深埋单线铁路隧道软岩大变形快速施工技术

蔡晓瑞

（中铁十六局集团第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000）

1 工程概况

新建丽香线南起丽江站，北至香格里拉，为国铁I 级单线电气化铁路，设计时速160km/h，建设工期6 年。线路全长139.666km，隧道20 座/92.5km，桥梁32 座/9.4km，路基37.76km，桥隧占比73%。丽香铁路处于新构造运动强烈、应力集中度高、多期岩浆侵入的地质环境中，地质构造复杂多变，活动断裂发育，新构造运动十分强烈，受褶皱、断裂及岩浆侵入活动的影响，岩体整体性多遭受严重的破坏，岩体松散破碎，自稳能力差。根据应力测试资料，区内水平地应力值一般较大，勘测阶段地表深孔实测地应力16.11～27.79MPa，施工阶段洞内实测最大地应力5.16～12.70MPa，线路走向与区域构造线大致平行，最大主应力近似垂直于线路走向，且顺层偏压问题较为突出，这对隧道边墙的稳定性十分不利。玄武岩夹凝灰岩、炭质页岩、板岩等岩质较软，遇水易软化，岩体力学指标急剧降低，导致隧道开挖后收敛变形明显，累计变形最大收敛100.3cm，长坪、白岩子、圆宝山等隧道初支大变形、严重侵限。

其中白岩子隧道进口紧邻海巴洛大桥香格里拉端桥台，出口紧邻螺蛳湾三线中桥丽江端桥台，进口里程D1K61+600，出口里程为D1K65+683，全长4083m，隧道最大埋深约680m。

从围岩性质看，白岩子隧道围岩岩体属于强风化沉积岩，岩体破碎，褶皱发育，存在明显的顺层偏压，且层理倾向多变，控制难度大，围岩受开挖扰动影响大，松动圈达到5～6m，导致围岩出现大变形，且表现出塑性和流变性质。

从开挖工法看，白岩子隧道采用三台阶法施工，围岩受开挖扰动次数多，刚架连接差，初期支护封闭周期长，支护结构的承载力低，未形成对围岩的有效支护。

从隧道断面形状看，单线铁路隧道高跨比相对较大（约1.4），且边墙采用直墙结构，不利于水平收敛控制。据监控量测成果数据分析，各隧道洞内初期支护变形大多表现为水平收敛较大，拱顶下沉量较小，且变形速率突变多发生于工序变换时（开挖下台阶或仰拱）。

2 两台阶带仰拱同步开挖工法简介

根据新奥法的理念，隧道支护体系设计的关键技术在于充分发挥围岩自身承载力，必须考虑支护结构与围岩的相互作用，深埋软岩隧道存储的弹性势能高，一方面要允许围岩产生一定程度的塑性变形释放能量；另一方面避免围岩进入松动状态，需要及时提供有效的支护阻力。

针对白岩子隧道前期施工存在的大变形问题，分析认为，三台阶法开挖闭合时间长，尤其是仰拱单独挖作为一个步序，导致初期支护闭合周期长，不能及时阻止变形的发展，变形发生后，导致钢拱架闭合困难，结构受几何非线性影响显著，换拱频繁，并存在同一位置多次换拱情况，作业人员士气低落，进度缓慢。

结合白岩子隧道的工程地质和水文地质情况，通过分析监控量测的数据，研究围岩变形规律的时空效应，提出两台阶带仰拱同步开挖工法。具体工法流程为：上下台阶带仰拱同时钻眼、爆破→通风、排险→扒碴→进行上台阶初支、下台阶出碴→进行上台阶超前支护、下台阶立架→喷混凝土。

两台阶带仰拱同步开挖工法的上台阶高4.3m，下台阶高4.5m，台阶长度4～6m。该工法具有以下优点：（1）实现上下台阶同时开挖，同步支护，短进尺、快循环，各工序紧凑，施工进度快；（2）实现下台阶带仰拱开挖，快速施工，仰拱初支紧跟掌子面，初期支护成环早；（3）采用同步爆破、扒渣，有利于隧道结构稳定，避免多次爆破对周边围岩的扰动；（4）台阶短利于仰拱二衬紧跟，保证施工安全步距。

3 工法要点

（1）优化工序，平行作业。利用掌子面打钻时间施作锚杆，利用掌子面打超前锁脚时间进行锚杆注浆，上导立架、下导出渣；下导立架、上导施作超前锁脚。实现上台阶和下台阶（含仰拱）平行同步作业。

（2）快速封闭。两台阶带仰拱同步开挖工法初支封闭快，成环早，钢架连接质量好，二衬仰拱跟进时间短，有效控制变形、避免坍方，杜绝初支侵限换拱现象，安全风险降低。

（3）加强支护、狠抓落实。加密超前导管，控制软弱变形围岩超挖、防止大面积溜坍；拱架间采用工字钢相连接，整体受力；双排锁脚抑制收敛变形，下导拱架加密超前导管防止垮塌[1]。

边墙及拱部打设自进式长锚杆，锚杆直径32mm，每孔打设3 根锚杆共计长度6～7.5m，注浆强度达到设计要求加设槽钢后安装锚垫板，确保对支护结构和围岩的约束。锚杆注浆料采用3%的早强剂、10%的膨胀剂、87%的水泥配制胶凝材料，然后按水胶比0.3 进行搅拌，确保锚固效果。

（4）增加配制、提高效率。增加掌子面施工作业人员，提高效率，加快作业时间；合理增加机械设备，并配制专业维修队，定期保养、维修，确保施工中机械设备性能良好。表1 为两台阶带仰拱同步开挖工法设备配置情况。

表1 设备配置

采用DCM2-90 履带式隧道锚杆台车、卡特格兰地C6 钻机等设备适应隧道不同位置和高度的施工，实现多孔径钻孔作业，两钻臂同时作业，提高施工效率高。湿喷机械手确保喷射混凝土的质量，减小落浆回弹量，并提高对施工人员的健康防护。采用新的工法后，循环时间大幅度缩短，V 级软弱大变形隧道由22h 缩短至15h 工效提升近1/3，月进尺由35m 左右提高到月进尺最高85m，月进尺增长142.8%。

（5）重视超前地质预报。现场时常会遇到实际开挖揭示地质与设计提供的地质存在较大差异，因此，施工阶段的超前地质预报工作尤为重要。充分利用超前水平探孔、地质雷达、红外探水、TSP 等超前预报手段，探明前方实际围岩情况，确保施工安全。

（6）强化量测。监控量测是软弱围岩隧道安全施工的“眼睛”，是判断结构稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工“最重要”的信息化手段，加强围岩观测，数据及时反馈，通过量测数据指导现场施工，动态调整现场支护措施。

4 结束语

综上所述，本文针对深埋软岩单线铁路隧道大变形的问题，结合具体工程，开展两台阶带仰拱同步开挖工法的应用，取得了良好的施工效果，可为今后的类似工程提供借鉴。