敘畢鐵路軟弱破碎圍巖隧道初期支護大變形治理技術

劉強 梁辰

摘要 鐵路隧道施工建設過程中，途中經過軟弱破碎圍巖段時，易發生支護大變形、塌方等地質災害，給隧道建設帶來巨大影響。文章結合敘畢鐵路斑竹林隧道淺埋段隧道施工實例，通過分析地形地質等形成原因，提出了地表全斷面注漿、超前地質預報、支護、二次襯砌、防排水以及及時監控量測等綜合處理方法，使隧道初期支護大變形得到安全有效的施工方法。

關鍵詞 隧道；支護；變形；治理

中圖分類號 U445文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0066-03

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發展，大量隧道工程的建設給軟巖、破碎圍巖地區鐵路隧道的建設帶來了諸多挑戰，大變形已經成為隧道工程建設中最常見的一種問題。隧道初期支護在軟弱破碎圍巖地區遇到的問題主要有圍巖自穩能力差、開挖后產生較大變形、初期支護易發生變形失穩等[1]。其中，軟弱破碎圍巖隧道在開挖過程中常會出現大變形，從而使工程建設難以順利進行。因此，需要采取相應措施對隧道大變形進行治理，而初期支護大變形治理技術是隧道工程施工中最為關鍵的技術之一。

1 工程概況

斑竹林隧道淺埋段D2K230+910～D2K231+185，長275 m。D2K230+910～D2K231+185淺埋段屬低中山侵蝕地貌，地形連綿起伏，自然斜坡一般15 °～40 °，局部陡峻。基巖出露狀況一般，地表植被較發育，多為林地、灌木林、旱地。淺埋段扎西河為長江中上游珍稀魚類保護區緩沖區，民房較多，敘永至威信公路由此通過，地表溝中常年有水，平常期水量約100 L/s，洪水期水量約2 000～3 000 L/s。淺埋段上覆土層為第四系坡洪積層（Q4dl+pl）的碎石土、粉質黏土，第四系殘坡積層（Qdl+pl）的粉質黏土。下伏基巖為寒武系婁山關群（∈2-3ls）及Fbr斷層破碎帶、碎石土，灰黃色為主，軟塑狀，厚約1～4 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。D2K230+910～D2K231+185淺埋段溝谷內的碎石土含水量豐富。D2K230+910～D2K231+185淺埋段屬于赤水河水系，該段隧道穿越的地層為寒武系婁山關群白云巖地層、斷層破碎帶、碎石土。

2 地質概況

2.1 地層巖性

淺埋段上覆土層為第四系坡洪積層（（Q4dl+pl）的碎石土、粉質黏土，第四系殘坡積層（Qdl+pl）的粉質黏土。下伏基巖為寒武系婁山關群（∈2-3ls）及Fbr斷層破碎帶、碎石土。部分地層巖性如表1。

<3-2>粉質黏土（Q4d+pl）：灰黃色為主，軟塑狀，厚約1～4 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。主要分布于淺埋段溝谷內。

<3-3>粉質黏土（Q4+pl）：灰黃色為主，硬塑狀，厚約1～4 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。主要分布于淺埋段溝谷內。

<3-6>碎石土（Q4dl+el）：灰黃、雜色等，稍密，潮濕至飽和狀，結構松散，一般厚度約3～15 m，屬Ⅱ級普通土。主要分布于淺埋段溝谷內。

<5-2>粉質黏土（Q4dl+el）：灰黃、褐紅、紫紅色等，硬塑狀，厚約0～5 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。分布于斜坡地段。

<26-1>白云巖（∈2-3 ls）：淺灰、灰色，隱晶質結構，致密堅硬，中厚層狀，偶夾砂巖、泥巖及頁巖。局部含石膏、氯鹽假晶。強風化層屬IV級軟石，弱風化層屬V級次堅石。

<27-2>斷層破碎帶（Fbr）：威信主斷層（F5）斷層破碎帶寬度為70 m，因巖石受到強烈擠壓破碎，斷層角礫巖發育（角礫成分以硬質巖為主）。角礫巖一般為強風化巖石，屬IV級軟石，其物理力學性質較差，建議不做填料。

