泥质岩地层高铁隧道大变形施工控制技术

郝晶

摘 要：目前我国高铁建设如火如荼，而在广大西北西南地区建设隧道时常会遇到泥质岩。泥质岩是常见的一种软岩，在泥质岩地层施工隧道过程中易产生大变形而发生支护垮塌，因此，对泥质岩隧道施工期隧道围岩大变形控制的研究就尤显重要。本文以南昆客专XZ隧道为依托来分析泥质岩隧道大变形施工控制方法。

关键词：泥质岩 大变形 施工控制

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0064-02

2016年7月，国家《中长期铁路网规划》发布，在“四纵四横”的基础上打造“八纵八横”，按照规划，到2030年，中国铁路网运营里程将达到20万km左右，其中高速铁路4.5万km左右，然而在高铁穿越广大西南山岭地带须修建隧道时常会遇到泥质岩，泥质岩地层隧道在施工过程中会产生较大变形[1]，而导致支护变形和塌方，严重时甚可导致隧道报废，为确保泥质岩大断面隧道施工安全，优化施工方法，提高施工速度及经济收益，本文以南昆客专XZ双线隧道为工程背景，开展泥质岩隧道大变形施工控制技术研究，成果不仅可以指导XZ隧道的施工，也可为相关类似工程累积经验。

1 工程概况

1.1 工程介绍

南昆客专是我国高铁“八纵八横”组成部分之一，是联通西南与华南的重要铁路通道，全长710km，其中云南境内434km，设计行车速度250km/h。昆明至南宁4h左右、昆明至广州7h左右可到达，极大地促进边疆民族地区发展。XZ隧道位于云南广南县域的沟谷之中，是双线隧道，全隧为单面坡，进口里程点DK407+900，出口里程点DK414+386，全长达6486m，洞身埋深从11m～263m。全隧累计穿越了3个断层，隧区地形起伏明显，横向冲沟发育，施工安全风险极高，属一级风险隧道。

1.2 隧道大变形区段工程地质

南昆线全程分布有寒武统、志留系、石炭系、二叠系、下第三系、泥盆系等地层，跨越了云贵高原和广西盆地两级台阶。XZ隧道出现大变形的地段为粉质黏土、块石土、砂岩夹页岩、泥岩、泥质条带灰岩夹泥质粉砂岩，泥质细粒结构，节理裂隙丰富，中～薄厚层状构造，有明显的风化差异。

2 隧道初始施工方法及变形情况

2.1 隧道初始设计

隧道为IV级围岩，采用IV级B型复合式衬砌，拱墙格栅钢架，钢架间距1.0m；拱部φ42超前小导管，环向间距0.5m，每环31根，纵向每3m一环，每根长4.5m，台阶法施工。

2.2 隧道变形情况

开挖后，隧道净空持续变形发展，最大日沉降27mm，最大日水平位移14mm。初支拱部及右边墙出现起鼓、掉块，局部初支砼剥落。初支侵限，侵限部位为拱部及边墙，平均侵限15～20cm，最大侵限24.9cm，最大侵限断面为DK412+521。

3 大变形原因分析及施工控制技术

3.1 泥岩段隧道大变形影响因素分析

XZ隧道发生大变形地段以薄层状泥岩为主，从地勘资料及对变形数据的分析总结可知，泥质岩岩性软弱，易受地下水侵蚀，被地质环境影响，且易受施工侵扰，从而发生大变形，其主要的变形影响因素可概括如下。

3.1.1 泥质岩岩性因素

泥质岩组分中多富含石膏、芒硝、蒙脱石、高岭石、伊利石等吸水膨胀矿物质，其典型特征是岩体吸水膨胀，岩质软弱及强度低，抗水性差，当含水量上升或受施工扰动时抗剪强度有明显的降低，而且，膨胀变形与水、时间都具有相关性，在此类膨胀压力影响下，极易引发隧道围岩之大变形和初支变形劈裂。

3.1.2 地下水因素

隧道洞身段可溶岩占比高且在此地段有大量地下水而围岩裂缝丰富，岩体破碎构成了地下水的良好通道，地下水沿裂缝侵入岩石内部，并发生各类物理化学反应导致岩体强度降低、体积增大，引发岩体内部不均匀应力，亦有些许胶结物溶于地下水，引发岩体崩解，损伤了岩体完整性，降低其力学特性。

3.1.3 支护情况因素

XZ隧道采用的初期支护强度较弱，导致隧道变形发展较快，造成初期支护破坏。另外如果台阶长度太长，初期结构闭合滞后，二衬不能紧跟浇筑，初期支护就会暴露时间过长而产生较大变形，致使支护结构侵入限界，严重时引起隧道发生失稳坍塌。

3.1.4 施工方法因素

隧道围岩形变量大小与施工的方法亦密切相关[2]。施工时，每步施工均会扰动围岩，使围岩产生多次应力的释放和重分布过程，大大降低了围岩的原始力学性能。经过现场围岩变形监控量测可知，监测断面上各个观测点的位移时间曲线往往会表现出较明显的阶梯性，这是由各部开挖的时导致的围岩扰动及应力释放产生的，从而进一步加速了围岩的变形。因此，要采取缩减台阶长度、减小开挖进尺、减少开挖分部和尽早封闭成环等相关措施来尽量减少施工对围岩的扰动次数。

