軟弱圍巖大變形隧道施工技術(shù)探討

高錫俊

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855）

隧道作為鐵路網(wǎng)施工中主體結(jié)構(gòu)之一，對縮短線路距離、改善運行條件等都具有突出作用。而我國地形條件復(fù)雜，在施工過程中常會遇到構(gòu)造影響強烈、節(jié)理裂隙發(fā)育、擠壓和蝕變等地質(zhì)條件，造成隧道在施工過程中圍巖出現(xiàn)大變形開裂，變形量大，變形速率高，變形持續(xù)時間長，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和安全[1-3]。為此，超前掌握施工區(qū)域地質(zhì)條件，采用科學(xué)合理的開挖支護手段對容易發(fā)生大變形區(qū)域進行控制，避免出現(xiàn)因地質(zhì)條件影響隧道圍巖出現(xiàn)大變形、坍塌等，是保證隧道安全施工的關(guān)鍵[2，4]。

1 工程概況

某隧道位于山南市桑日縣境內(nèi)，全長8 755 m，為單線隧道，共設(shè)置進、出口，1 號及2 號橫洞4 個工區(qū)，橫洞長度合計1 350 m，是川藏鐵路的組成部分。根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示，隧道施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，新構(gòu)造運動較為強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，且?guī)r層整體結(jié)構(gòu)破碎，常有軟巖夾層，造成隧道圍巖的整體強度低，在施工過程中容易造成圍巖在擾動情況下發(fā)生變形，甚至發(fā)生塌方事故。

2 初期支護設(shè)計及變形

2.1 初期支護參數(shù)

根據(jù)隧道施工環(huán)境及所處地質(zhì)條件，設(shè)計采用雙層初支及超前管棚支護方式，初期支護參數(shù)設(shè)計如下。

1）第一層初支拱部設(shè)Φ89 管棚，每環(huán)設(shè)29 根，每根長10 m，環(huán)向間距0.4 m，6.6 m/環(huán)，搭接3.4 m；超前支護采用Φ42 小導(dǎo)管，1.8 m/環(huán)，環(huán)向間距0.4 m，每根長3.5 m，共29 根；全斷面采用HW175 鋼架，縱向間距為0.6 m/榀（中至中）；相鄰鋼架采用HRB400Φ22 鋼筋連接，環(huán)向間距1.0 m，布置在型鋼鋼架內(nèi)側(cè)共38 根；拱部采用Φ22 中空組合錨桿，每榀設(shè)8 根，每根長6 m；邊墻采用Φ32 自進式錨桿，每榀設(shè)10 根，每根長10 m；仰拱采用Φ32 自進式錨桿，每榀設(shè)7 根，每根長6 m；環(huán)縱向間距1.2 m×0.8 m。錨桿均采用徑向方式設(shè)置。拱腳及墻腳處Φ42 鎖腳錨管，每根長4.0 m，設(shè)置于連接板上0～30 cm 左右，每榀鋼架設(shè)16 根Φ42 鎖腳錨管。采用C30 噴射混凝土，設(shè)計噴射厚度為25 cm。預(yù)留沉降量40 cm。

2）第二層初支全斷面設(shè)I20b 鋼架，縱向間距為0.6 m/榀（中至中）；相鄰鋼架采用HRB400Φ22 鋼筋連接，環(huán)向間距1.0 m，布置在型鋼鋼架內(nèi)側(cè)共34 根。采用C30 噴射混凝土，設(shè)計噴射厚度為27 cm。預(yù)留沉降量20 cm。

二次襯砌參數(shù)：襯砌主筋內(nèi)、外層均為HRB400Φ25螺紋鋼筋，縱向間距20 cm；縱向分布鋼筋內(nèi)、外層均為HPB300Φ12 光圓鋼筋圓鋼，環(huán)向間距25 cm；箍筋為HPB300Φ10 光圓鋼筋，環(huán)向間距20 cm，縱向間距25 cm；襯砌拱部、邊墻、仰拱混凝土采用C35 鋼筋混凝土，厚60 cm。

