富水破碎岩层隧道变形原因及控制措施研究

魏红涛

x摘要：在隧道围岩破碎且富水的情况下，隧道施工存在顺层滑塌、塌方、支护变形侵限等诸多难点。由中铁十五局集团承担施工任务的玉磨铁路曼勒一号隧道存在上述施工难题，为了减少隧道施工中的塌方次数、抑制支护变形，在施工中采用了泄水引排、超前支护、控制施工等控制措施。通过对监控量测数据的分析，检验上述施工措施的有效性。实践证明，上述施工措施在提高围岩富水且破碎带的施工效率上是有效的。

Abstract： Under the condition that the surrounding rock of tunnel is broken and water is abundant， there are many difficulties in tunnel construction， such as bedding collapse， collapse， deformation and invasion of support. In order to reduce the times of tunnel collapse and restrain the deformation of support， the control measures such as drainage and drainage， advanced support and construction control are adopted. Through the analysis of the monitoring data， the effectiveness of the above construction measures is tested. Practice has proved that the above construction measures are effective in improving the construction efficiency of water-rich and broken zone in surrounding rock.

关键词：富水破碎带;变形控制;推进式施工;落底施工

Key words： water-rich fracture zone;deformation control;propulsive construction;bottom drop construction

中图分类号：U455                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）16-0096-03

1  工程概况

曼勒一号隧道位于滇南地区勐腊县境内勐远～曼勒区间，全长8280m，最大埋深600m。地层岩性主要砂岩夹泥岩、页岩，围岩中厚～厚层状，受区域地质构造影响，岩体结构面发育，结构面间结合程度差，此外，围岩局部存在软弱夹层，故岩体整体破碎;另一方面，地下水类型为基岩裂隙水且发育，开挖后，拱部地下水呈淋雨状，掌子面及后方初支处多处可见地下水呈线状，受地下水发育的影响，前述围岩遇水易软化、易崩解。该段原设计为Ⅲ、Ⅳ级围岩，现阶段施工中，已多次出现顺层滑塌、塌方，支护变形等施工难题。

2  富水破碎围岩隧道的工程现状

在地层岩性及地下水共同影响下，曼勒一号隧道掌子面开挖后围岩自稳时间短，甚至开挖后根本无法自稳;受岩层产状等因素共同影响，地下水主要赋存形成为基岩裂隙水，掌子面开挖后，地下水不是集中流出，而是以分散水的形式从裂隙中流出，施工时若施工方法不当或支护不强，围岩和支护结构极易发生变形，如掌子面溜塌、侧壁开挖施工中局部掉块抑或塌方事故（见图1掌子面溜塌、富水， 见图2初期支护开裂、变形）。

根据现阶段，富水破碎围岩施工现状，该段发生溜塌或大变形的段落，发生在掌子面位置或掌子面后方15～30m处。具体表现形式如下：

2.1 变形数值大，变形速率快

掌子面开挖后，拱顶沉降和水平位移的变化率较大，水平收敛量是拱顶下沉量的三倍左右，隧道挤压性显著。围岩30d周边累计收敛473mm，最大变形率46mm/d，致使初期支护侵限（见图3拱顶沉降速率、拱顶累计沉降量变化曲线，见图4水平收敛速率变化曲线）。

2.2 变形不均匀、造成局部侵限

由于两侧边墙为围岩产状不同，导致两侧初支受力不均匀，在同一断面上，水平收敛明显大于拱顶下沉，B、C单元部分钢架侵入二次衬砌。

3  变形原因

3.1 地質因素

首先，开挖揭示该段围岩岩性为砂岩夹泥岩、页岩，弱风化带（W2），局部夹软弱层，该套岩层在遇水并风化的条件下，岩体快速软化崩解[1]，故岩体开挖后自稳时间短或无法自稳;其次，岩层层理不清晰，岩体破碎，结构面较发育，层间结合程度差;然后地下水发育，拱顶可见淋雨状渗水，掌子面及后方初支多处可见地下水呈线状、淋雨状流出，故变形数值大，变形速率快。再次，围岩产状与隧道轴线结合方式不相同的情况下，围岩对隧道支护结构的载荷程度不同[2]，本隧道在该里程上，围岩产状变化频繁，隧道左右两侧边墙支护结构对不同产状围岩的的受力程度不同或相同产状围岩因支护结构所在位置的不同，因此，不同里程上，隧道左右两侧收敛变形速率及总变形量均有差别[3]。