3.2 泥岩段隧道大变形施工控制基本原则

通过对泥岩隧道变形机制及变形控制基本理念分析，并结合相关工程实例可以得出泥岩隧道施工应该坚持的基本原则有以下几个方面。

（1）隧道结构设计坚持“刚性支护”宁强勿弱的原则，采用长锚杆、厚层喷射混凝土、锁脚锚杆和重型钢架等组合支护措施，控制围岩变形，达到向围岩深处转移二次应力的作用。

（2）软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载，二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载。软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构的强度。

（3）对于围岩赋存环境较差，地下水较发育的地段，采用超前预注浆、水平旋喷、超前大管棚等辅助施工方法重点改善并加固地层，提高围岩的自承能力，减小作用在支护结构上的荷载。

（4）合理选择初期支护预留变形量，选择合理的预留变形量有助于達到安全高效施工的目的，特殊地质地段可以考虑预留二次支护的施工空间。

（5）建立初期支护稳定性评判标准，在施工过程中实时对初期支护结构安全稳定性进行评判，指导现场工程施工。

3.3 泥岩段隧道大变形施工控制方法

根据XZ隧道的实际情况了解了XZ隧道开挖之后的变形及应力释放特点大体为：受围岩岩性影响大，膨胀变形迅速，持续形变久，围岩松动圈大，无收敛稳定。根据泥质岩隧道开挖后的特点应严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、短台阶、速封闭、快成环、二衬紧跟”和“加固围岩，改善变形、先柔后刚，先放后抗、变形留够”的施工原则施工。具体施工技术如下。

（1）开挖前严格按照设计要求施作每环38根φ60，长8m，间距4.8m的中管棚。型钢钢架须与钢管焊接牢固，施工中采用超前导管，长度为8m，排间搭接长度为1.5m，保证拱部上部至少有两层钢管作为超前支护。大管棚必须在洞身开挖前完成。洞口开挖时应预留管棚施工台阶，搭设管棚施工工作室，钻机脚手架平台应支撑在稳固的地基上。在软弱围岩地段，立柱底应加设垫板或垫梁。

（2）开挖采用三台阶七步法[3]，弱爆破或机械开挖，严格把控进尺，各台阶长度不得大于6.0m，及时封闭，边墙每次最大掘进进尺为2榀钢架间距，仰拱开凿每次须小于4榀钢架间距。仰拱衬砌一次性施作长度上限6.0m，二衬距掌子面最远30m。

（3）预留合理变形量，可使地应力场中储藏的弹性形变能量得到有效释放，这亦是大变形隧道其围岩支护之通用原则，即先行卸压之后强支护。

（4）隧道掌子面开挖后应立即进行初喷，初期支护采用拱墙部位喷30cm的纤维砼，仰拱部位喷30cm的素砼，拱墙部位按照20×20cm布设φ8×φ8的钢筋网，系统锚杆施用φ42，环距1m，纵距1.2m，拱墙部位长8m，仰拱部位长6m的锚杆。钢架全环H175型钢，间距60cm，钢架接头施用M24高强螺栓，预留拱墙部位60cm空间。初支要极早封闭成环，使支护结构形成整体受力，提高支护结构承载力。重视隧道底部的处理，应在开挖后及时浇筑，仰拱的曲率应加大。

（5）优化二次衬砌施作，主要是增强二次衬砌及优化二次衬砌施作时间，有几种时常在施工中采用的措施。

①将衬砌厚度增加，比方从20～30cm增加到60～90cm。

②当二次衬砌难以抵抗围岩巨大的变形压力时，衬砌材料选用钢筋混凝土。

③将普通混凝土用钢纤维混凝土取代。

④在二衬中增设型钢、槽钢、格栅钢架等刚性支撑制成钢架混凝土。

⑤将二衬结构改变外形，如用受力条件更好的圆形断面取代马蹄形外形的断面。在大变形异常严重之时，亦可以组合运用上述措施。围岩大变形隧道采纳先柔后刚、先让后顾、分层支护的初支后，核心问题是怎样确定二衬最优施作时间。如二衬若在围岩形变不充分时过早施作则有被围岩挤坏风险；施作过晚会致变形过大，围岩过度形变乃至侵限。XZ隧道根据自身情况，最终确定二次衬砌施作60cm厚钢筋混凝土。

（6）加强对围岩的监控量测，根据对监控量测资料的回归分析结果，确定预留合理的沉落量，既能保证在二衬前初期支护不侵入二衬，又不因预留过大造成经济上的浪费。

4 结语

泥质岩隧道大变形施工控制的核心在于找出其变形机理，弄清施工原则，采用合理的施工方法及支护参数。该隧道在采用了施工控制技术后，变形得到有效的控制，未发生安全事故，说明采用的施工技术是可行的，亦可给其他类似工程提供参考。

参考文献

[1] 张秀良，石光荣，陈杰华，等.泥岩地层大段面隧道围岩变形控制[J].隧道建设，2010，30（2）：179-181.

[2] 郭鹏飞.泥岩地质隧道大变形施工控制技术[J].工程技术，2012（8）：69-70.

[3] 王生光.炭质泥岩隧道施工方法优化[J].南阳理工学院學报，2016，8（2）：114-115.