炭質圍巖地層三線大跨隧道出口段支護設計

羅勝利，丁文云

（中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，昆明 650500）

1 引言

隨著我國交通基礎設施的不斷發展與完善，越來越多的隧道將不可避免地修建在復雜軟弱地質環境中， 由此引起的隧道開挖變形已成為隧道建設工程中必須克服的工程難題[1-3]。軟弱復雜地層中隧道變形具有總量大、持續時間長等特點，開挖過程中極易出現襯砌結構變形過大、支護結構損裂等病害，成為制約隧道安全、高效施工的痛點問題[4-5]。

本文以新建鐵路玉溪至磨憨線王崗山隧道出口段為工程背景， 分析了炭質圍巖地層中三線大跨隧道圍巖及襯砌結構的變形特性。 針對隧道開挖過程中出現的洞內變形過大，初襯發生裂縫等病害狀況， 提出了優化的隧道支護設計及施工方案，研究成果以期為相應工程實踐提供參考。

2 工程概況

新建鐵路玉溪至磨憨線王崗山隧道全長13 508 m，為“一帶一路”標志性工程中老鐵路的重要組成部分。 本隧位于墨江站—他郎河站區間， 進口里程為D1K144+500， 出口里程為DK158+008，左右線線間距為4.2～5.118 m 隧道洞身最大埋深約520 m，最小埋深約2 m，洞身有2 處淺埋段。

隧道出口DK155+600～DK158+008 段測區上覆第四系全新統坡殘積粉質黏土、細角礫土。 下伏基巖為二疊系上統（P2）泥巖、砂巖夾炭質泥巖、泥灰巖、灰巖、煤線；印支期侵入輝綠巖，其地層分布如圖1 所示。

圖1 王崗山隧道地層巖性分布

3 隧道出口段原支護設計

3.1 設計參數

三線車站段洞身凈寬18.2～13.2 m， 洞身凈高9.71 m，開挖斷面面積達259 m2，屬于典型的扁擔形超大斷面結構。 采用42 mm 注漿小導管（局部采用25 mm 砂漿錨桿）超前預加固圍巖，超前導管長3.5～4 m、環向間距40～50 cm、縱向間距2 m或2.4 m、斜插角10°～15°、每環38～62 根。 加強支護采用格柵或工字形鋼拱架，支護部位分布在全環或拱墻處，縱向間距為0.6～1.2 m。 鋪掛8 mm 鋼筋網，根據施作部位及圍巖的不同，鋼筋網間距為20 cm×20 cm 或25 cm×25 cm，噴射混凝土厚度23～32 cm； 二次襯砌和仰拱均為C35 鋼筋混凝土結構，厚50～125 cm。 根據隧道圍巖分級的差異，不同里程處隧道支護參數稍有差異，具體支護參數如表1 所示。

表1 隧道洞身支護參數

3.2 洞內變形情況

DK157+915～DK157+926 段初始設計增設單榀豎撐，施工過程中發現變形彎曲（見圖2），于是改為雙拼I25b 工字鋼豎撐， 在不施工的情況下暫時穩定。 洞內圍巖監控量測數據顯示，DK157+926～DK157+914 段沉降速率為3.3～5 mm/d，日最大沉降值為4.8 mm， 日最大收斂值為3.2 mm。 累計沉降值為446 mm，累計收斂值為62 mm。

圖2 工字形鋼豎撐壓屈變形

正洞襯砌變形情況， 在DK157+926～DK157+938 段9#橫通道拱頂右側1 m 處出現一條長約5.5 m 的裂縫，裂縫朝小里程洞頂中線方向發展，與仰拱呈60°夾角，縫寬約為1 cm，深20 cm， 觸摸無錯臺； 在DK157+937.6 位置出現一條長2.5 m的裂縫，縫寬4 mm，觸摸有明顯錯臺，平行于環向施工縫朝拱頂發展。 DK157+938～DK157+926 段仰拱分兩次澆筑，施工縫里程為DK157+932， 在仰拱中線右側6 m 處仰拱填充出現一條長3.1 m，寬3 mm 的裂縫，裂縫與仰拱中線呈約45°夾角，朝線路右側發展。 圖3 為隧道襯砌裂縫及滲漏水情況。

