隧道埋深、隧道長度、工法轉換的難易、機械設備的配置、工期要求及環境制約等因素綜合研究確定。對地質條件變化較大的隧道，選用的開挖方法考慮較大的適應性，當需要變更施工方法時，以工序倒換簡單和較少影響施工進度為原則，一般不應選用多種施工方法。

4.3.1 開挖工法選擇

川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道施工方法應根據圍巖變形等級、斷面大小等因素綜合確定，選擇少擾動、快封閉的施工方法，必要時采取措施穩定掌子面，為大斷面開挖創造條件。Ⅰ、Ⅱ級變形段可采用臺階法或全斷面法施工；Ⅲ、Ⅳ級變形段宜采用臺階法施工，必要時臺階法可設臨時仰拱，控制爆破、弱爆破開挖；條件適宜的軟巖隧道開挖采用懸臂掘進機、銑挖機時，應對開挖過程中產生的粉塵進行控制，宜配置吸塵設備。

①全斷面法

隧道全斷面法施工根據圍巖自穩能力控制開挖循環進尺，軟巖大變形隧道開挖循環進尺控制在2榀鋼架間距內；采用控制爆破、弱爆破，并控制一次同時起爆的炸藥量，減小爆破振動對圍巖的影響；隧底宜與上部同步施工，實現初期支護盡早封閉成環；宜配置大型專業施工機械設備，提高設備配套水平。

圖7 全斷面法鑿巖臺車開挖

②微臺階法

Ⅰ、Ⅱ級軟巖大變形段微臺階法（仰拱一次成型）：采用微臺階法施工，下臺階與仰拱一次開挖成型（仰拱深度2.3～3.3m），仰拱及時支護后回填。上臺階長度控制在3～5m；仰拱支護一次不超過3m，與下臺階距離控制在5m左右（設置簡易仰拱支護棧橋位置即可），仰拱距離掌子面距離根據現場施工組織安排確定，一般不超過100m。

Ⅲ、Ⅳ級長短錨桿結合軟巖大變形段（仰拱后開挖）：一般采用微臺階法施工，下臺階與仰拱分次施工（仰拱深度約3.5～4.5m），上臺開挖后及時初噴支護并施作短錨桿；安裝上下臺拱架支護后及時進行讓壓長錨桿及預應力錨索施工。上臺階長度控制在3～5m；仰拱開挖一次不超過3m，仰拱應及時封閉，距離下臺長度一般控制在20m以內，第二層仰拱初期支護與上、下臺同步施工。

4.3.2 機械開挖

隧道Ⅲ、Ⅳ級變形段宜采用機械開挖（銑挖機或懸臂掘進機）施工，減小開挖對圍巖的擾動，避免由于爆破振動而造成巖體結構松動、巖石結構局部破裂等不利情況，最大限度地保護巖體原有的自承能力。

①銑挖機開挖

銑挖機主要應用于圍巖較破碎至極破碎、圍巖強度低于30MPa的隧道。銑挖結構簡單，拆裝、使用方便，將銑挖頭直接替換挖機斗即可使用，實現一機兩用。隧道機械開挖可采用破碎錘配合銑挖機開挖，利用銑挖頭高速旋轉切削巖石，破碎錘處置硬巖夾層，利用高壓噴嘴降低開挖粉塵。隧道軟弱破碎地段采用機械開挖，有利于減小變形速率，減少撓動。

圖8 隧道機械開挖銑挖機

②懸臂掘進機開挖

高地應力軟巖大變形隧道軟弱破碎圍巖采用懸臂掘進機開挖時，開挖方式多采用臺階法施工，懸臂掘進機開挖土體通過下部操盤和兩側的旋轉片將開挖巖土撥至掘進機輸送帶上，輸送至掘進機后方卸入自卸汽車車廂，將土石運至棄碴場。

圖9 帶除塵裝置的懸臂掘進機

4.4 支護變形控制技術

4.4.1 組合群錨加固技術

組合群錨圍巖加固技術，屬于分階段綜合控制法中圍巖加固措施，短錨桿施作便捷快速，用于初期變形控制，限制淺部圍巖松弛的發展，為長錨桿創造施作時機；長錨桿錨入彈性區，將組合拱支護結構懸吊于深部穩定巖體，使淺部圍巖和深部圍巖共同作用，協調變形。長短錨桿合理組合，形成群錨效應，可以有效限制隧道圍巖的塑性區發展，約束圍巖變形速率，保證隧道施工安全。