2.2 圍巖特點及變形特征

隧道開挖后的碴土多呈碎塊狀，風(fēng)化速度快，巖塊手掰易碎，巖體強度低。節(jié)理裂隙延伸性較好，傾角較陡，結(jié)構(gòu)面具鐵錳質(zhì)侵染，可見擦痕。受節(jié)理裂隙切割組合，易形成不穩(wěn)定塊體，圍巖自穩(wěn)能力差。開挖面擠出變形及收斂變形大，拱頂易發(fā)生坍塌掉塊。支護封閉后，有明顯擠壓性變形，收斂變形量大于拱頂下沉量，支護混凝土表面產(chǎn)生嚴(yán)重的薄殼、開裂，嚴(yán)重地段HW175 鋼架扭曲變形和如圖1 所示。

圖1 隧道開挖后圍巖變形圖

自2017 年4 月25 日起，DK169+025 處開始出現(xiàn)變形，DK169+025～DK169+273 均存在不同程度變形，尤以DK169+070～DK169+125 段最為突出，主要表現(xiàn)為初支砼開裂，拱部裂縫呈縱向展布，最大開裂縫寬達26 mm，鋼架扭曲變形甚至出現(xiàn)接頭直接斷裂的情況，侵線嚴(yán)重。DK169+025～140 段換拱前初支出現(xiàn)較大的圍巖移動，其中移動最為明顯區(qū)域位于DK169+122處，該位置從開挖至換拱合計70 d 左右圍巖發(fā)生的移動量達到了3 353.2 mm，并且左右兩幫移動量存在較大差異，差異量約330 mm。圍巖發(fā)生最大下沉的位置位于DK169+125 處，該位置從開挖至換拱合計70 d 內(nèi)圍巖發(fā)生的下沉量達到近700 mm。根據(jù)隧道圍巖發(fā)生移動和沉降現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，隧道圍巖移動和下沉速率存在較大差異，圍巖變形主要集中在隧道開挖的最初幾天，隨著時間推移變形速率逐漸變小，而在開挖中下臺階時速率明顯加大；在對隧道進行鋼架和長錨桿支護過程中，隧道沒有發(fā)生較大的變形，而支護后開挖仰拱，隧道變形速率加劇，并且會出現(xiàn)1 次明顯變形；仰拱封閉后減緩趨勢，但沒有終止。

3 軟巖大變形控制技術(shù)

軟巖大變形段隧道施工，概括為超前預(yù)判、過程管控和施工后監(jiān)控等。即對隧道施工區(qū)域的地質(zhì)情況進行勘探分析，超前做好地質(zhì)預(yù)報預(yù)判，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報預(yù)判及時調(diào)整和優(yōu)化隧道施工設(shè)計，并對隧道可能出現(xiàn)的圍巖變形情況進行預(yù)測分析，在隧道施工過程中做好圍巖變形的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的支護措施，盡量減小初支變形，防止侵限，保證隧道施工安全。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

采用超前地質(zhì)鉆探、隧道地震波預(yù)報勘探（TSP）和地質(zhì)雷達方法及其他加深炮孔、掌子面地質(zhì)素描等預(yù)判掌子面前方圍巖情況，復(fù)核設(shè)計，對預(yù)留變形量進行預(yù)測和分析，開挖時留足變形量，通過地質(zhì)預(yù)報預(yù)測和分析，將預(yù)留變形量從原來3 cm 調(diào)整為60 cm。

3.2 超前支護

采用Φ89 中管棚和Φ42 超前小導(dǎo)管交錯配合施工超前支護。

1）洞身設(shè)計Φ89 長管棚，每環(huán)根數(shù)29 根，單根長10 m，縱向間距與鋼架間距匹配，縱向間距6.6 m，搭接長3.4 m。管棚導(dǎo)管選用Φ89×6 mm 熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距40 cm，施工范圍為上臺階拱部140°，外插角10°～15°，施工誤差控制在徑向孔距±150 mm，孔深±50 mm。

2）超前小導(dǎo)管配合中管棚進行超前支護施工，每進尺三榀鋼架間距即1.8 m，打設(shè)一環(huán)Φ42 超前小導(dǎo)管，在型鋼腹板上設(shè)置孔位，孔間距0.4 m，超前小導(dǎo)管每環(huán)打設(shè)29 根，長度為3.5 m。超前小導(dǎo)管選用外徑42 mm、壁厚3.5 mm 的熱軋鋼花管，施作范圍為拱部140°，外插角為10°～15°。

