大跨度軟弱圍巖隧道變形控制技術

劉立明

(中國鐵路設計集團有限公司土建院，天津 300142)

大跨度軟弱圍巖隧道施工一直是個工程上的技術難題，由于圍巖軟弱、開挖跨度大，使得圍巖的穩定性難以控制，施工控制不當的話可能出現大變形、塌方冒頂或邊仰坡垮塌等事故。尤其是結構高跨比較小的隧道，其呈現出的扁平狀更加不利于結構的穩定性，扁平狀洞室開挖后很容易降低圍巖穩定性，集中圍巖的應力，相對地增大了其松弛壓力，當圍巖變形應力超過支護結構提供的內力時，便會直接威脅到隧道的施工安全。因此，對于超大斷面隧道，特別是在淺埋軟弱圍巖條件下修建大斷面隧道，選擇一種合理的施工方法及相應的支護體系對于安全、經濟、快速地進行隧道施工具有十分重要的意義。

新建京沈與盤營客專聯絡線工程燕都隧道，進口段受京沈客專朝陽北站疏解方案及線路曲線影響，隧道內線間距由8.4 m漸變至5.0 m。隧道最大開挖斷面寬18.2 m，開挖面積215 m2，埋深17.6 m，隧道穿越土層有人工填土、粉質黏土、泥巖、砂巖、礫巖等。本項目在設計過程中，根據燕都隧道地質、水文、地形條件的特點，提出一套適用于大跨度軟弱圍巖隧道開挖的新方法，即爆破控制、多層次強支護和三臺階法開挖相結合的綜合施工技術，有效地解決了大跨度淺埋軟弱圍巖隧道下穿建筑物而引起的地面變形過大、施工風險過高等問題，為未來類似工程的建設提供了借鑒。本文將結合燕都隧道的特點，對爆破控制、多層次強支護和三臺階法開挖相結合的綜合施工技術進行詳細的論述。

1 工程概況

燕都隧道位于遼寧省朝陽市雙塔區燕都鎮姜家窩鋪村境內，為單洞雙線隧道，隧道進口里程為DIK4+868，出口里程為DIK6+000，全長1132 m。隧道位于低山丘陵地區，地形稍有起伏，植被較發育，多辟為耕地，隧道最大埋深52.91 m，在DIK5+310～DIK5+370 m處下穿既有環城公路。

隧道沿線地表周邊為某部隊戰術訓練用地、朝陽市環城公路等。線路走行區地下管線較密集，主要有天然氣管線、雨水管及通信管線，基本沿環城公路路側分布。隧道洞身下穿既有環城公路、人行天橋及改移道路等構筑物情況詳見表1。

表1 燕都隧道穿越既有環城公路、人行天橋等構筑物情況統計

隧道區范圍內表覆第四系全新統坡洪積層(Q4dl+pl)粉質黏土，第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)粉質黏土，下伏侏羅系上統九佛堂組(J3jf)砂巖、礫巖，巖層產狀160°∠19°。隧道區地下水類型主要為基巖裂隙水。基巖裂隙潛水分布較廣，以淺部為主，含于基巖風化帶、風化裂隙及構造節理裂隙中，水位和水量受季節降雨量影響明顯。

隧道進口DK4+896～DK4+936段采用大跨路塹式明洞襯砌(內輪廓標準線間距D=8.0 m)，填土高度不大于4 m。隧道進口DIK4+936～DIK5+400段線間距由7.5 m漸變至5.0 m，漸變段長度464 m。綜合考慮大跨度變截面暗挖隧道地質條件、工程風險、近接構筑物影響及施工難度等因素，將隧道進口大跨暗挖段劃分為5個段落，具體情況如圖1所示。

2 大跨度軟弱圍巖隧道變形控制方法

對于大跨度軟弱圍巖隧道來說，選擇適當的施工方法尤為重要，若施工方法選擇不當，將會極大促進隧道大變形的產生，隧道施工方法、支護措施以及支護強度將直接決定大變形的發生。

