軟巖大變形鐵路隧道控變技術措施

崔勇

（北京鐵城工程咨詢有限公司，北京 100043）

1 引言

在鐵路隧道建設中，高地應力環境下的軟弱圍巖大變形隧道是一種特殊地質狀況下的大變形隧道，其形狀有很大的突發性，在大變形影響下產生的特征為斷面減小、拱頂沉降、拱腰裂開、基底鼓起等。部分區域已完成的二襯構造甚至會出現裂縫損壞，給建設進程與運營安全帶來巨大的挑戰。因此，對軟巖大變形鐵路隧道施工變形控制理念和措施的探討極具必要性。

2 工程概況

高速鐵路某隧道為單洞雙線隧道，左右線線間距4.6 m，30‰單面上坡，進、出口里程分別為DK84+127 和DK86+840，全長2 713 m。隧道經過的軟巖地層以泥質頁巖為主，局部夾砂巖，頁巖顏色為灰黑，軟弱泥質與白色云母夾層居多，強度非常差。頁巖層厚在3～10 cm，多為薄層狀，層理明顯，產狀歪曲，擠壓作用顯著，巖層破裂，強度極差，用手揉成粉，遇水軟化成泥；順層發展，有平滑的順層，在層中大部分為軟泥夾層，節理、層理發展與分割強烈，圍巖完整性極低，隧道左拱有不穩定面，開挖后坍陷、脫落嚴重。在高應力區，會出現較大移動與變形。

3 高地應力作用下的軟巖隧道擠壓變形

隧道開挖后，圍巖形成臨空面，結構體系發生變化，內應力重新分布，在此過程中，當圍巖強度應力比達到一定程度時，將造成隧道擠壓變形。高地應力是一種相對論[1]，其與圍巖強度（Rb）相關。換言之，當圍巖中的最大地應力和強度之比到達一定程度時，才可稱高地應力，又稱極高應力。研究表明，當強度應力比小于0.3～0.5 時，即能產生比正常隧道開挖大一倍以上的變形。這時洞附近會產生大面積塑性區，由于挖掘產生圍巖質點挪動與塑性區的“剪脹”效應，洞周將產生很大位移。圓形隧道彈塑性分析結果還顯示，當強度應力比小于2 時洞周將產生塑性區，塑性區隨強度應力比值的減小而增大。大變形主要因素之一是高地應力。軟巖變形主要特點如下：

1）變形持續久、較大的塑性變形量以及變形速率快；

2）流變特性強，變形具備較強的時間與空間效應，一經變形收斂困難，當外層載荷穩定時，巖體變形程度與時間成正比；

3）由于軟巖的易擾特性，易受到卸荷松動及工程作業震動影響，即工程開挖方式與工序流程對圍巖變形會產生影響；

4）變形危害性高。當隧道圍巖發生變形時，隧道拱頂將發生下沉，鋼架產生扭曲損傷，甚至造成隧道垮塌。

根據高地應力下的大變形的特征，該工程提出的控變措施與總計劃“提前支護、強化初支、適當變形、先放后抗、從柔到剛、剛柔結合、迅速封閉、增強底部、地質預測”，很好地處理了這一問題。

4 隧道工程變形控制技術措施

4.1 超前地質預測預報

4.1.1 超前地質預測預報的方法

主要以監控測量和地質草圖，并與科研檢查結合的綜合地質預測預報手段為主。綜合超前地質預測預報方法有：掌子面地質草圖，監視測量，應力應變檢測和一般地質綜合分析等。利用掌子面草圖判斷節理面的方向與傾向，并用監視測量結果對地應力值進行反演，進而判斷圍巖地質情況。

4.1.2 超前地質預測預報的重點

以隧道地質數據為依據，以高地應力順層條件下的軟弱圍巖的力學性能作為隧道地質預測預報的要點。選擇有效的超前地質預測預報方法[2-3]，在工程建設中把地質超前預測預報融入工程施工工序管理。

4.2 支護結構確定

4.2.1 地質條件及支護參數

該隧道DK84+266～DK84+445 段開挖揭示圍巖以頁巖為主，局部夾砂巖，頁巖比例有所增加，薄～中厚層狀，強風化（W3）或弱分化（W2），頁巖與砂巖差異性風化明顯，頁巖質軟，砂巖較硬。受前方紅塘子逆斷層影響，巖層產狀紊亂，層理與節理等結構面陡傾，局部段落發育節理密集帶，巖體破碎～極破碎。該段圍巖多有裂隙水滲出，頁巖遇水后有軟化跡象，造成結構面結合變差，巖體易沿陡傾結構面發生層間錯動，施工過程中多處圍巖出現溜坍及初支變形侵限。

該段原設計拱部φ42 mm 小導管超前支護，環向間距40 cm，每環39 根，縱向間距3.2 m，每根長度4.5 m，全環I20b型鋼鋼架支護，鋼架間距0.8 m，拱部φ22 mm組合中空錨桿，邊墻采用φ22 mm 砂漿錨桿，長4 m，間隔1.2 m×1.0 m；網片噴射28 cm 厚C25 混凝土；留出12～17 cm 的變形量。

4.2.2 施工情況

本段施工采用三臺階五部挖掘法。因高應力作用軟巖產生變形，造成早期支護破裂，裂紋約3～6 cm 寬，最嚴重的是右邊邊墻。噴出混凝土出現凸起和空鼓，型鋼鋼架變形。拱頂最大下沉25 cm，最大收縮值43 cm，高出保留變形范圍，并破壞初期支護。

