川藏铁路高地应力软岩大变形隧道施工方法分析

2021-04-02吴军国高飞中铁四局集团第二工程有限公司江苏苏州215000

安徽建筑 2021年3期

吴军国，高飞（中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215000）

1 引言

川藏铁路是国家“十三五”重大建设项目计划中的重中之重，是西藏自治区对外运输通道的重要组成部分，是引导产业布局、促进沿线国土开发、整合旅游资源的黄金通道。规划建设川藏铁路对西藏、四川乃至中国西部经济社会发展具有重大而深远的意义。

川藏铁路雅安至林芝段地貌形态主要受青藏高原地貌隆升的影响，总体地势西高东低。为我国地势第二梯度的四川盆地过渡到第三梯度的青藏高原，地势急剧隆升抬起，为典型的“V”形高山峡谷地貌，具有“三高、两强”的典型地质特征，表现为：高烈度地震、高地应力、高地温，强烈发育多样化地质灾害、强烈发育深大断裂，造就了川藏铁路极为复杂的宏观地质环境。高地应力软岩大变形隧道通常具有围岩变形量大、变形速率高、变形持续时间长等特点，部分地段甚至出现初支变形破坏、钢架扭曲、侵限拆换等现象，给设计和施工带来极大的困难。隧道施工中高地应力作用下软岩大变形段的安全、快速、有效治理，一直被誉为“世界性难题”，是决定川藏线建设成败的关键因素。

本文以川藏铁路穿越高地应力软岩地段隧道施工为依托，对不同等级软岩大变形处理措施进行了介绍，本文的研究结论以期为类似工程提供一定的参考价值。

2 工程概况

2.1 工程简介

新建川藏铁路雅安至林芝段位于四川省及西藏自治区境内，线路自既有成雅铁路雅安站引出，向西行经雅安、甘孜、昌都、林芝四市州，止于在建拉林铁路林芝站，新建正线长度1008.41km，其中四川省境内470.61km，西藏自治区境内 537.80km。新建隧道72座837.88km、占线路全长的82.69%，新建10km以上隧道35座728.101km，其中德达隧道、孜拉山隧道、色季拉山隧道、伯舒拉岭隧道、果拉山隧道5座隧道采用TBM法施工（共18台正洞TBM），其余隧道采用钻爆法施工。

2.2 软岩大变形类型

川藏线软岩大变形类型为高地应力松动（散）型、挤压型、结构变形型三种。根据初测阶段地勘资料沿线实测最大水平地应力44.3MPa（埋深780m，高尔寺山隧道），预测隧道最大埋深2100m时，最大可达80MPa。根据初测成果资料初步推测全线38座隧道局部段落存在不同程度软岩变形问题，涉及段落长度约147km，占全线隧道长度的17%，中等及以上软岩大变形段落约66km。

2.3 川藏线软岩大变形特点

2.3.1 区域地质构造发育，隧道地质条件极其复杂

沿线主要通过4个一级构造，12个二级构造。断裂、褶皱密集发育，以深大活动断裂为主控构造。主要有龙门山断裂、澜沧江断裂、怒江断裂3条一级构造边界断裂，甘孜-理塘断裂、金沙江断裂、雅鲁藏布江断裂3条二级构造边界断裂，以及鲜水河断裂、玉龙希断裂、理塘断裂、巴塘断裂、澜沧江断裂、怒江断裂、边坝-洛隆断裂、嘉黎断裂、米林-鲁朗断裂等活动断裂。

图1 川藏铁路构造纲要图

2.3.2 软质岩分布范围广，软岩大变形段落长

千枚岩、板岩、页岩、煤层、蚀变花岗岩、变质砂岩等地层，在高地应力环境下，易发生大变形。川藏铁路沿线隧道所处的地层，上述岩性均有分布且沿线隧道埋深大，地应力高，均具备发生大变形的地质因素。