2.1 控制爆破

掌子面前方巖體在未受到施工擾動時，處于初始應力狀態。隨著隧道的開挖，受掌子面向前推進和隧道爆破開挖的影響，巖體受到擾動，初始應力場的平衡被打破，洞周巖體初始地應力的大小和主應力方向均會在一定程度上發生調整。尤其對于軟弱圍巖隧道，受開挖影響產生的松動區和塑性區范圍較大，圍巖的力學參數迅速降低，應力重分布的結果往往會超過圍巖的承載力，這也就形成了變形失控的結果。在隧道開挖的過程中采用控制爆破的方式，減小對圍巖的擾動，保持圍巖的完整程度，對于控制大跨度軟弱圍巖隧道的變形尤為重要。

圖1 進口線間距漸變段平面示意

2.2 多層次強支護

采用多層次強支護施工，先開挖斷面并施作相應的支護，緊貼初期支護的松散巖體隨著第一層初期支護共同變形，力學參數增長恢復過程相對較慢，形成一定的壓密區。隨著第二層鋼架的施作，初期支護的支護強度大大提高，圍巖的變形受到支護反力增強，巖體力學參數被快速提高。隨著仰拱施作，初期支護閉合成環，壓密區受到的擠壓作用力逐漸趨于穩定，圍巖變形速率大幅減小，巖體力學參數增長速率逐漸減小，從而圍巖與支護體系達到了平衡狀態。在整個開挖—支護的過程中，隨著圍巖變形、破壞的發展，多層次強支護的支護方法將圍巖應力向深部進行了轉移。

2.3 臺階法施工

采用臺階法施工，隧道斷面一次成型，通過加強永久支護的方式控制隧道圍巖變形，減少了拆換臨時支護的工序。若對大跨度隧道采用分斷面開挖時，臨時支護的拆除會打破支護結構的平衡，破壞原有結構的應力平衡，不利于充分發揮圍巖的自穩能力，對于最終變形的控制，效果并不明顯，且臨時支護的施作不利于隧道內快挖快支作業。臺階法配合控制爆破+多層次強支護的綜合施工技術適用于大跨度軟弱圍巖隧道的施工環境，可有效控制隧道變形，在確保施工質量的同時，達到了安全且經濟的效果。

3 燕都隧道施工方案

3.1 開挖工法

為保證燕都隧道的安全修建，在下穿既有建筑物地段采用三臺階法施工，同時優化上臺階開挖高度，最終上臺階開挖高度4 m，一次開挖2榀鋼架間距，中臺階高度3.6 m，下臺階高度3.8 m，中、下臺階一次開挖進尺均為1.2 m，如圖2所示。

圖2 燕都隧道三臺階法開挖示意(單位:cm)

圖3 燕都隧道復合式襯砌斷面(單位:cm)

3.2 施工順序

燕都隧道采用復合式襯砌斷面形式，如圖3所示，隧道施工順序為：

(1)開挖上臺階，上臺階高4 m，采取控制爆破+機械開挖相結合方式進行施工，同時加強對燃氣管線附近地表的監測。

(2)開挖完成后，安裝鋼拱架與鋼筋網，進行超前支護，噴射混凝土混凝土至設計厚度進行初期支護，最后根據要求施作系統預應力錨桿。

(3)繼續開挖上臺階，若下一次開挖上臺階后將與中臺階距離超過5 m，則停止開挖。

(4)開挖中臺階，中臺階兩側錯開施工，左右側縱向間距不小于3 m，中臺階與下臺階縱向間距控制在5～10 m。

(5)施作第二層初期支護，每個循環施作4～6榀鋼架，并在拱腳位置處施作鎖腳錨桿。

(6)開挖下臺階，下臺階兩側錯開施工，左右側縱向間距不小于3 m。下臺階兩層初期支護分層次進行鋼架安裝，鋼筋網安裝和初期支護混凝土噴射。

(7)開挖深埋中心水溝，深埋中心水溝一次開挖長度不大于5 m。

(8)開挖隧底，施作鋼拱架進行封閉成環。

(9)施作仰拱及仰拱填充。

(10)施作防水及二次襯砌。

3.3 控制爆破方案

燕都隧道實施光面爆破設計，不僅有利于圍巖穩定，避免超、欠挖，同時具有減振的作用。為了充分發揮炸藥的最大爆破效率和減小對圍巖的破壞，周邊孔采用小直徑藥卷不耦合裝藥結構，并采用導爆索藥串引爆。采用的炸藥為低爆速(爆速2 000 m/s)或小直徑藥卷(25 mm或32 mm的藥卷)類型，采用這類炸藥與這種裝藥方式就可以達到良好的光面爆破效果。

