软岩大变形隧道二次衬砌混凝土回填量控制研究

姬延波

(中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

随着社会经济的发展，我国的铁路、公路、水利、地铁等基础建设发生着日新月异的变化，越来越多的工程转向地下空间。在地下工程施工中，钻爆法以其适用范围广和工艺简单等特点，成为现阶段隧道施工的主要方法。但钻爆法由于工序多，以人工操作为主，一定程度上加大了施工工艺的控制难度。初期支护结构预留变形量对二次衬砌混凝土厚度的影响就是其中之一，且在软岩大变形段隧道施工中尤为突出。

在隧道软岩大变形控制方面:刘建友等［1］提出软弱围岩的力学特征及其变形规律是实现软弱围岩隧道安全快速施工的理论基础。强度低、变形大、变形时间长、变形速度快是软弱围岩的基本特征，故在软弱围岩隧道施工过程中，必须根据围岩应力调整的特征及其变形规律，合理选择开挖分部和开挖进尺，切实做好超前支护，加强施工管理，按照“预支护、快挖、快支、快封闭”的施工原则，实现软弱围岩隧道安全快速施工。

徐慧芬［2］对大埋深软岩隧道的合理开挖断面、合理施工工序和支护参数进行了深入的研究。优化后的方案改善了断面仰拱位置的几何奇异性，使开挖断面更加平滑，使衬砌的受力更加均匀。优化后的方案在尽量不增加开挖面积的前提下，增加了仰拱的深度，很好地控制了围岩的竖向收敛，从而有效地控制了围岩塑性区的发展。

徐勇等［3］为解决双线软岩隧道施工中普遍存在沉降和收敛过大、初期支护变形侵限导致拆换拱的现象，通过介绍兰渝铁路两水隧道施工中应用的几种工法，根据围岩监控量测数据分析，从安全、进度和设备利用方面进行比选，得出大拱脚台阶法比较适合于双线软岩隧道的施工。

在隧道软岩大变形段施工时，为避免初期支护变形侵限导致拆换拱增加施工投入的现象发生，普遍采用按最大累计变形量来确定初期支护预留变形量的方法施工，且传统理念确定的初期支护预留变形量为拱墙统一设置［4－5］。通过大量现场实践证明，初期支护结构并不是全环均匀变形的，这就造成局部二次衬砌混凝土实际施工厚度大大超出设计厚度，即二次衬砌混凝土回填量过大。

针对此问题，目前无相关的文献可供借鉴。本文通过对兰渝铁路同寨隧道软岩大变形段围岩情况及变形数据进行统计分析，总结其变形规律，并对初期支护断面进行优化设计，提出预留变形量从拱顶到拱脚由大到小渐变设置的理念，从而减少二次衬砌混凝土的回填量。

1 工程概况

1.1 总体情况

同寨隧道是新建兰州至重庆铁路夏官营至广元段的一座高风险隧道，全长8 827 m(DK247+308～DK256+135)，位于甘肃省陇南市宕昌县境内，线路基本呈西北向东南走向。隧道洞身通过的地层主要为三叠系下统板岩夹砂岩及华力西期安山玢岩，原设计70%为Ⅲ级围岩，28%为Ⅳ级围岩，2%为Ⅴ级围岩。实际揭示70%为三叠系下统板岩夹砂岩地层，属Ⅳ级围岩。

1.2 地质情况

同寨隧道大变形主要发生在三叠系下统板岩地层内，薄层板状、节理、小揉皱和褶曲等构造发育，岩层的倾向和走向与隧道的位置关系是该种地层隧道初期支护大变形的主要原因。

1.3 大变形段隧道主要施工参数

拱部120°范围设φ42 mm超前注浆小导管，长4 m，环向间距为40 cm，纵向间距为2.4 m。全环喷射C25混凝土，拱墙厚30 cm，仰拱厚25 cm。全环设置H175型钢钢架，间距为 0.6～0.8 m;钢架采用 φ22 mm纵向连接筋连接，环向间距为1.0 m。拱墙挂设φ8 mm钢筋网，网格间距为20 cm×20 cm，拱部挂双层钢筋网。边墙设φ22 mm砂浆锚杆，长4 m，间距为1.2 m×1.0 m(环×纵)，砂浆锚杆可作为钢架锁固锚杆进行位置调整。钢架设置φ42 mm注浆锁脚锚管，长4.0 m，每榀钢架12根。拱墙增设φ42 mm小导管径向注浆加固，长 4.0 m，间距为 1.5 m ×1.5 m(环 ×纵)。二次衬砌采用C35钢筋混凝土，钢筋环向采用φ22 mm@20 cm，纵向采用φ14 mm@20 cm，箍筋采用φ8 mm@20 cm×20 cm，拱墙厚50 cm，仰拱厚55 cm。

2 变形规律研究

2.1 变形量与地质因素关系

根据同寨隧道软岩大变形不同里程段的不同围岩情况，建立了围岩情况与累计变形量关系表。测线布置见图1。围岩情况与累计变形量关系见表1。

图1 测线布置图Fig.1 Layout of measurement lines

表1 围岩情况与累计变形量关系表Table 1 Relationship between surrounding rock conditions and cumulative deformation

〛

本工程穿越的地层以表1中第4种情况居多，即三叠系下统板岩地层，薄层板状构造，层间结合力差，节理、褶曲和小揉皱发育。本文下述内容均以该种地层为例，统称“隧道大变形段”。