3 高地应力软岩大变形分级

各级围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形，隧道施工规范、新奥法指南及衬砌标准设计等对各级围岩及各种支护结构都规定有不同的预留变形量以容纳这些变形。一般情况下围岩变形量超过正常规定(20cm)的2倍(即＞40cm)时，可把围岩变形视为大变形。隧道围岩大变形主要发生于低级变质岩、断层破碎带及煤系地层等低强度围岩中。川藏铁路隧道初步设计软岩大变形主要是根据强度应力比和位移变形速率判定。

①强度应力比判定：《铁路挤压性围岩隧道技术规范》进行判识与划分，共分为四级，如表1所示。

软岩大变形经验判据表1

②按变形速率判定（表2）。

按变形速率对围岩变形潜势分级表2

4 高地应力软岩大变形施工关键技术研究

4.1 总体处理原则

川藏铁路软岩大变形隧道施工遵循“主动加固、优化轮廓、强化支护、适时锚固、工法配套”的基本原则。针对不同等级的大变形采用对应的预设计衬砌支护措施，根据围岩揭示情况，结合现场试验、理论分析和工程类比综合确定支护参数。变形控制支护体系要有一定的强度和刚度，合理选择支护时间，容许围岩适度变形，充分发挥和调动围岩的自承能力，初期支护及时施作并形成封闭支护体系。采用信息化施工管理，根据超前地质预报结果、开挖揭示的地质条件、支护结构状态及监控量测成果，及时调整变形等级、支护参数和施工方法。

川藏铁路隧道软岩大变形不同级别防治措施一览表表3

图2 软岩大变形分级措施流程图

4.2 超前加固技术

隧道开挖是释放应力的过程，不同的开挖方法，应力释放的过程及程度也是不同的，支护则是应力控制的方法，不同的支护方法应力控制的过程和程度也是不同的。软岩大变形主要依赖于支护手段控制。当前国内外软岩大变形隧道支护理念主要有及时强支护、多层支护、主动控制支护、联合支护。主动控制支护主要是针对锚杆、锚索以及注浆加固地层（小导管径向注浆、超前小导管注浆等）的锚注支护体系。主动控制支护一方面通过对围岩进行注浆加固，改善围岩物理力学性质，主动控制围岩塑性变形，充分发挥、调动围岩自承载作用；另一方面，注浆浆液充填于围岩的各种裂隙之中，提高了围岩的整体性，有效地阻止了地下水的渗入。

隧道超前加固在发挥围岩自承能力和控制变形上发挥了积极的作用，而高地应力软岩大变形隧道主要是构造应力较大，岩体破碎，掌子面稳定性差，特别是在断层、破碎带、褶皱核部、岩层交界面等地段可能还会受地下水影响，稳定性更差，因此超前加固措施对稳定掌子面为隧道开挖创造条件、隧道施工安全方面至关重要。

4.2.1 超前加固主要措施

川藏铁路高地应力软岩大变形隧道超前预加固以拱部超前小导管为主，极破碎洞段或破碎含水洞段，掌子面稳定性差时，多采用中管棚（大型机械化配套采用9m中管棚设计）。隧道开挖掌子面加固一般采取喷射混凝土封闭为主，必要时采取超前锚杆（玻璃纤维锚杆）、超前注浆等措施确保掌子面的稳定。

图3 帷幕注浆钻孔施工

图4 超前导管支护

图5 掌子面素喷封闭示意图

图6 掌子面锚杆加固示意图

4.2.2 超前加固措施施工控制重点

超前小导管控制重点是注浆质量和搭接长度，管棚控制重点是打设角度、注浆质量和搭接长度，超前注浆控制重点为选择合理注浆方式、适宜的注浆材料和浆液扩散效果。超前注浆、超前管棚、长锚杆等成孔应采用适宜的钻孔设备，满足钻孔长度和孔径需要，确保成孔质量。

4.3 开挖技术

川藏铁路高地应力软岩大变形隧道开挖方法根据工程地质和水文地质条件、开挖断面大小、衬砌类型、隧道埋深、隧道长度、工法转换的难易、机械设备的配置、工期要求及环境制约等因素综合研究确定。对地质条件变化较大的隧道，选用的开挖方法考虑较大的适应性，当需要变更施工方法时，以工序倒换简单和较少影响施工进度为原则，一般不应选用多种施工方法。

