隧道工程软弱围岩大变形控制体系及应用分析

马友博

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津市 300162）

隧道工程软弱围岩大变形控制体系及应用分析

马友博

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津市 300162）

隧道项目施工时，常会出现软弱围岩体，若处理不正确很容易产生围岩大变形等隐患。为确保隧道项目的正常施工，要严格重视软弱围岩大变形的防御和把控。以实际工程为例，对软弱围岩大变形原因进行了分析，然后从施工工艺和施工控制技术方面对围岩大变形的控制措施进行了探讨，可供参考。

隧道工程；软弱围岩；大变形

1 工程概况

某隧道项目总长8 970 m，隧道结构采用带仰拱曲墙复合式衬砌结构，辅助以喷锚支护，以石英云母片岩夹炭质片岩铺筑隧道底层，薄层状夹中厚层，节理裂隙很丰富，且片理面相对很光滑，层间的结合较差，容易出现剥落掉块等问题，围岩以Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩为主，多为炭质片岩，结构松散易破碎，左右侧岩质易发生塌方，均匀性很差，隧道高度为8.86 m，宽度为6.37 m，最大埋设深度为1 050 m。项目施工时，若发生软弱围岩大变形问题（见图1），需马上采取措施处理。

图1 软弱围岩大变形情况

2 围岩大变形出现的原因和特点

通过施工情况跟踪，得知软弱围岩大变形的主要特点：围岩变形量很大，施工过程中，Ⅳ级炭质片岩的水平收敛量可达到约300～400 mm/30 d，拱顶下沉量约150～200 mm，Ⅴ级炭质片岩由于包含高量炭质和丰富地下水，其变形量远超过正常值，局部水平变形量可到1 260 mm，见图2；变形速度快且速率高，围岩日均水平收敛量约为30～50 mm，随着隧道的开挖，围岩大变形速度在提高，局部水平收敛量可达到920 mm/10 d，20 d可产生高于1 560 mm的累计变形量，约为2 250 mm；围岩变形维持周期久，隧道开挖成型后，围岩变形可维持的周期非常长，最长可达几个月，某些地段变形甚至可持续到二次衬砌施工；围岩大变形布局结构不一、形状各异，常发生左右变形不匀称的问题，项目初期支护施工完成后，不同地段发生变形的两侧匀称性也不一致；项目施工前期，水平收敛速度和累计变形量相比拱顶下沉速度和变形量要超出很多，一般拱顶下沉累计值可达到105 mm，水平累计收敛量超过500 mm，后期时，拱顶下沉显著，下沉速率为20～30 mm/d，下沉量约为500～600 mm；蠕变和突变均有发生，初期支护封闭结束后，变形速率刚开始很平缓，随着施工的进行，变形速率在增大，各类施工如爆破施工、仰拱开挖施工、中下台阶落地施工等均会造成初期支护稳定性降低，引发围岩塌方；变形具有重复性，隧道变形处因变形使得围岩倾斜，进而要不断拆换拱架，使得变形增大；由于围岩遇水易软化，这样会使变形加剧，炭质片岩遇水软化性更强，在施工过程中常常处于泥浆状态，具有很低的强度，地下水渗流的位置常会出现更大的变形[1]。

图2 224+780中台阶的水平收敛量变化图

引发隧道变形的原因：炭质片岩属于一种特殊的劣质岩体，它可以沿片理面出现蠕滑、流变和结构破损等现象，其强度和抗剪强度都很低，具有很长的变形特性，具有很高的敏感性，区域地质构造容易诱发地层结构变形,产生大量的致密接缝和顺层摩擦镜面,严重破坏岩体的完整性,同时也会掺入石英岩脉。岩体的参数值c和φ值均很低，其中c趋近于0，φ值约为100°，σ0=400 kPa，遇水软化，常以泥浆状形式存在于施工过程中，强度非常低，很容易引发塑性流动，使得围岩出现高收敛位移；炭质片岩排布的不均匀，加上结构本身的流变性，隧道开挖时埋深量很高，引发围岩顺层偏压、局部节理破损，进而引起隧道变形。