2.2 水文地質條件

（1）孔隙水：淺埋段主要地下水類型。孔隙水賦存于地表粉質黏土、碎石土中，接受大氣降水和地表水補給，孔隙水補給差，徑流排泄條件好，粉質黏土中含水量弱。

（2）裂隙水：賦存并運移于基巖各類結構面、破碎帶內，主要接受大氣降水的補給。測區豐富的降雨為裂隙水提供了良好的補給條件。因受構造影響程度及巖性不同，導致裂隙發育程度不同，富水條件差異較大。

（3）巖溶水：主要賦存于可溶巖的溶孔、溶蝕裂隙中，主要由大氣降水補給，局部通過洼地匯集大氣降水的補給。

該隧道段結合地形、地貌等地質特征，分別采用地下水徑流模數法、大氣降水入滲法來預測隧道涌水量。淺埋段區域分段地下水發育情況如表2所示。

推薦該隧道分段及總的平常期涌水量及雨期最大涌水量采用大氣降水入滲法計算結果。

3 變形機理分析

軟弱破碎圍巖隧道初期支護大變形產生的原因是：在開挖過程中，巖體受到開挖擾動、壓力與自重等多方面因素的影響，巖體力學性能發生變化，導致巖體應力重新分布，使其應力狀態發生變化，從而導致巖體發生變形破壞[2]。基于此，可對隧道施工過程中大變形機理進行分析。

3.1 隧道圍巖自身力學性能差

軟巖由于其自身強度低、壓縮性高，而且多具有流變特性，因此在開挖過程中極易發生流變失穩現象。這也是造成軟弱破碎圍巖隧道大變形的根本原因。軟弱破碎圍巖隧道施工時，開挖面會產生較大的壓力與自重荷載，使其開挖面周圍圍巖應力重新分布，產生應力集中現象。由于壓力的影響，使巖體的抗剪強度降低、結構變軟、裂隙變得更加發育、更容易發生流動等現象。

3.2 地下水的作用

在軟巖地區施工時，地下水是導致圍巖變形的重要原因之一。在地下水作用下，巖體的應力狀態會發生改變。當應力超過巖體強度極限時，巖體就會產生流變效應。這種流變效應會導致巖體強度降低后的結構更易發生變形破壞。

3.3 隧道圍巖本身節理發育、節理間距小

軟弱破碎圍巖隧道開挖后圍巖會發生較大變形，在這種情況下，如果不對隧道圍巖采取及時有效支護措施，當隧道開挖至一定深度后，將會出現拱頂沉降現象、掌子面附近出現較大規模的松動圈和離層現象等[3]。

3.4 隧道斷面小、長度短，結構復雜

軟弱破碎圍巖隧道變形過程中最顯著的特點是變形大、持續時間長、變形速率快。這是因為軟弱破碎圍巖隧道多具有較小斷面、長度短的特點。隧道圍巖面積小以及地質條件復雜會導致在開挖過程中地層應力重新分布更為嚴重、巖體強度降低，從而引起軟巖變形大，而且在軟弱破碎圍巖地區隧道施工時應采取相應措施確保支護結構穩定[3]。因此，可以對軟弱破碎圍巖隧道初期支護大變形機理進行分析，軟弱破碎圍巖隧道開挖后巖體應力重新分布導致巖體強度降低，在隧道開挖過程中巖體應力重新分布加劇了巖體結構松散狀態、支護結構被擾動等均是產生大變形的原因。

4 敘畢鐵路軟弱破碎圍巖隧道初期支護變形及處理

4.1 地表全斷面注漿

結合隧道埋深與隧道穿越圍巖地質等情況，D2K230+950～D2K231+100淺埋段施工前由地表垂直對該段隧道洞身及周邊影響區域注漿加固。該次方案研究采用鋼管樁注漿作為地表注漿固結措施。

4.1.1 注漿加固范圍

地表全斷面注漿里程為D2K230+950～D2K231+100段（長150 m），注漿加固寬度為開挖輪廓線外兩側不小于3 m，如圖1所示。

注漿孔分為邊界孔、區間孔，邊界孔沿隧道四周布置，設置為三排，注漿間距0.6 m×0.6 m；區間內注漿孔間距1.2 m×1.2 m。邊界孔、區間孔均采用梅花形布置。