3.3 支護參數(shù)調(diào)整

原設(shè)計Ⅲ級Ⅲa復(fù)合式襯砌，噴射C25混凝土厚8 cm，局部掛Φ6 鋼筋網(wǎng)，拱部設(shè)Φ22 組合中空錨桿，每根長2.5 m，每米5.67 根，邊墻設(shè)Φ22 砂漿錨桿，每根長2.5 m，每米5.33 根。根據(jù)地質(zhì)預(yù)報預(yù)測和分析，以及現(xiàn)場實測結(jié)果，將大變形段支護設(shè)計變更為V 級Ⅲ型大變形段支護參數(shù)，見表1。根據(jù)隧道圍巖變形實測資料，仰拱初期支護與整體隧道形成支護網(wǎng)后開始對隧道圍巖進行變形監(jiān)測，設(shè)定變形閾值為150 mm，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，如果變形量達到閾值，及時進行仰拱襯砌及仰拱填充施工，為了達到充填效果，填充施工必須嚴(yán)格按照設(shè)計進行。具體要求：根據(jù)變形區(qū)域及變形量施工長度保持在6～12 m，為了防止仰拱襯砌持續(xù)變形或者發(fā)生明顯變形，采用C35 鋼筋砼，環(huán)向主筋采用Φ25 螺紋鋼，間距200 mm；采用C20 砼進行分層澆筑填充。加強支護和填充完成后，持續(xù)進行監(jiān)測，待監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示圍巖發(fā)生變形處于基本穩(wěn)定狀態(tài)后進行。變形基本穩(wěn)定的評判條件為：①圍巖變形速率較初期發(fā)生明顯下降且速率處于平穩(wěn)狀態(tài)；②持續(xù)在1 周以上圍巖水平方向變形量小于0.2 mm/d、頂部圍巖沉降速率小于0.15 mm/d；③或根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，圍巖發(fā)生的累計變形量已經(jīng)達到設(shè)定極限量的0.8 倍以上；④如果圍巖塑性變形造成圍巖表面發(fā)生裂縫，需要對裂縫進行持續(xù)觀察，裂縫不再繼續(xù)發(fā)生延伸、擴大，同樣可以作為變形穩(wěn)定條件。如果加強支護后圍巖變形仍舊難以控制或者圍巖持續(xù)變形，應(yīng)當(dāng)提前進行2 次襯砌，主動強化應(yīng)力作用。

表1 變更為V 級Ⅲ型大變形段支護參數(shù)

3.4 施工工藝調(diào)整

未更改設(shè)計前臺階施工采用兩臺階法，造成2 個臺階延伸距離較長，從開挖到仰拱封閉，再到二襯混凝土澆筑，需要40 m 左右的距離，且施工工期較長，需要近4 個月的時間。在長時間內(nèi)，隧道圍巖變形處于持續(xù)發(fā)展階段，導(dǎo)致圍巖變形量持續(xù)加大，進而侵入2 次襯砌。為了重新對圍巖進行加強支護，必須拆換初期支護，從而造成巷道支護的惡性循環(huán)。為此，通過綜合分析和圍巖變形預(yù)計分析，縮短三臺階的長度，仰拱到開挖面的距離調(diào)整到25 m 以內(nèi)，如圖2 所示。

圖2 臺階法施工工序橫斷面示意圖

1）將原二階臺階開挖，縮短為上、中和下三臺階開挖，首先開挖上部（①部），并對上部臺階進行圍巖初期支護，施做下1 循環(huán)超前支護（僅適用于有超前支護情況）。

2）架設(shè)①部臨時橫撐（根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)必要時設(shè)置）。