2.2 开挖台阶设置与步距控制

隧道大变形段采用三台阶钻爆法施工，初期支护预留变形量从拱顶到拱脚均为30 cm。具体支护结构及台阶划分情况见图2。

图2 隧道断面(单位:mm)Fig.2 Cross-section of tunnel(mm)

现场正常施工统计显示，开挖掘进日进尺2.4 m，月完成72 m。仰拱封闭作业面与上台阶掘进作业面始终保持40 m的安全距离计算，同一里程部位从初期支护完成到仰拱封闭，上台阶需要17 d，中台阶需要15 d，下台阶需要7 d。在此期间，上台阶初期支护结构将受中台阶、下台阶及仰拱开挖施工扰动多次，中、下台阶与之相比，受到的扰动次数相应较少［6－7］。隧道施工分布情况见图3。

图3 隧道施工分布图Fig.3 Arrangement of tunnel construction

2.3 施工期间变形分析

根据现场监控量测数据统计分析，正常情况下仰拱封闭后初期支护结构变形趋于稳定。以典型地段为例进行变形数据统计分析，同一里程部位从初期支护完成到仰拱封闭拱顶下沉H线累计达255 mm左右，周边收敛A线累计达350 cm左右(单侧为175 mm)，周边收敛B线累计达150 cm左右(单侧为75 mm)。时间－位移曲线见图4。

图4 时间－位移曲线Fig.4 Displacement Vs time

2.4 变形规律

1)初期支护结构累计变形量与围岩薄层板状、节理、小揉皱、褶曲等构造发育情况，以及岩层产状与隧道走向等因素均具有一定的关系。

2)初期支护结构累计变形量与其暴露时间及受扰动次数成正比。

3)同寨隧道软岩大变形段累计变形量从拱顶到拱脚呈现由大到小渐变的规律，即拱顶变形量最大、边墙次之、拱脚变形量最小。

3 初期支护断面优化

3.1 断面优化

在不改变隧道初期支护净空断面等设计原则的基础上，结合上述变形规律，可对其初期支护断面进行优化设计。将初期支护内轮廓半径由图2的693 cm减小为678 cm，将圆心与内轨顶面的距离由图2的242 cm变更为257 cm，将图2断面的下部直线段变更为拱墙同心圆曲线，二次衬砌按原设计施工，实现了优化后初期支护断面的预留变形量由拱顶至拱脚为30～9.5 cm渐变。优化后隧道断面见图5。

图5 优化后隧道断面(单位:mm)Fig.5 Optimized tunnel cross-section(mm)

3.2 断面优化对比分析

按拱墙预留变形量均为30 cm的初期支护断面施工后(见图6，图中黑色区域为二次衬砌混凝土回填区域，衬砌前初期支护断面轮廓采用全站仪加密测点绘图获得)，平均每延米实际用量超出设计量3.5 m3(采用CAD绘图或根据测点求二次衬砌混凝土平均厚度计算获得)。按二次衬砌混凝土成本为500元/m3计算，则每延米隧道成本增加1 750元。

图6 优化前衬砌断面Fig.6 Lining cross-section before optimization

按优化后初期支护断面(见图5)施工后(见图7，图中黑色区域为二次衬砌混凝土回填区域)，平均每延米实际用量超出设计量1.1 m3，比采用原初期支护断面施工的二次衬砌混凝土超耗量减少2.4 m3，减少量达69%。同样按混凝土成本为500元/m3计算，则每延米隧道成本增加550元。与按优化前的初期支护断面施工相比，每延米隧道成本相应减少1 200元。按同寨隧道预计5 000 m的大变形段预估，单此一项将节约成本600万元。

图7 优化后衬砌断面Fig.7 Lining cross-section after optimization

4 结论与探讨

本文对兰渝铁路同寨隧道软岩大变形段的地层情况、施工步距及变形数据进行了研究分析，根据分析结果对初期支护断面进行了优化设计，达到大幅度减少二次衬砌混凝土超耗的目的，降低了施工投入。主要结论如下:

1)软岩大变形段隧道初期支护结构累计变形量与围岩特征、暴露时间及被扰动次数有直接关系。

2)根据初期支护结构的累计变形量与不同台阶以及围岩特征之间的关系，对全环均匀设置预留变形量进行了优化，拱顶至拱脚分别在30～9.5 cm、40～12 cm和20～5 cm等范围内，采用不同程度渐变设置预留变形量的初期支护断面。

3)在施工过程中，根据每循环开挖后揭示的围岩特征，判断可能出现的变形程度，动态调整不同围岩条件下各部位的预留变形量，从而选择合适的优化断面。

4)仰拱初期支护完成至仰拱混凝土浇筑封闭时间较短，一般不超过12 h，变形量在施工误差值允许范围内，不考虑预留变形量。

由于软岩大变形隧道地质条件十分复杂，变形影响因素众多，一味通过加强支护参数或二次支护，工程投入将大大提高［8－10］。通过动态调整预留变形量控制二次衬砌混凝土回填量，仅是控制大变形隧道施工投入的一小部分，也存在于变形控制措施充分有效发挥作用的基础之上。如何在确保安全的前提下进一步降低软岩大变形隧道的工程投入，最终达到安全、经济、高效的目的，仍有待于进一步深入研究。

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