软岩偏压铁路隧道大变形处治施工技术

2013-11-27向浩东

铁道标准设计 2013年4期

谭准，向浩东

(中铁二局集团勘测设计院有限责任公司，成都 610031)

1 概述

随着我国高速铁路的快速建设，受地形、水文地质条件以及规划平面要求等因素的影响，各种复杂地质条件下修建隧道大量出现，在地形偏压软弱岩体中进行隧道开挖支护便是典型现象之一［1］。软弱岩体特征复杂、岩性多变、围岩破碎，隧道易发生大变形，施工风险极大［2-3］。软岩隧道的大变形破坏特征主要表现为:变形破坏方式多样、变形量大、变形速率快和持续时间长等特点［4-6］。

截止至目前，虽然国内外学者对于软岩隧道修建提出了一系列控制标准及技术措施，但如何提高隧道结构在浅埋偏压条件下施工过程中的稳定性和有效控制隧道变形同时又提高施工效率，仍然是隧道工程界关注的热点问题［7-13］。以下贵坪隧道工程为研究背景，综合分析现场施工量测数据和隧道大变形特征，进而分析产生大变形的原因，提出适合于浅埋偏压软岩内修建隧道的施工工法以及控制大变形的处治措施。

2 工程概况

下贵坪隧道位于玉屏东站至三穗站之间，双线铁路隧道，全长568 m，左右线线间距为5.0 m，设计速度目标值350 km/h。隧道位于构造剥蚀中低山区，最大埋深约 57 m，自然坡度 10°～40°，局部陡峻，植被发育。隧道进出口基岩出露良好，岩体破碎。

隧区沟槽、缓坡分布第四系全新统坡残积粉质黏土、第四系坡残积细角砾土，基岩部分裸露，为寒武系下统杷榔组页岩夹砂岩，岩土体呈褐黄、灰黄色、灰黑色，夹较多薄层状泥质粉砂岩，质软易风化，主要分布于隧道出口段;受断层及地形偏压影响，节理发育，弱风化层岩体极其破碎，且裂隙充填较多的黏土，稳定性与完整性均较差。地下水以基岩裂隙水为主，其次为第四系松散土层孔隙潜水，地下水不发育，地下水对混凝土结构无侵蚀。

全隧除D1K480+642～+651段、D1K481+185～+210段采用明洞衬砌外，其余均采用双线复合式衬砌。按新奥法施工，采用光面爆破及湿喷技术，Ⅴ级围岩地段采用台阶法加临时仰拱法施工;锚、网、喷初期支护，拱墙一次衬砌。系统锚杆拱部采用φ25 mm中空注浆锚杆，边墙采用 φ22 mm普通砂浆锚杆。其中，D1K480+970～D1K481+185段采用 Vc型复合衬砌，二衬拱墙厚 55 cm，仰拱厚 65 cm，初期支护喷射C30混凝土厚度为28 cm，拱墙采用φ8 mm钢筋网(间距20 cm×20 cm)，钢架采用全环Ⅰ22a型钢钢架(间距0.6 m)。

3 软岩隧道大变形特征及原因分析

3.1 隧道大变形特征分析

下贵坪隧道自暗洞开挖以来，掌子面揭示围岩为强风化页岩夹砂岩，岩体破碎，自稳性差，有渗水，围岩变形严重，如图1、图2所示。

图1 明暗分界处围岩风化、破碎

图2 洞身段掌子面围岩破碎

隧道施工时根据开挖揭示的隧道工程地质条件及地形浅埋、偏压严重的特点采取了加强措施，但围岩及初期支护仍出现了严重变形，地表出现裂缝，导致已开挖段69 m范围内初支变形侵限，如图3、图4所示。

图3 洞身段初期支护剥落掉块

图4 洞身段地表裂缝

根据对施工现场的监控量测结果进行统计分析，如表1、表2所示，已开挖段出现大变形的问题主要有以下几个方面。

表1 隧道位移监测数据统计 cm

表2 地表沉降、位移统计 cm

(1)围岩变形量大:拱顶沉降量大，其中D1K481+177.7处拱顶累计沉降达49 cm;拱顶水平位移量偏大，其中D1K481+121处拱顶水平位移达21.6 cm;