3 施工控制方案

结合上述分析，给出以下施工控制方案：对于围岩变形大的隧道地段，在施工过程中要严格遵循“超前管理、极速开挖”的原则进行，严格把控注浆、支护、封闭、衬砌、测量等施工工序；针对小范围Ⅲ、Ⅳ级围岩炭质片岩隧道施工时，采用超短三台阶法，并将二次衬砌距离掌子面的长度严格控制在35 m内；针对大范围Ⅴ级围岩炭质片岩隧道施工时，采用三台阶法和临时仰拱法搭配开展，结合围岩和资源的具体情况选取上台阶+临时仰拱法，以及中台阶+临时仰拱法进行合理施工；增强封闭成环快、衬砌节奏紧凑的施工意识；结合实际施工合理调整施工方案。

4 施工要点

4.1 参数设计

本隧道项目中以Ⅴ级围岩进行设计，其中超前支护选用30 cm间距、42超前小导管；在初期施工中，支护钢架采用了2榀/m的I20型钢，拱部锚杆选取了长3.0 m的22砂浆锚杆，间距100 cm×100 cm，并布设6.5和8的钢筋网，控制网孔间距为20 cm×20 cm；二次衬砌主筋是25钢筋混凝土，控制衬砌厚度在50～77 cm内。以三台阶法开始隧道施工，对小导管超前支护(φ20 cm)采取加密施工处理，超前小导管平均每铺设2榀，钢架就要施作一次，设计长度控制在3.5 m，间距要在20 cm内，外插角要在10°以内，将小导管末端与钢拱架焊接牢固。钢架连接处，需布设大于4根的锁脚锚杆，锁脚锚杆规格为长3.5 m，直径Ф25。结合需求布设临时仰拱，超挖时选用二次衬砌同级混凝土进行回填施工，待仰拱成环后，结合变形测量值及时调整并进行二次衬砌[2]。

4.2 把控要点

（1）保留更多的变形量，特别是水平收敛量。通常对于软围岩隧道，其预留的变形量为30 cm，结合围岩实际变形情况对于地质均匀的地段两侧预留变形量可增大至50 cm，而拱顶预留约30～50 cm，对于左右不均匀地段一侧预留可增大至70 cm，另一侧则不变。

（2）增强钢拱架强度，严格把控开挖深度。为有效把控变形量，初期支护钢拱架可由I20型钢调整为I22型钢，I25型钢，持续增加强度，降低变形量。Ⅴ级围岩的爆破打眼深度严格控制在1.2 m，装药量严格控制在0.25 kg，为降低对围岩的干扰，可选用松动爆破技术，严格把控循环挖进尺寸，约为1.0 m，并马上采用喷射混凝土施工方式封闭掌子面。

（3）排水设计：洞内上台阶选用初期支护背侧铺筑钢管方式来实现引排，并借助壁后开展注浆施工，以及预设小型集水坑。炭质片岩岩体的强度很低，通常在施工过程中以粉末形式存在，在隧道会遇水软化，使围岩的粘结力下降，借助云母等滑动结理面的影响，使围岩的自持力下降，进而增大初始支护围岩压力。

（4）拱脚措施：拱脚选用锁脚小导管，由于炭质片岩具有极低的强度，故需以25自进式中空锚杆代替42小导管，此时锁脚锚杆可全长施作，且施作周期降低了20 min。隧道拱脚的炭质片岩很容易塌方，其强度非常低，在进行废渣处理时极易出现二次失稳的情况，故需选用砂袋及时堆稳拱脚，并预留注浆孔，进行挂网喷锚。为了减少围岩松动圈的出现，支护结束后要立刻开始注浆固结施工[3]。要布设集水坑来防止隧道某些地段发生露水、渗水现象，此外还要在拱脚边墙处搭设临时支墩，支墩规格为高1.5 m、顶底宽0.8 m和1.25 m、坡比1∶0.3，并在支墩底端布设8节碴钢筋，以此来增大摩擦力。