4.2.3 設計優化

因工程產生大的變形，高出保留變形范圍，并破壞初期支護，所以應擬訂合適的支護參數及施工計劃、技術辦法，同時對大變形及侵限位置采取加強措施。

基于圍巖實況與監測測量資料，并考慮保留20～30 cm 變形量，二次襯砌C35 鋼筋混凝土由50 cm 增加到60 cm。初期支護采用全環HW175 型鋼鋼架，鋼架間距0.6 m；每榀鋼架增設8 組φ42 mm 鎖腳錨管，每組2 根，每根長4.5 m，各臺階鋼架接頭位置設置一塊熱軋鋼板與HW175 型鋼有效焊接，每榀鋼架共設置6 塊連接鋼板，相鄰兩榀型鋼鋼架間設置6 根I20b 縱向連接型鋼；取消該段邊墻范圍內的系統錨桿，以縮短工序時間，實現初期支護盡快閉合成環。

4.3 開挖施工工藝

“三臺階五步挖掘同步爆破法”用于高地應力順層偏壓軟巖隧道工程。它的特征為：對不同的地質條件、地下水情況均能適應，按照不同圍巖能采用調節循環進尺、支護參數及保留下沉等方法，對拱頂下沉和凈空收縮進行有效抑制；劃分合理的臺階高度，架設、拆卸簡單鉆孔臺架便捷，施工時間迅速縮短；三臺階依次作業，卸碴、錨桿及架設鋼拱架等流程配合施工，立即支護既能確保構造安全，又能縮短反復施工時間，不同截面模式均可用，截面高度變更性強。三臺階五步開挖法施工順序示意圖如圖1 所示。

圖1 三臺階五步開挖法施工順序示意圖（單位：cm）

挖掘時，預留變形要增大，避免噴層變樣后對二次襯砌空間的侵占；按照隧道總有順層偏壓的特征，對順層巖體的受力特性進行了分析，使用不平衡預留變形量工藝。在高應力區采用“先軟后硬，先放后抗、軟硬結合”的支護準則，早期支護可符合大變形的特征。以隧道總有順層偏壓的特征為依據，使用非對稱支護方法，在根據設計認真實施支護措施的前提下，按順層巖體力學性能分析，在構造受力繁雜的地方強化早期支護，加大型鋼型號增加初支剛度，各臺階鋼架接頭位置增設熱軋鋼板，對相鄰兩榀鋼架間增設縱向連接鋼板加強連接（見圖2），每榀鋼架增設8 組φ42 mm 錨桿加強鎖腳及增添長導管徑向灌漿等。

圖2 鋼板加強連接

按照圍巖特點，判定光面爆破各爆破參數，如周邊眼間隔距離、最低阻力線、非耦合裝藥構造、引爆次序、阻礙長度等，還有主爆孔爆破參數（尤其是掏槽眼）的明確。周邊眼打孔選搭接式，裝藥構造為間隔式，對各周期進尺和周邊眼距離進行嚴格把控，周邊眼間隔為20～25 cm。分段同步引爆，使用毫秒雷管微差控爆工藝，對分段裝數量與分段推遲時間精準掌控，實現對爆炸振速的限制，使其對周邊圍巖的干擾與損傷降到最低?；诓煌瑑A斜角對部分的受力情況，選擇間隔空眼和微差爆炸工藝用于失穩或最不利位置，并使用左右兩邊炸藥量不平衡爆炸工藝，對炸藥數量、鉆孔深、引爆次序及動態最低阻力線布設等進行調節，將對圍巖的干擾降到最低。

上臺階挖掘1 榀鋼拱架、支護1 榀；地質發生過改變時，每循環的開挖進尺要降低；采用三臺階五部挖掘措施挖掘掌子面，不允許左右兩邊對開，應根據施工規程作業，兩邊交叉作業相隔應在2～3 m，理論上，臺階馬口長應是1 榀1 支1噴，極限長度不大于3 m，并按照圍巖條件隨時調節，增加交錯間距；臺階長度降低到約5 m。高地應力區按照圍巖和監測測量結果，立即進行仰拱、矮邊墻施工，使之盡早封閉。早期支護根據設計要求實施，完成圍巖監測測量任務，時刻控制隧道圍巖的穩定性，立即報告并處理出現的問題，避免出現安全和質量意外。

為抑制變形，在上臺階作業時應布置暫時仰拱，用I18 鋼架和C25 噴混凝土構成暫時的仰拱，使用φ22 mm 鋼筋作豎向銜接，環向相隔1 m。

4.4 二次襯砌

通常狀況下，二次襯砌應在圍巖測量穩定后進行，但高地應力條件下軟巖大變形是一個徐徐變化的過程，即使量測結果平穩，地應力也會慢慢作用于支護上，所以在增加早期支護的剛度、強度及厚度的同時，還必須適當增加二次襯砌的強度與厚度，施工使用鋼筋混凝土。按量測與項目實情，如產生地質異常情況，立即進行二次襯砌施工。

4.5 仰拱施工

高地應力區按照圍巖和監測測量結果，立即進行仰拱、矮邊墻施工，使之盡早構成閉合環。仰拱混凝土作業中應用了“移動式液壓棧橋抗干擾仰拱作業方法”，實現了仰拱整個斷面一次施工，制止了縱向施工縫的出現，確保了仰拱的完整性。仰拱施作時，應采用每段一次成型的方式，禁止分部澆筑，特別是軟巖大變形或存在別的地質災害區，更要遵守這一原則。

5 結語

近年來，在我國鐵路工程中，隧道項目日益增長，地質情況也變得更加復雜。在高地應力作用下軟巖大變形隧道項目的施工，到現在為止還在進行持續的研究和探索。本文以具體項目為案例，對高地應力作用下軟巖大變形鐵路隧道項目的控變技術措施進行具體的研究，使隧道作業安全性增強，保證整個隧道項目的建設質量。