(2)围岩变形持续时间长:在围岩初期变形后，变形并未停止，而是持续发展，甚至加速发展。隧道的持续变形，造成初期支护变形过大而发生破坏，不得不进行衬砌拆换处理;

(3)拱脚位移收敛:线路左侧拱脚明显收敛，线路右侧拱脚偏离线路向外侧(山体低侧)位移，该段位于洞口段，浅埋偏压更严重，但变形量相对小，分析原因系该段已采用地表钢管桩注浆加固;

(4)初期支护变形破坏:由于围岩持续变形，初期支护严重变形破坏，且持续发展，易侵限。开挖过程中预留的40 cm拱顶变形量，仍有局部侵限现象，主要分布在 D1K481+175断面拱顶处，最大侵限值达到11.5 cm;

(5)地表开裂:据现场调查，施工开挖过程中，地表隧道中线两侧连续出现纵向裂缝，裂缝伴随掌子面掘进而往前发展，且有变大趋势，裂缝无错台现象，裂缝最大宽度5 cm，长约50 m。

3.2 隧道大变形成因分析

综合下贵坪隧道施工实际情况，隧道发生大变形与地形特征、工程地质和水文条件、施工方法与工艺控制、支护措施等因素有关，具体分为以下几个方面。

(1)地形严重偏压:隧道出口穿越一单面斜坡，地形左高右低，斜坡呈下陡上缓状，自然坡度一般15°～35°，右侧坡脚相对较陡，达40°，植被发育。隧道大致从斜坡中段通过，埋深浅，最大埋深仅约30 m，地形偏压严重。

(2)岩质软，受断层影响，岩体破碎，开挖扰动后，周边围岩松动圈不断扩大:隧道穿越地层为页岩夹砂岩，属软质岩。隧道左侧约260 m发育界牌断层，为区域性逆断层。隧道位于断层下盘，受此断层影响，隧道出口段岩层节理裂隙发育，强风化层较厚，岩体破碎，自稳能力差，裂隙间部分有泥质充填。局部有渗水，页岩遇水软化，围岩自稳定性差。

(3)施工方法不当及支护参数偏弱。隧道采用台阶法加临时仰拱法施工，随着施工扰动，岩体进一步破碎，在隧道发生大变形后未及时调整施工方法和加强支护措施，致变形加剧。

4 隧道大变形控制措施

隧道大变形控制措施主要包括:施工方法调整和支护措施加强，浅埋偏压段洞外减载反压，以及变形侵限段初期支护拆换等措施。

4.1 施工方法调整和支护措施加强

4.1.1 已开挖段支护加强

对已开挖段的支护加强主要包括洞内支护、地表加固两项措施。

(1)洞内支护:D1K481+116～+155段在既有的初期支护基础上增加了拱墙φ42 mm注浆锚管(长4 m，环纵向间距1 m)径向注浆加强支护。

(2)地表加固:开挖揭示围岩为强风化页岩夹砂岩，夹较多薄层状泥质粉砂岩，岩体破碎，稳定性差(雨季更甚)。洞身及隧底均位于该地层，且拱顶埋深仅3～10 m，偏压严重。在 D1K481+145～+185段地表采用φ75 mm钢花管桩预注浆加固的横向范围由隧道中线两侧各12 m扩大至隧道中线两侧各15 m，洞身范围加固深度自地表至拱顶以上0.5 m，洞身范围外加固深度自地表至隧底以下1 m。

4.1.2 未开挖段支护加强及施工方法调整

针对已开挖段在变更加强措施后仍发生较大变形导致侵限，为确保隧道施工及结构安全，对洞内D1K480+970～D1K481+116未开挖段146 m支护措施进行适当调整，施工方法调整为CRD法，如表3所示。洞身复合型衬砌初期支护喷射C30混凝土的厚度调整为30 cm，钢架采用全环Ⅰ25a型钢钢架(间距0.6 m)。