根據現場實際開挖斷面及高度，制定相應鉆孔參數，輔助炮眼交錯均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深20 cm，采用直孔掏槽。嚴格控制周邊眼的裝藥量，采用間隔裝藥，使藥量沿炮眼全長均勻分布，導爆索起爆(圖4)。

圖4 炮孔布置示意

4 施工監測及效果分析

4.1 爆破監測

(1)測點處質點振動能真實反映爆破振動對被保護燃氣管線的影響。

(2)測點處介質振動須排除其他振動的影響。

(3)在燃氣管線附近地面布置測點。

(4)若需獲得振動衰減規律，測點至爆源距離按近密遠疏的對數規律布置。

(5)根據測振結果來驗證控制爆破振動的效果，如出現監測數值異常，應分析原因及時調整。

4.2 變形監測

地面沉降直接在地表布置監測點，通過測量位移監測沉降。

洞內變形監測點的埋設方法和拱頂下沉監測點的埋設方法相同；圍巖周邊收斂點與拱頂下沉監測點布置在同一斷面上，以便進行數據分析。結合監控量測點位埋設要求及現場施工現狀，對于三臺階開挖方法，凈空變化設置的高度為臺階底以上1.5 m，如圖5所示。

圖5 隧道監控量測測點布置

4.3 監測結果分析

對隧道開挖爆破進行監測：隧道在不同里程爆破開挖產生的質點最大震動速度均小于5.5 cm/s，滿足規范要求，表明燕都隧道施工控制爆破措施有效。

對隧道洞內變形進行監測：洞內變形監測數據最大的位置產生在DK5+080處，最大拱頂沉降為21.9 mm；洞內收斂值最大位置產生在DK4+975處，最大收斂值為26.2 mm。兩處圍巖均穩定，不影響正常施工。

對隧道地表上方環城公路左右邊坡和路肩分別進行沉降觀測：其中左側邊坡坡頂累計沉降量最大值1.5 mm，坡腳累計沉降量最大值1.3 mm；右側邊坡坡頂累計沉降量最大值1.4 mm，坡腳累計沉降量最大值1.3 mm；左側路肩累計沉降量最大值0.4 mm，右側路肩累計沉降量最大值0.2 mm。根據設計中對周邊環境檢測項目控制值的要求，周邊環境穩定，變形均控制在容許范圍內。

5 結論

本文通過對大跨度軟弱圍巖隧道結構受力特點的認識，并結合燕都隧道的施工技術與經驗，形成了大跨度軟弱圍巖隧道變形控制關鍵技術。主要包括以下幾點：

(1)本文結合新建京沈與盤營客專聯絡線燕都隧道的設計與施工情況，從設計的角度介紹了一種適用于復雜環境下大跨度軟弱圍巖隧道修建技術——控制爆破、多層次強支護和三臺階法開挖相結合的綜合施工技術。

(2)從施工力學角度闡述了軟弱圍巖隧道巖體力學參數隨施工的動態演化過程，并提出“多層次強支護臺階法”的施工理念；基于燕都隧道的成功實施，從能量釋放和軟弱圍巖支護原理角度，提出控制爆破、多層次強支護和三臺階法開挖相結合的綜合施工技術。

(3)燕都隧道大跨度段的成功開挖表明，采用控制爆破、多層次強支護和三臺階法開挖相結合施工方案是可行的，達到了控制大跨度軟弱圍巖隧道變形和安全施工的目的。

(4)本施工技術將開挖方法與支護結構的合理組合，成功地解決了復雜環境下大跨度軟弱圍巖隧道修建時變形難以控制的技術難題，拓展了隧道建設新思路，建立了隧道建設新方法。