3）在滯后①部5～10 m 后，開挖②部，施做邊墻初期支護。

4）在滯后②部10～15 m 后，開挖③部，施做隧底噴混凝土。

3.5 監(jiān)控量測

結(jié)合《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》，制定大變形段相應(yīng)的主要監(jiān)控監(jiān)測項目及要求標(biāo)準(zhǔn)，主要包括現(xiàn)場觀察、拱頂下沉及水平收斂測量、現(xiàn)場應(yīng)力測試等內(nèi)容。拱頂下沉及水平收斂測量主要采用全站儀非接觸法，分別在拱頂、隧道圍巖水平對應(yīng)布設(shè)2 個測點，斷面間距小于5 m，根據(jù)臺階數(shù)進行適當(dāng)加密，定期對點位進行觀測，對比分析。隧道圍巖應(yīng)力監(jiān)測主要采用埋設(shè)壓力盒、測力錨桿等方式，并將數(shù)據(jù)及時反饋和分析，從而對原有設(shè)計支護方式進行優(yōu)化調(diào)整。除此之外，對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合全面分析，對不同施工階段、圍巖支護的不同時間段、圍巖變形率發(fā)生明顯變化的不同節(jié)點等特殊時期數(shù)據(jù)進行對比分析。

4 大變形隧道開挖安全保障及質(zhì)量控制

4.1 安全保障

1）針對軟弱大變形圍巖隧道施工，三臺階法施工必須嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計要求、施工流程和操作規(guī)程等進行施工，嚴(yán)禁越級違章施工。

2）嚴(yán)格把控隧道支護，做到超前預(yù)判、過程把控，嚴(yán)禁類似二級臺階距離過長造成施工時間跨度大等問題的出現(xiàn)。

3）堅持以人為本的安全施工原則，軟弱大變形圍巖隧道施工，更應(yīng)做好人身防護和安全逃生等工作，必須在掌子面附近設(shè)置安全逃生管道，能夠滿足在發(fā)生塌方等事故的時候逃生管道能夠支撐塌方應(yīng)力作用強度。具有足夠逃生空間，利于逃生。

4）為了獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建議設(shè)定專門的監(jiān)測監(jiān)控團隊，且選擇經(jīng)驗豐富、技術(shù)能力過硬的專業(yè)技術(shù)人員進行日常監(jiān)測監(jiān)控，并堅持以監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)指導(dǎo)施工的原則，確保隧道施工安全。

4.2 質(zhì)量保障措施

1）圍巖松散破碎，為防坍塌掉塊，必要時預(yù)留核心土法。

2）開挖工法采用兩臺階法，按較短臺階開挖，上臺階每循環(huán)進尺不超過1 榀鋼架間距0.6 m，開挖后組織初噴作業(yè)進行封閉。下臺階開挖左右交錯，錯開距離必須保證3 m 以上，1 次開挖進尺不超過2 榀鋼架間距，控制一次擾動變形。

3）上臺階臨時橫撐必要時盡快施作，封閉成環(huán)。

4）第二層鋼架與第一層鋼架錯開設(shè)置，確保初支拱架整體穩(wěn)定性，型鋼鋼架腳支墊槽鋼或鋼板。第二層鋼架支護完成后，進行仰拱開挖施工封閉成環(huán)。為增加鋼架縱向抗扭強度，可根據(jù)鋼架變形情況，若第一層鋼架扭曲嚴(yán)重，為增加鋼架縱向連接，可考慮在鋼架之間增設(shè)縱向連接槽鋼，槽鋼型號為28a，每環(huán)共5 根縱向連接槽鋼，設(shè)置于拱墻A、B 單元中心。

5）拱架作為主要支護承重結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場施工應(yīng)確保噴砼面的平順度、鋼架的圓順度及鋼架接頭施工質(zhì)量。

6）網(wǎng)片必須與巖面密貼。

7）嚴(yán)格控制錨桿施工鉆進深度、角度。錨桿注漿施工，必須現(xiàn)場值班記錄。利用專業(yè)錨桿機械設(shè)備進行10 m 長Φ32 自進式長錨桿施工，確保施工質(zhì)量。

5 結(jié)束語

在前期施工中由于初期支護大變形，經(jīng)常出現(xiàn)鋼架扭曲、侵限，而頻繁拆換鋼架，月施工進度平均不到15 m，最大進度達到15 m。通過不斷分析和探索，多次調(diào)整施工工藝、支護參數(shù)等，并控制仰拱封閉時間和距離等，初步摸索出了1 套適合該種地質(zhì)條件的施工方法。實踐證明，采用“超前支護、短進尺、早封閉、快成環(huán)、長短錨桿結(jié)合徑向注漿加固洞身圍和放抗結(jié)合”等措施，施工效果明顯改觀，施工進度也有所提高，后來施工進度最高可達到每月30 m 的好成績。