4.3.1 开挖工法选择

川藏铁路高地应力软岩大变形隧道施工方法应根据围岩变形等级、断面大小等因素综合确定，选择少扰动、快封闭的施工方法，必要时采取措施稳定掌子面，为大断面开挖创造条件。Ⅰ、Ⅱ级变形段可采用台阶法或全断面法施工；Ⅲ、Ⅳ级变形段宜采用台阶法施工，必要时台阶法可设临时仰拱，控制爆破、弱爆破开挖；条件适宜的软岩隧道开挖采用悬臂掘进机、铣挖机时，应对开挖过程中产生的粉尘进行控制，宜配置吸尘设备。

①全断面法

隧道全断面法施工根据围岩自稳能力控制开挖循环进尺，软岩大变形隧道开挖循环进尺控制在2榀钢架间距内；采用控制爆破、弱爆破，并控制一次同时起爆的炸药量，减小爆破振动对围岩的影响；隧底宜与上部同步施工，实现初期支护尽早封闭成环；宜配置大型专业施工机械设备，提高设备配套水平。

图7 全断面法凿岩台车开挖

②微台阶法

Ⅰ、Ⅱ级软岩大变形段微台阶法（仰拱一次成型）：采用微台阶法施工，下台阶与仰拱一次开挖成型（仰拱深度2.3～3.3m），仰拱及时支护后回填。上台阶长度控制在3～5m；仰拱支护一次不超过3m，与下台阶距离控制在5m左右（设置简易仰拱支护栈桥位置即可），仰拱距离掌子面距离根据现场施工组织安排确定，一般不超过100m。

Ⅲ、Ⅳ级长短锚杆结合软岩大变形段（仰拱后开挖）：一般采用微台阶法施工，下台阶与仰拱分次施工（仰拱深度约3.5～4.5m），上台开挖后及时初喷支护并施作短锚杆；安装上下台拱架支护后及时进行让压长锚杆及预应力锚索施工。上台阶长度控制在3～5m；仰拱开挖一次不超过3m，仰拱应及时封闭，距离下台长度一般控制在20m以内，第二层仰拱初期支护与上、下台同步施工。

4.3.2 机械开挖

隧道Ⅲ、Ⅳ级变形段宜采用机械开挖（铣挖机或悬臂掘进机）施工，减小开挖对围岩的扰动，避免由于爆破振动而造成岩体结构松动、岩石结构局部破裂等不利情况，最大限度地保护岩体原有的自承能力。

①铣挖机开挖

铣挖机主要应用于围岩较破碎至极破碎、围岩强度低于30MPa的隧道。铣挖结构简单，拆装、使用方便，将铣挖头直接替换挖机斗即可使用，实现一机两用。隧道机械开挖可采用破碎锤配合铣挖机开挖，利用铣挖头高速旋转切削岩石，破碎锤处置硬岩夹层，利用高压喷嘴降低开挖粉尘。隧道软弱破碎地段采用机械开挖，有利于减小变形速率，减少挠动。

图8 隧道机械开挖铣挖机

②悬臂掘进机开挖

高地应力软岩大变形隧道软弱破碎围岩采用悬臂掘进机开挖时，开挖方式多采用台阶法施工，悬臂掘进机开挖土体通过下部操盘和两侧的旋转片将开挖岩土拨至掘进机输送带上，输送至掘进机后方卸入自卸汽车车厢，将土石运至弃碴场。

图9 带除尘装置的悬臂掘进机

4.4 支护变形控制技术

4.4.1 组合群锚加固技术

组合群锚围岩加固技术，属于分阶段综合控制法中围岩加固措施，短锚杆施作便捷快速，用于初期变形控制，限制浅部围岩松弛的发展，为长锚杆创造施作时机；长锚杆锚入弹性区，将组合拱支护结构悬吊于深部稳定岩体，使浅部围岩和深部围岩共同作用，协调变形。长短锚杆合理组合，形成群锚效应，可以有效限制隧道围岩的塑性区发展，约束围岩变形速率，保证隧道施工安全。