①強烈（Ⅲ級）

長短錨桿結合，短錨桿為樹脂（藥包）錨桿（4.0m）+長錨桿讓壓式錨桿（10.0m），長錨桿在第一層初期支護封閉后施做。為防止隧底隆起，仰拱施做Φ32中空錨桿，錨桿長度10m，采用多功能鉆機鉆孔。

②極強烈變形（Ⅳ級）

長短錨桿結合，短錨桿為樹脂（藥包）錨桿（4.0m）+長錨桿讓壓式錨桿（12.0m）+邊墻18m預應力錨索，錨桿間距1.2×0.6m，長錨桿（錨索）均在第一層初期支護封閉后施做。

圖10 強烈軟巖大變形群錨體系

4.4.2 大剛度支護技術

①早高強鋼纖維噴射混凝土施工技術

鋼纖維噴混凝土的一個主要特點是提高混凝土的韌性，即在基體混凝土開裂后產生較大塑性變形時仍能保持承載力不明顯降低，可適應高地應力軟巖隧道大變形情況下的應力釋放，具有吸收變形的能力。作為初期支護，控制一定程度的開裂是允許的，而鋼纖維混凝土的韌性可以有效地適應和控制圍巖一定的變形。

②大剛度雙層初期支護技術

強烈及以上（Ⅲ、Ⅳ級）軟巖大變形采用雙層支護形式，拱架均采用高強度型鋼鋼架全環支護。錨索及長錨桿均為第一層支護后施做，第二層初期支護施做一般采取集中施工。川藏鐵路隧道大型機械化配套施工，拱架安裝采用三臂拱架安裝機，二層初期支護為減少前方掌子面施工干擾采用多功能支護臺架全斷面拱架安裝（不帶仰拱）。仰拱拱架緊隨上臺支護，施工時需要注意鎖腳錨桿施工質量，防止掉拱。

二層初期支護施做時間控制：

①根據初期支護距離掌子面距離確定，一般為3d（單線20m、雙線35m）；

②根據變第一層支護變形量確定二次支護時間，一般情況下第一層支護變形達到設計變形量的70%～90%（20～30cm）時施做，仰拱及二次襯砌適時緊跟。

③預設計單線隧道Ⅳ級軟巖大變形地段第二層初期支護時間為第一層支護變形50%后施做。

綜上，第二層初期支護的設置是容許第一層變形達到一定量對整體支護補強，設置時間建議雙控確定，即第一層支護變形量和滿足仰拱、襯砌封閉要求的3d，結合現場施工組織，盡量選取小值作為控制標準，一般是在5～7d后施做二層初期支護，也有第一層初期支護施做完成+長錨桿及邊墻錨索施做后即刻進行第二層初期支護的施工。

4.4.3 注漿后加固技術

結合Ⅲ、Ⅳ級軟巖大變地段圍巖后加固處理措施，主要采用圍巖徑向后注漿加固技術。隧道全環注漿加固采用Φ42鋼花管徑向注漿加固，鋼花管長5.0 m，小導管環向同距1.5m，縱向間距2.5m/環，梅花型布置。注漿材料采用水泥漿，參考配合比水泥：水 =0.5：1～1：1（建議注濃漿，水灰比控制在0.5以內，可采用減水劑增加流動性），注漿壓力1～3MPa。

4.4.4 讓壓支護體系

在圍巖大變形過程中，一般要求支護體系能與圍巖發生統一的協調變形，這就要求整個初期支護系統中各部分均能發生相應的變形，形成徑向和環向的協調同步，采用讓壓支護體系。讓壓初期支護系統中錨桿采用讓壓型，鋼支撐與噴層混凝土采用專門設計的讓壓控制器來實現讓壓變形。具體實施中有兩種方式可實現，第一種為初支系統中鋼拱架與噴射混凝土分段與讓壓控制器連接，二者統一協調變形，在此種方式下，可縮讓壓組件根據實際需要并結合地質條件等可設計為多個，待支護發揮一定作用，壓力達到一定量值后可按設計讓壓量進行壓縮，此時錨桿、鋼拱架及噴射混凝土將共同變形；第二種方式為鋼拱架與噴混凝土分開獨立設置，此時鋼拱架即為常規的可縮式鋼架，而噴射混凝土則使用讓壓連接器連接。