3.2 勘察设计缺陷

曼勒一号隧道目前开挖揭示的岩层，围岩破碎且富水，但原设计为Ⅲ、Ⅳ级围岩，实际围岩级别为Ⅴ级，故施工中采用的原设计支护结构不足以抵抗围岩变形，致使初支结构多处侵限。

3.3 施工因素

①开挖支护封闭不及时，为富水破碎岩继续风化提供空间和时间条件。不能以环状结构体系参与受力，未充分发挥环状支护结构的承载能力。

②作业人员对隧道围岩条件的变化情况及复杂性认识不足，支护措施不到位或针对性不强。这当中有勘测设计不全面的问题，也有施工方面的原因，出现问题如能果断有针对性采取应变加强措施，也可防止事故或减小损失。

4  施工控制措施

针对曼勒一号隧道地层岩性及地下水发育状况，为了减少隧道施工中的塌方次数、抑制支护变形等，中铁十五局集团玉磨铁路项目部组织人员详细研判了地层岩性、分析了监控量测数据，并试验了多种支护措施，以抑制支护结构及围岩变形。

4.1 施工总体思路

针对该段富水破碎围岩的特性，隧道施工中须遵循“早预报、管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤测量”的施工原则[4]，故在该段富水破碎围岩施工中，制定了“泄水引排，超前支护，控制进尺”等措施。

4.2 富水破碎围岩变形控制技术

富水破碎围岩施工的核心技术就是在保证开挖施工的同时，控制围岩或支护变形及坍塌。具体控制措施：

4.2.1 超前预报

首先，针对该段地层岩性较为复杂的实际情况，提前掌握掌子面前方岩体完整程度等信息，当超前地质预报所描述的围岩等级与原设计不符时，有针对性的加强支护措施。其次，为了提高超前地质预报的准确性[5]，该段施工采用地质围岩分析为基础，各类预报措施（物探预报、钻探预报、电法预报）相互结合验证并综合评判，以提高预报的准确性;再次，针对该段岩性及水文现状，增加了瞬变电磁的预报措施。

4.2.2 泄水引排

针对该段地下水发育无明显规律可循的特点，首先，采用瞬变电磁对该段地下水较为集中位置做初步探测[6]，然后针对地下水赋存的深度，施做入岩角度不同及深度适当的泄水孔，泄水孔孔径Φ110mm。

为了减缓开挖后临空面的围岩风化并将前述的散水集中引排，开挖作业完成排险后，立即对围岩裸露面施作喷射混凝土，混凝土厚8cm。

在钢拱架及喷射混凝土等初支施工中，对局部存在裂隙股状水处埋设Φ60mm波纹管进行引排（见图5裂隙股水引排示意图）。

4.3 超前支护

为了抑制开挖后，拱顶的沉降，对原设计的超前支护措施加强，具体方法如下：拱部设置Φ89大管棚超前预支护[7]，管棚纵向间距6m，管棚范围由原设计的拱部120°调整为180°范围，长9m/根，环向间距40cm，29根/环，开挖前在管棚之间增设单排Φ42×4mm小导管作为超前支护补强，纵向间距2.4m，长4.5m/根，28根/环;大外插小导管外插角10°～15°，小外插角大管棚外插角1°～3°，施工时可根据现场实际情况作调整。针对现阶段施工中，地下水发育的现状，对前述大管棚及小导管注浆材料及注浆工艺做如下专项设计：

①注浆材料：水泥-水玻璃双液浆或水泥浆液（水量大处采用双液浆，水量相对较小处采用水泥浆）;

②水泥：P.O42.5;水玻璃：波美度Be=40;水泥浆：水玻璃浆液=1：0.8;水泥浆水灰比=0.5～0.8：1;

③注浆压力：初压0.5～1.0MPa，终压1.5～2.0MPa;

④注浆前应先在现场进行注浆试验，通过现场注浆试验来确定注浆参数并结合实际情况，以保证现场施工。

4.4 控制施工

为减小大爆破施工对围岩的扰动，该段施工中的开挖及支护施工均做了专项设计，具体措施如下：

①控制开挖进尺，减少施工扰动。该段总体施工设计开挖采用三台阶法[8]施工：上台阶高度控制为2.8～3.3m，长度为5～7m，中台阶高度控制为2.8～3.3m，长度为5～7m，下台階高度为2.5～2.8m。采用机械配合人工的开挖法施工，避免爆破震动影响;同时控制上、中、下台阶开挖进尺，上台阶每循环0.6m，中、下台阶每循环开挖进尺不得大于2榀拱架，并严格控制中、下台阶不允许对称开挖，必须左右侧错开不少于3榀且不少于2.4m，特别地，为了避免初期支护长时间暴露而引起的累计变形量过大，该段采用“推进式”施工，其核心要点是掌子面掘进的后方工序优先，用后方工序“压迫”掌子面推进。为达到推进式施工的目的，上中下三台阶同步掘进。该工法使各部开挖及支护自上而下分成三个小单元进行开挖，缩小开挖断面，减少隧道围岩变形。