①强烈（Ⅲ级）

长短锚杆结合，短锚杆为树脂（药包）锚杆（4.0m）+长锚杆让压式锚杆（10.0m），长锚杆在第一层初期支护封闭后施做。为防止隧底隆起，仰拱施做Φ32中空锚杆，锚杆长度10m，采用多功能钻机钻孔。

②极强烈变形（Ⅳ级）

长短锚杆结合，短锚杆为树脂（药包）锚杆（4.0m）+长锚杆让压式锚杆（12.0m）+边墙18m预应力锚索，锚杆间距1.2×0.6m，长锚杆（锚索）均在第一层初期支护封闭后施做。

图10 强烈软岩大变形群锚体系

4.4.2 大刚度支护技术

①早高强钢纤维喷射混凝土施工技术

钢纤维喷混凝土的一个主要特点是提高混凝土的韧性，即在基体混凝土开裂后产生较大塑性变形时仍能保持承载力不明显降低，可适应高地应力软岩隧道大变形情况下的应力释放，具有吸收变形的能力。作为初期支护，控制一定程度的开裂是允许的，而钢纤维混凝土的韧性可以有效地适应和控制围岩一定的变形。

②大刚度双层初期支护技术

强烈及以上（Ⅲ、Ⅳ级）软岩大变形采用双层支护形式，拱架均采用高强度型钢钢架全环支护。锚索及长锚杆均为第一层支护后施做，第二层初期支护施做一般采取集中施工。川藏铁路隧道大型机械化配套施工，拱架安装采用三臂拱架安装机，二层初期支护为减少前方掌子面施工干扰采用多功能支护台架全断面拱架安装（不带仰拱）。仰拱拱架紧随上台支护，施工时需要注意锁脚锚杆施工质量，防止掉拱。

二层初期支护施做时间控制：

①根据初期支护距离掌子面距离确定，一般为3d（单线20m、双线35m）；

②根据变第一层支护变形量确定二次支护时间，一般情况下第一层支护变形达到设计变形量的70%～90%（20～30cm）时施做，仰拱及二次衬砌适时紧跟。

③预设计单线隧道Ⅳ级软岩大变形地段第二层初期支护时间为第一层支护变形50%后施做。

综上，第二层初期支护的设置是容许第一层变形达到一定量对整体支护补强，设置时间建议双控确定，即第一层支护变形量和满足仰拱、衬砌封闭要求的3d，结合现场施工组织，尽量选取小值作为控制标准，一般是在5～7d后施做二层初期支护，也有第一层初期支护施做完成+长锚杆及边墙锚索施做后即刻进行第二层初期支护的施工。

4.4.3 注浆后加固技术

结合Ⅲ、Ⅳ级软岩大变地段围岩后加固处理措施，主要采用围岩径向后注浆加固技术。隧道全环注浆加固采用Φ42钢花管径向注浆加固，钢花管长5.0 m，小导管环向同距1.5m，纵向间距2.5m/环，梅花型布置。注浆材料采用水泥浆，参考配合比水泥：水 =0.5：1～1：1（建议注浓浆，水灰比控制在0.5以内，可采用减水剂增加流动性），注浆压力1～3MPa。

4.4.4 让压支护体系

在围岩大变形过程中，一般要求支护体系能与围岩发生统一的协调变形，这就要求整个初期支护系统中各部分均能发生相应的变形，形成径向和环向的协调同步，采用让压支护体系。让压初期支护系统中锚杆采用让压型，钢支撑与喷层混凝土采用专门设计的让压控制器来实现让压变形。具体实施中有两种方式可实现，第一种为初支系统中钢拱架与喷射混凝土分段与让压控制器连接，二者统一协调变形，在此种方式下，可缩让压组件根据实际需要并结合地质条件等可设计为多个，待支护发挥一定作用，压力达到一定量值后可按设计让压量进行压缩，此时锚杆、钢拱架及喷射混凝土将共同变形；第二种方式为钢拱架与喷混凝土分开独立设置，此时钢拱架即为常规的可缩式钢架，而喷射混凝土则使用让压连接器连接。