圖11 讓壓支護系統

圖12 U型可縮式鋼架圖片

4.4.5 其他初期支護變形控制技術

①鋼管混凝土鋼架

鋼管混凝土拱架是一種承載力高、抗彎、抗變形能力強、安裝簡易、經濟性能好的新型支護形式，在巖性復雜地層中用鋼管混凝土拱架代替鋼拱架，不僅可以節省鋼材降低工程成本，還可以加快施工速度縮短工期。鋼管混凝土支架是無縫鋼管經中頻熱煨彎管成型，焊接各種附屬件，防銹處理后做成空鋼管支架，再經井下灌注混凝土而成。（鋼管混凝土支架的突出優點是高支撐力，相同單位用鋼量條件下，Φ194×8鋼管混凝土支架承載力210噸，36U支架承載力50噸左右，支撐力提高3倍以上，成本僅提高20～50%。中國礦業大學高延法教授）。

圖13 鋼管混凝土拱架模型及煤礦巷道使用

②圍巖綜合加固技術

圍巖綜合加固技術屬于大變形處理中主動控制理念，主要采用周邊水平高壓旋噴樁（直徑一般采用φ600～800mm，設置拱部 120范圍，外插角 5～10，循環進尺 10～15m）+ 超前大管棚補強注漿+掌子面玻璃纖維錨桿三種大范圍圍巖加固措施相結合。深孔大范圍注漿加固補強隧道周邊和掌子面前方的圍巖，使掌子面附近早期閉合而控制位移的方法。此方法主要針對特別復雜流塑狀軟巖大變形隧道可采用圍巖綜合加固方案，此方法在蘭渝鐵路桃樹坪隧道出口應用，加固后可采用微臺階法（短臺階法開挖），具有機械化程度高、施工安全等優點。

圖14 圍巖綜合加固技術

③超前應力釋放法技術

主要有兩種，一種是超前小導洞應力釋放法；一種是超前鉆孔應力釋放法。

a.超前小導洞應力釋放

采用超前導洞支護加固+二次拆換擴挖，超前導洞一般預超前20m（超前越多應力釋放效果越明顯）從而實現應以釋放，在通過二次拆換周邊加固措施控制變形。

b.掌子面大鉆孔應力釋放

在掌子面打超前大鉆孔的方式進行超前應力釋放，降低地應力水平，減少圍巖變形，從而降低圍巖作用于支護系統上的應力。通過超前鉆孔的變形，將正洞周圍的應力進行釋放，使正洞開挖時處于較低的應力狀態。正洞開挖時不出現應力集中，避免應力過大而造成變形侵限。通過超前鉆孔所探出的巖性，為后續施工進行地質預測預報。一般鉆孔直徑為200mm的大鉆孔，鉆孔深度15～30m，應力釋放時間1d，鉆孔間距1.0m。

圖15 小導洞應力釋放法

圖16 超前鉆孔應力釋放法

④拱腳補強技術

隧道掌子面和周邊圍巖穩定有問題的地層中，通常會出現圍巖承載力和剛性不足，支護腳部周邊出現下沉的情況，造成洞周松弛區域擴大、拱頂作用荷載增加、圍巖出現大變形等隧道穩定性顯著降低的情況，對此必須對初期支護的腳部圍巖進行補強。主要采取臨時仰拱、擴大帶肋支撐等穩定拱腳的對策和拱腳補強錨桿、拱腳水平支持鋼管等增強拱腳承載力的補強措施。

4.5 二次襯砌施工關鍵技術

川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道荷載由初期支護和二次襯砌共同承擔，隧道二次襯砌結構考慮軟巖圍巖流變特性，二次襯砌結構施工質量應滿足設計強度、剛度和耐久性的要求。二次襯砌結構施工時，由變形等級高的地段向變形等級低的地段延伸加強，延伸長度不宜小于2倍開挖洞徑。二次襯砌施作應在隧道圍巖和初期支護變形基本穩定后進行施工，變形基本穩定應符合變形速率明顯下降并趨于緩和。隧道二次襯砌施工采用整體式帶模注漿模板臺車，設計分倉布料系統，確保二次襯砌施工質量。

