成兰铁路松潘隧道软弱围岩变形控制施工技术

李 明 （中铁二十五局集团第二工程有限公司，江苏 南京 210000）

1 引言

据统计，到2020年我国铁路隧道总长将达2万公里左右，位居世界第一。由于我国幅员辽阔，西北、西南地区软弱破碎围岩分布很广。近年来浅埋、软弱围岩隧道塌方、变形的事故时有发生，造成较大的经济损失和人员伤亡。据统计塌方事故占隧道事故的64%以上。因此，提高认识、加强管理，提高软弱破碎围岩隧道施工水平，对保证隧道施工安全、按期完工是十分必要。本文结合成兰铁路所涉及到的一些软岩及炭质板岩隧道中出现的问题，提出软弱围岩隧道防塌方、防变形施工措施，为同类施工地质条件下的隧道提供借鉴。

2 工程概况

松潘隧道位于松潘至川主寺区间，为单洞双线隧道，设计时速200km/h。进口里程D3K239+630，出口里程D3K247+678，全长8048m。线路设计为6‰～15‰单面上坡，轨面高程2837.433m～2922.473m。进口接路基工程，出口接右所屯1号双线大桥，埋深50m～270m。共分进口工区、斜井工区、出口工区共三个工区组织施工。隧址位于岷江左岸，地处岷江活动断裂南段右侧150～700m，位于岷江断裂的下盘（被动盘），地层岩性主要为三叠系（T3x）炭质板岩夹板岩、砂岩，地层单一，受岷江断裂构造影响，小型褶曲发育,层间挤压构造突出，岩体破碎，次生小断层及柔皱较发育，层理产状变化较快。受岷江断裂构造影响，开挖揭示该段隧道岩性为板岩、炭质板岩互层，局部夹石英岩脉，岩质较软，节理裂隙发育，多数岩层陡倾，且走向与线路方向基本一致，局部段落褶曲发育，拱顶有掉块现象，含裂隙水，围岩整体稳定性差。

3 松潘隧道软岩大变形及破坏特征分析

①总变形量大。松潘隧道2012年12月21日开工，至今共发生变形侵限12次，拱脚累计最大变形726mm,如图1所示。变形特征为：掌子面未挤出变形，隧底无隆起；变形较大点多位于靠山侧拱腰部位；变形以水平收敛为主；中下台阶及仰拱施作时变形较大；地下水发育段变形大；仰拱施作后变形趋于稳定；措施加强后变形速率基本能受到控制。

图1 松潘隧道变形数据

②前期围岩变形速率较大，后期变形持续时间长（多发生在拱顶及靠山侧边墙位置），隧道开挖后即变形,变形速率较大、延续时间长，具有明显的流变特征。选取D3K244+262试验断面围岩位移时程曲线图，如图2所示。由图2可知，D3K244+262断面洞壁处左边墙、拱顶处洞周位移较大，其它测点位置的洞周位移较小，左边墙的最大位移为-22.7mm,发生在2014年12月21日，位移变化趋势为先变大，后位移小幅度变化。拱顶的最大位移为-23.65mm，发生在2014年12月11日，位移变化趋势为逐渐减小，后趋于稳定，其中左边墙变形速率平均2.1cm/d。

③压力增长快。围岩压力在很短的时间内，围岩即与支护结构接触产生较大的围岩压力。选取D3K244+262试验断面围岩压力时程曲线图，如图3所示。由图可知，该断面右边墙围岩压力的最大值为0.572MPa，拱顶围岩压力出现了先增大后减小，最终又持续增大的情况。右边墙在12月21日左右的时候出现了突变，之后基本呈线性变化，其他测点的围岩压力变化速度减小，围岩压力继续加大，未收敛。

④变形破坏形式多样。变形破坏形式一般表现为喷射混凝土严重开裂、初期支护变形侵限、钢架变形扭曲、拱顶掉块坍塌等，如图4所示。

图2 D3K244+262试验断面围岩位移时程曲线

图3 D3K244+262试验断面围岩压力时程曲线图

图4 初支变形情况

4 松潘隧道变形控制施工技术

本工程在总结多次侵限、换拱教训的基础上，从“保护围岩、加固围岩、提高围岩自承能力”出发，通过“长锚杆及后注浆为主的变形主动控制体系”，控制了围岩塑性区的发展。施工阶段按照“主动控制”变形的理念，“加深地质、强化锚杆、工法配套、优化工艺”，充分体现“快”字，即快挖、快支、快锚、快封闭。

①开挖方法的选择。三台阶预留核心土增设临时仰拱施工工法开挖，增加炮孔数，减少爆破对围岩扰动。采用短进尺、多循环的作业方式；仰供及时封闭成环、衬砌紧跟，上台阶长度宜为5～7m，仰拱距下台阶不超过20m，二衬离掌子面距离控制在40～60m以内。

②强化锚杆施工。大变形段应强调锚杆施工效率及锚固力发挥的及时性，实现主动加固围岩，限制塑性区扩展。关键工序为两步：a.合理选择锚杆类型。因该隧道围岩自稳性较差，极破碎，锚杆钻进时易塌孔，经现场调试采用长自进式锚杆，变形得到有效控制；b.长短结合，先短后长。变形发展迅速的严重变形段，先利用短锚杆（≤4m）施作便捷快速的特点，用于初期变形控制，为长锚杆创造施作时间。同时长短交错结合形成群锚效应。长锚杆施工应配备合理机械设备，例如凿岩台车或专业锚杆机，8m长锚杆施作时间应控制在20min以内。本隧道施工中原设计采用普通锚杆和自进式锚杆效果对比图如图5所示。

图5 本隧道施工中原设计采用普通锚杆和自进式锚杆效果对比

③强化钢架施工。施工期间，发现H175型钢施工段变形均明显小于I20b型钢钢架施做段，说明H175型钢钢架在抑制变形方面具备优势。同时，钢架施工时，应重点加强各单元之间的连接，钢架接头上下部位采用型钢等连接方式。

④优化超前支护，施作范围扩展至边墙。

⑤注浆加固围岩。在变形至10cm以上时，适时对围岩进行补强注浆，填充初支背后空隙，加固破坏围岩。采用初支预留注浆孔或后设径向钻孔进行,钻孔深度5m。

⑥其他：单层φ8钢筋网及喷射C30混凝土厚30cm；调整预留变形量由设计10～5cm变为40cm。变形段围岩量测数据最大拱顶累计大于设计值，净空收敛最大累计量为16cm，即提前采用加长锚杆及径向注浆加固。如变形不收敛，采取反压土停止掘进。

5 结论和建议

隧道是由围岩和支护结构共同承受荷载的结构体，特别是软岩隧道由于围岩不稳定造成其设计和施工更具有特殊性，其施工技术仍处于不断深化认识和工程实践阶段。成兰铁路松潘隧道遵循“保护围岩、岩变我变，支护宁强勿弱，二衬及早跟进”的原则，充分调动围岩的承载能力，有效控制围岩变形和松弛，取得了良好的施工效果，可为我国同类工程施工提供借鉴与参考。