注漿加固深度為隧道仰拱以下1 m或至少深入基巖1 m，注漿加固上方至隧道拱頂以上3 m 范圍內，拱頂3 m 以上不注漿。

4.1.2 注漿設計

注漿鉆孔采用89鉆孔，袖閥管采用φ50 mmPVC管現場加工，單根長2.5～3 m，溢漿孔間距500 mm，接頭管箍連接。

結合以往工程經驗和該工程地質條件，邊界孔注漿材料主要采用普通硅酸鹽水泥單液漿及普通水泥—水玻璃雙液漿；區間內注漿主要采用普通硅酸鹽水泥單液漿。普通水泥單液漿水灰比為0.8∶1～1∶1，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，須根據現場試驗適當優化漿液配合比。注漿壓力控制在3～4 MPa，注漿壓力應根據現場監測數據及現場注漿情況適當調整。

4.2 超前地質預報

采取常規地質法+物探法（地震反射波法+地質雷達+瞬變電磁法等）+超前鉆探法（超前鉆孔3孔+加深炮孔等）開展超前地質預報。

4.3 處理方法

（1）采用臺階法施工，減少一次開斷面面積。

（2）采用控制爆破開挖，嚴格控制爆破規模，爆破振速到達地表30 m外屋處時不應大于3 cm/s；爆破振速到達地表敘威公路時不應大于5 cm/s。

（3）D2K231+000～D2K231+100段洞身位于碎石土中，施工時采用噴錨網封閉掌子面：噴C20混凝土厚12 cm，鋼筋網采用8鋼筋，網格間距25 cm×25 cm，錨桿采用22纖維錨桿梅花形布置，間距1.2 m×1.2 m，纖維錨桿每根長6 m。

4.4 支護

（1）采用89大管棚+42小導管超前支護，其中大管棚縱向每15 m一環，每環23根，每根長20 m；小導管每1.8 m一環，每環23根，每根長3.5 m，外插角為45 °。采用全環四肢格柵鋼架加強支護，縱向間距0.6 m/榻。

（2）拱墻采用幣42鋼花管徑向注漿，縱向間距1.2 m，環向間距1.2 m，注漿范圍為初期支護外4 m，漿液擴散半徑1～1.2 m，注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力0.6～0.8 MPa，具體漿液配合比和注漿壓力根據現場實際地質情況試驗確定。注漿壓力達到設計終壓0.5～0.6 MPa之間，并持續注漿5 min，方可結束注漿。施工過程中加強控制及調整，嚴禁因壓力過大而導致地表出漿問題。

（3）初期支護采用噴錨網支護。

4.5 二次襯砌

淺埋段采用Vc型復合式鋼筋混凝土襯砌。

4.6 防排水

為保證該段地表水不滲漏，避免影響該處原有水環境，采用全封閉防水，取消襯砌背后縱向、環向盲管排水系統。

4.7 監控量測

全段施工期間應開展監控量測，將監控量測作為關鍵工序列入現場施工組織，并對支護體系的穩定性進行判別，同時結合淺埋段地表特殊情況進行相應監測。淺埋段施工過程中須按要求進行洞內變形監測、洞內水量變化觀測、地表沉降監測、環境影響監測、房屋沉降觀測、公路沉降觀測。

5 總結

在隧道開挖過程中，由于初期支護結構承載能力差，受力不均勻，出現了不同程度的破壞，而隨著施工的進行，隧道周邊圍巖壓力逐漸增大，為保證隧道施工安全，必須采取相應措施對其進行治理。

參考文獻

[1]韋朗. 道路橋梁隧道工程施工中的難點及其改進措施[J]. 大眾科技， 2023（10）： 35-38.

[2]黃建秋. 雪山1號隧道洞口多年凍土冰積層施工技術[J]. 青海交通科技， 2021（1）： 122-127.

[3]何慧兵， 張新宙. 軟弱破碎圍巖隧道初期支護大變形治理技術[J]. 江西建材， 2018（4）： 146+149.