图11 让压支护系统

图12 U型可缩式钢架图片

4.4.5 其他初期支护变形控制技术

①钢管混凝土钢架

钢管混凝土拱架是一种承载力高、抗弯、抗变形能力强、安装简易、经济性能好的新型支护形式，在岩性复杂地层中用钢管混凝土拱架代替钢拱架，不仅可以节省钢材降低工程成本，还可以加快施工速度缩短工期。钢管混凝土支架是无缝钢管经中频热煨弯管成型，焊接各种附属件，防锈处理后做成空钢管支架，再经井下灌注混凝土而成。（钢管混凝土支架的突出优点是高支撑力，相同单位用钢量条件下，Φ194×8钢管混凝土支架承载力210吨，36U支架承载力50吨左右，支撑力提高3倍以上，成本仅提高20～50%。中国矿业大学高延法教授）。

图13 钢管混凝土拱架模型及煤矿巷道使用

②围岩综合加固技术

围岩综合加固技术属于大变形处理中主动控制理念，主要采用周边水平高压旋喷桩（直径一般采用φ600～800mm，设置拱部 120范围，外插角 5～10，循环进尺 10～15m）+ 超前大管棚补强注浆+掌子面玻璃纤维锚杆三种大范围围岩加固措施相结合。深孔大范围注浆加固补强隧道周边和掌子面前方的围岩，使掌子面附近早期闭合而控制位移的方法。此方法主要针对特别复杂流塑状软岩大变形隧道可采用围岩综合加固方案，此方法在兰渝铁路桃树坪隧道出口应用，加固后可采用微台阶法（短台阶法开挖），具有机械化程度高、施工安全等优点。

图14 围岩综合加固技术

③超前应力释放法技术

主要有两种，一种是超前小导洞应力释放法；一种是超前钻孔应力释放法。

a.超前小导洞应力释放

采用超前导洞支护加固+二次拆换扩挖，超前导洞一般预超前20m（超前越多应力释放效果越明显）从而实现应以释放，在通过二次拆换周边加固措施控制变形。

b.掌子面大钻孔应力释放

在掌子面打超前大钻孔的方式进行超前应力释放，降低地应力水平，减少围岩变形，从而降低围岩作用于支护系统上的应力。通过超前钻孔的变形，将正洞周围的应力进行释放，使正洞开挖时处于较低的应力状态。正洞开挖时不出现应力集中，避免应力过大而造成变形侵限。通过超前钻孔所探出的岩性，为后续施工进行地质预测预报。一般钻孔直径为200mm的大钻孔，钻孔深度15～30m，应力释放时间1d，钻孔间距1.0m。

图15 小导洞应力释放法

图16 超前钻孔应力释放法

④拱脚补强技术

隧道掌子面和周边围岩稳定有问题的地层中，通常会出现围岩承载力和刚性不足，支护脚部周边出现下沉的情况，造成洞周松弛区域扩大、拱顶作用荷载增加、围岩出现大变形等隧道稳定性显著降低的情况，对此必须对初期支护的脚部围岩进行补强。主要采取临时仰拱、扩大带肋支撑等稳定拱脚的对策和拱脚补强锚杆、拱脚水平支持钢管等增强拱脚承载力的补强措施。

4.5 二次衬砌施工关键技术

川藏铁路高地应力软岩大变形隧道荷载由初期支护和二次衬砌共同承担，隧道二次衬砌结构考虑软岩围岩流变特性，二次衬砌结构施工质量应满足设计强度、刚度和耐久性的要求。二次衬砌结构施工时，由变形等级高的地段向变形等级低的地段延伸加强，延伸长度不宜小于2倍开挖洞径。二次衬砌施作应在隧道围岩和初期支护变形基本稳定后进行施工，变形基本稳定应符合变形速率明显下降并趋于缓和。隧道二次衬砌施工采用整体式带模注浆模板台车，设计分仓布料系统，确保二次衬砌施工质量。