（5）临时仰拱：临时仰拱材料为I25型钢混凝土，间距50 cm，要与初期支护型钢牢固焊接，型钢下布设间隔20 cm×20 cm的8钢筋网，以点焊方式和型钢连接；纵向选用22螺丝钢以55 cm间距进行连接，为缩短循环周期，可灌注垫实临时仰拱型钢底端，于其上端铺设厚20～30 cm的虚碴，以此来降低重车碾压破坏力。

（6）监控量测：一般二次衬砌施工常常在围岩初期支护结构稳定后进行，但因本隧道项目中炭质片岩结构的特殊性，量测数据变形图以直线状形式出现，日变形量约11～24 mm，局部地段收敛量在一定时间会发生二次变形，硬岩在初期支护变形后很短时间内就出现了塌方；在炭质片岩初期支护变形后选用注浆方式进行加固处理，可有效控制围岩产生二次扰动，有效控制塌方情况的发生。故而，常规数据分析无法符合炭质片岩隧道施工，需加强监控量测力度[4]。尤其是会对工序产生影响的施工，需增强对其的量测力度，以综合量测结果来合理推算二次衬砌施工产生的变形总量，避免突变引起的塌方情况。

5 结语

综上所述，在隧道工程施工过程中，为了控制软弱围岩大变形，需要在开挖隧道之前对地质情况进行调查，并开展地质超前预报，分析围岩大变形出现的原因，并制定出相应的开挖支护措施。同时做好施工监测工作，对模拟参数进行优化，进而使围岩大变形得到有效的控制，保证隧道工程顺利实施。

[1]赵勇.隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[2]张洋.隧道工程软弱围岩大变形控制体系研究[D].四川成都:西南交通大学,2006.

[3]卿三惠,黄润秋.乌鞘岭隧道软岩大变形防治技术问题探讨[J].路基工程,2005(4):93-96.

[4]何荷.隧道工程中软弱围岩的施工技术探究[J].交通世界,2013(17):269-270.

“十二五”国家科技支撑计划“高速磁浮交通工程化集成系统研究”项目通过验收

近日，科技部高新司在上海组织召开了“十二五”国家科技支撑计划“高速磁浮交通工程化集成系统研究”项目验收会。与会专家乘坐了磁浮车辆,考察了磁浮试验线实物系统的研制情况，观摩了半实物仿真系统的演示，参观了“十二五”项目成果展示，审阅了项目验收技术资料，听取了项目组汇报，并进行了质询和讨论。

“高速磁浮交通工程化集成系统研究”项目组织部门为上海市科委，承担单位为同济大学。经过项目团队的科技攻关，研制的磁浮系统技术部件达到了产品级，核心部件通过了实车运行试验考核，支持了上海磁浮示范线的安全稳定持续运营，提高了我国磁浮产品研发的核心技术能力。将一列两节编组磁浮列车改造成永磁电磁混合悬浮列车，在1.5 km试验线上验证了在同等条件下，混合悬浮技术的连续静浮能力提高到24 h，承载力提高25%以上，悬浮功耗降低20%以上。研发了高速磁浮交通半实物仿真平台，形成了仿真环境下多车多分区、最高磁浮列车运行速度500 km/h及复杂工况运行的高速磁浮集成试验与测试环境，为系统工程化奠定了基础。研制了悬浮、导向、涡流制动系统控制器及传感器测试台等磁浮专用检测检验设备。

专家组认为，该项目完成了项目批复规定的研究内容，达到了考核指标的要求，同意项目通过验收。

U452.12

B

1009-7716（2017）12-0141-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.039

2017-08-02

马友博（1983-），男，河北廊坊人，工程师，从事铁路工程施工工作。