圖17 帶肋鋼支撐拱腳加固措施

圖18 長鎖腳錨桿（管）

4.5.1 隧道二次襯砌施作時機控制

軟巖大變形隧道需及早施作二次襯砌，澆筑“剛強”的二次襯砌結構，與初期支護和加固圍巖共同承載，以抵抗余存的變形壓力，維護隧道及圍巖的整體穩定。為防止二次襯砌承受過大荷載出現結構劣損破壞，根據現場實踐及理論分析提出較為嚴格的隧道二次襯砌施作時間的變形收斂標準，并在實施后的現場觀測中，結構受力增加趨于穩定，能夠滿足二次襯砌安全度的要求，以此判定制定的軟巖大變形隧道二次襯砌施作時機的合理性。

4.5.1.1 類似工程二襯施作時機控制標準

①蘭武二線烏鞘嶺隧道推算變形穩定需3年時間，現場采取的二次襯砌施作時機變形速率為3～5mm/d，二襯加強且采用鋼筋混凝土結構；

②蘭渝高地應力軟巖隧道變形在短時間內很難達到規范要求的穩定值，根據現場實測，二次襯砌施作時機變形速率為1～2mm/d，仍有部分段落很難滿足上述控制標準，調整為2～4mm/d。

③拉林鐵路令達拿隧道為單線斷面軟巖大變形隧道，隧道二次襯砌施作時機變形控制標準為小于2mm/d，不能滿足要求時，必須采取徑向注漿加固、初期支護補強等措施。

4.5.1.2 川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道二次襯砌施作時機控制標準

川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道地質復雜，隧址區受板塊擠壓嚴重，軟巖大變形隧道變形可能持續時間較長。隧道二次襯砌的施作時機對于軟巖大變形控制具有非常顯著的效果，在施工允許條件下，隧道二次襯砌宜及時施作。但是二次澆筑過早，襯砌所承受的圍巖流變壓力將非常大，可能破壞二次襯砌結構。為確保施工安全，加快施工進度，川藏鐵路高地應力軟巖大變形隧道二次襯砌的施作時機尤為重要。

①二次襯砌施作應在初期支護穩定后進行。初期支護穩定標準如下：水平收斂小于0.2mm/d（7天平均值），拱部下沉小于0.15mm/d。

②初支成環1個月仍未達到收斂標準的段落，有條件時可對初期支護進行補強或對圍巖進行補注漿加固等措施，降低變形速率。

③特殊地段如圍巖流變效應明顯段落，當初期支護變形量值已達設計預留變形量的90%以上，變形速率呈明顯下降趨勢，可通過理論分析預估最大可能變形及可能作用在襯砌上的荷載確定二次襯砌的支護時機及設計參數。

4.5.2 二次襯砌施工技術

二次襯砌施工前采用全站儀（帶自動掃描功能或三維全自動掃描儀）對初期支護輪廓進行測量，確保二次襯砌厚度滿足設計要求，隧道二次襯砌混凝土澆筑完成后對襯砌混凝土進行養護，養護時間應根據水泥性能確定；根據隧道現場條件、環境溫濕度、變形特點、斷面尺寸、施工操作等因素綜合確定養護方式。

Ⅲ、Ⅳ級軟巖大變形段為緩解二次襯砌過早承受較大外部圍巖變形壓力，在初期支護表面設置應力釋放緩沖層時，應力釋放緩沖層使支護結構受力后有相對的形變空間，減小或阻斷二襯與初支間接觸壓力，提高二襯混凝土受壓時強度，有利于二襯均勻受力，防止應力集中。隧道二次襯砌背后緩沖結構采用高分子聚酯材料，鋪設在隧道拱墻初期支護與二次襯砌之間，置于防水板外側，與隧道初期支護基面密貼，緩沖結構鋪設不應侵入二次襯砌凈空。

5 結語

以川藏鐵路隧道高地應力軟巖大變形段處理為依托，對軟巖大變形進行了具體分級管理，針對不同級別軟巖大變形提出了具體處理措施。

①高地應力軟巖大變形大型機械化配套開挖工法研究，以工藝保工法、以工法適應機械化配置、以機械化配置降低勞動強度。

②針對軟巖大變形類型及級別，選擇不同各種支護控制技術，確保隧道施工安全。

③合理的襯砌施工時機選擇，與初期支護共同受力，有效控制大變形。