②加强支护，控制落底。根据围岩累计变形量及仰拱二衬施工进度，实际施工中，因受初支收敛变形量的影响，采取了“以空间换时间”的方式，预留变形量调整为40cm[9]。

为了加强支护结构对围岩变形的承载力，对支护结构做如下的加强措施：钢架采用I20工字钢，原设计边墙的Φ22砂浆锚杆变更为Φ42径向注浆小导管，间距1.2m×1.0m（环×纵），单根长3m，注浆工艺同前述超前支护处。

为了防止中下台阶施工中拱架短时间悬空造成的坍塌等事故，该段采取控制落底[10]措施，具体工法如下：每榀钢架增加8根锁脚锚管，两侧采用Φ42×4mm小导管，每根长度由4m调整为4.5m，于上下台阶钢架接头处各设置2根，并施作临时横撑（I18工字钢）加强，纵向每两榀设置一处。拱脚30cm范围采用风镐进行开挖，拱架底垫16mm钢垫板落地，加强锁脚锚管的施工质量控制，锚管斜向下20角度[11]（施工过程中锁脚锚管的设置角度和方向应结合岩层倾角及走向、节理发育方向等进行适当地调整），用两根“L型”钢筋（Ф22螺纹钢）与钢架焊接牢固并严格注浆。

③监控量测：主要进行拱顶下沉和水平收敛检测，并对量测数据进行回归分析。建立等级管理、信息反馈制度，负责及时将监控量测信息反馈指导施工及加强或减弱支护措施的依據。

根据《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR 9218-2015）要求，曼勒一号隧道施工过程中拱顶下沉、净空变化监测测点应布置在同一断面上，从DK448+718里程处开始，按Ⅴ级围岩断面3m/道布设围岩变形监控量测点并适当加密，里程分别为DK448+718、+721、+724、+727、+730、+733（共6组），沉降和收敛在规范允许范围内。

为更好的掌握隧道开挖后初支变形的具体情况，先初测监控量测断面中各测点的绝对坐标位移变化值，按X. Y.Z轴方向的三维坐标值获得初始读数并记录，对数据进行对比分析，及时绘制各断面初支累计沉降、收敛及变形速率的时程曲线图。

5  结束语

根据曼勒一号隧道现场施工和监控量测反馈的实际情况，目前施工现场采取的控制措施使得围岩及支护变形得到有效控制，且坍塌等施工事故频率明显降低。通过施工工法的调整及施工组织的改进，目前该隧道掘进平稳，平均进度为0.6m/d，此进度在现阶段仍需进一步提高，后续施工施工中，根据监控量测及超前地质预报结果，不断优化前述的支护加强控制措施及控制落底措施。

参考文献：

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[2]赵作富，陈建，胡国军，罗建辉.岩层倾角与隧道走向间关系对大断面隧道围岩稳定性的影响[J].公路与汽运，2014（05）：190-194.

[3]郭健，阳军生，陈维，沈东，刘涛，柴文勇.基于现场实测的炭质板岩隧道围岩大变形与衬砌受力特征研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（04）：832-841.

[4]孟凡军.复杂地质条件下铁路隧道施工技术研究[D].西南交通大学，2007.

[5]涂孝波，易萍华，陈亮.综合超前地质预报技术在铜盘山隧道中的应用[J].重庆建筑，2019，18（04）：54-57.

[6]江球.煤层火烧区富水性瞬变电磁法探测研究[D].长安大学，2018.

[7]王炳智.软弱围岩隧道管棚超前预支护技术研究[D].重庆交通大学，2018.

[8]胡守云，吴廷尧.三明铁路隧道三台阶法开挖施工围岩变形特征研究[J].施工技术，2016，45（19）：86-90.

[9]王华松.炭质页岩隧道大变形原因及应对措施研究[J].铁道建筑技术，2018（03）：70-72.

[10]张洪生.杏子山隧道软弱围岩大变形控制技术研究[J].价值工程，2019，38（10）：145-147.

[11]王永春.顺层偏压隧道极软岩综合施工技术研究[J].铁道建筑技术，2018（03）：66-69，85.