图17 带肋钢支撑拱脚加固措施

图18 长锁脚锚杆（管）

4.5.1 隧道二次衬砌施作时机控制

软岩大变形隧道需及早施作二次衬砌，浇筑“刚强”的二次衬砌结构，与初期支护和加固围岩共同承载，以抵抗余存的变形压力，维护隧道及围岩的整体稳定。为防止二次衬砌承受过大荷载出现结构劣损破坏，根据现场实践及理论分析提出较为严格的隧道二次衬砌施作时间的变形收敛标准，并在实施后的现场观测中，结构受力增加趋于稳定，能够满足二次衬砌安全度的要求，以此判定制定的软岩大变形隧道二次衬砌施作时机的合理性。

4.5.1.1 类似工程二衬施作时机控制标准

①兰武二线乌鞘岭隧道推算变形稳定需3年时间，现场采取的二次衬砌施作时机变形速率为3～5mm/d，二衬加强且采用钢筋混凝土结构；

②兰渝高地应力软岩隧道变形在短时间内很难达到规范要求的稳定值，根据现场实测，二次衬砌施作时机变形速率为1～2mm/d，仍有部分段落很难满足上述控制标准，调整为2～4mm/d。

③拉林铁路令达拿隧道为单线断面软岩大变形隧道，隧道二次衬砌施作时机变形控制标准为小于2mm/d，不能满足要求时，必须采取径向注浆加固、初期支护补强等措施。

4.5.1.2 川藏铁路高地应力软岩大变形隧道二次衬砌施作时机控制标准

川藏铁路高地应力软岩大变形隧道地质复杂，隧址区受板块挤压严重，软岩大变形隧道变形可能持续时间较长。隧道二次衬砌的施作时机对于软岩大变形控制具有非常显著的效果，在施工允许条件下，隧道二次衬砌宜及时施作。但是二次浇筑过早，衬砌所承受的围岩流变压力将非常大，可能破坏二次衬砌结构。为确保施工安全，加快施工进度，川藏铁路高地应力软岩大变形隧道二次衬砌的施作时机尤为重要。

①二次衬砌施作应在初期支护稳定后进行。初期支护稳定标准如下：水平收敛小于0.2mm/d（7天平均值），拱部下沉小于0.15mm/d。

②初支成环1个月仍未达到收敛标准的段落，有条件时可对初期支护进行补强或对围岩进行补注浆加固等措施，降低变形速率。

③特殊地段如围岩流变效应明显段落，当初期支护变形量值已达设计预留变形量的90%以上，变形速率呈明显下降趋势，可通过理论分析预估最大可能变形及可能作用在衬砌上的荷载确定二次衬砌的支护时机及设计参数。

4.5.2 二次衬砌施工技术

二次衬砌施工前采用全站仪（带自动扫描功能或三维全自动扫描仪）对初期支护轮廓进行测量，确保二次衬砌厚度满足设计要求，隧道二次衬砌混凝土浇筑完成后对衬砌混凝土进行养护，养护时间应根据水泥性能确定；根据隧道现场条件、环境温湿度、变形特点、断面尺寸、施工操作等因素综合确定养护方式。

Ⅲ、Ⅳ级软岩大变形段为缓解二次衬砌过早承受较大外部围岩变形压力，在初期支护表面设置应力释放缓冲层时，应力释放缓冲层使支护结构受力后有相对的形变空间，减小或阻断二衬与初支间接触压力，提高二衬混凝土受压时强度，有利于二衬均匀受力，防止应力集中。隧道二次衬砌背后缓冲结构采用高分子聚酯材料，铺设在隧道拱墙初期支护与二次衬砌之间，置于防水板外侧，与隧道初期支护基面密贴，缓冲结构铺设不应侵入二次衬砌净空。