圖3 隧道襯砌裂縫及滲漏水

3.3 變形原因分析

綜合該段洞身地表基巖露頭、地表橫坡的連續性、洞內外變形特征及開挖揭示巖性等分析， 洞內外變形主要原因為：王崗山隧道出口段埋深淺，屬三線大跨段，隧道經歷了多期次大規模構造作用，斷裂構造極其發育。 如圖4 所示，印支期侵入輝綠巖呈多股脈狀侵入沉積巖二疊系上統（P2）泥巖、砂巖夾炭質頁巖、炭質泥巖地層內，侵入巖與沉積巖的相互穿插、交錯，為混雜帶，巖體破碎，炭質巖類軟弱、易滑，侵入接觸帶地下水發育，局部見少量滴狀或線狀滲水。 隧道掘進過程中采用全斷面三臺階法開挖，掌子面處軟弱炭質圍巖暴露時間過長，遇水軟化，從而導致在隧道施工過程中洞內初期支護變形嚴重。

圖4 掌子面處炭質圍巖分布

4 優化設計方案及變形監測數據

4.1 優化設計方案

鑒于正洞內地層巖性較差，結合現場變形發展規律，為減小沉降開挖工法考慮減小分部開挖的斷面尺寸， 工法調整為雙側壁導坑法，以解決工序轉換鋼架沉降問題。 超前支護采用長管棚形式控制拱頂沉降及防止拱頂塌方， 并根據裂縫特征檢核襯砌結構安全。 如圖5 所示為調整后的隧道支護設計方案。

圖5 調整后隧道支護設計方案

開挖工法從DK157+903 處開始調整為雙側壁導坑法，二襯結構采用車站D 段復合襯砌， 根據檢算資料拱墻二次襯砌主筋采用雙肢鋼筋。 全環設置I25b 型鋼鋼架（或HW200×200型）加強支護，間距0.5～0.6 m。 超前支護采用89 mm 管棚，每根長12 m，縱向間距9 m，環向間距0.4 m，每環62 根；拱部另設42 mm 小導管（外插角45°）超前支護，縱向間距2.0 m，每根長3.5 m，環向間距0.4 m，每環62 根。 另外，鎖腳采用76 mm鎖腳鋼管，每處2 根，每根長5 m。 臨時橫、豎撐采用22#工字形型鋼架進行隧道加強支護。

4.2 優化后隧道變形監測數據

先前采用三臺階加臨時仰拱工法時相同圍巖情況下日最大沉降值為16.5 mm，日最大收斂值為9.05 mm，個別斷面累計沉降值達570 mm，累計收斂值為224 mm。采用雙側壁導坑法后日最大沉降值降為7.1 mm， 日最大收斂值為14.14 mm。根據連續觀測結果，該段二襯裂縫發展已完全穩定，且洞身防水層未被破壞，裂縫周邊未發現滲漏水現象。 這表明采用雙側壁導坑法后拱架變形、 扭曲程度較三臺階加臨時仰拱時有較大轉變； 同時較強的支護參數確保了初期支護混凝土無明顯開裂，拱架無明顯變形，可滿足炭質圍巖地層中大跨隧道變形控制要求。

5 結論

以新建鐵路玉溪至磨憨線王崗山隧道出口段為工程背景， 介紹了炭質圍巖地層中三線大跨隧道圍巖及襯砌結構大變形情況，分析了其產生原因及機制，并提出了相應的優化設計方法，得到以下幾點結論：

1）王崗山隧道出口段埋深淺，屬三線大跨段，場地經歷了多期次大規模構造作用，斷裂構造極其發育，炭質巖類軟弱、易滑，侵入接觸帶地下水發育，遇水軟化，導致在隧道施工過程中洞內初期支護變形嚴重；

2）炭質圍巖地層中大斷面隧道，采用三臺階加臨時仰拱工法進行隧道開挖，圍巖暴露時間過長、暴露范圍大，軟弱圍巖變形速率大且持續時間長，使得初期支護開裂、拱架扭曲變形嚴重；

3）采用雙側壁導坑法、大管棚和小導管綜合超前支護、二襯支護加強等措施后拱架變形、 扭曲程度較三臺階加臨時仰拱時有較大轉變， 可有效解決炭質圍巖隧道開挖大變形難題。