富水超基性岩蚀变带隧道施工技术研究

李 飞

(中铁十九局集团第二工程有限公司 辽宁辽阳 111000)

1 工程概况

安定隧道位于南溪河站～墨江站区间，处于滇西南地区哀牢山脉，属于构造剥蚀中低山地貌，受构造侵蚀作用，地形起伏大，地表沟谷纵横，十分发育[1]。安定隧道是全线最长隧道，全长17 476 m，为单面上坡，除进口段1.2 km位于曲线外，其余地段均为直线。洞身主要穿越3套地层。一是三叠系路马组(T3lm)以砂岩、泥岩为主；二是志留系中下统(S1-2)以页岩、炭质板岩、炭质泥岩为主。三是燕山期侵入()超基性岩及断层角砾(Fbr)。全隧发育断层20条、向斜2条。

2 侵入岩类型及施工难点分析

2.1 富水地段侵入岩

该段揭示岩性为超基性岩(橄榄岩)和泥岩，橄榄岩为橄榄色，粗粒结构，含黑色云母片，块状构造，受构造影响岩体破碎，呈碎块、角砾状，部分呈块状结构；泥岩为灰绿色，呈土块状，粘性强、表面光滑，用手可搓成条，遇水极易软化变形，主要分布于左侧和右侧拱部开挖轮廓线附近[2]。围岩整体强度低，软弱，自稳性差，呈角砾、碎石状松散富水结构，开挖易坍塌或大变形。拱部脱空，初期支护收敛变形明显。具体形态见图1。

图1 富水地段的侵入岩

2.2 侵入岩与砂岩接触带

安定隧道九甲安定断裂处埋深350 m，小里程端为三叠系地层，以砂岩、泥岩为主，围岩相对隔水；大里程为燕山期超基性岩地层[3]，以蚀变的橄榄岩、蛇纹岩为主，软弱富水；在施工至此断裂带时，出现承压水，水压大于2 MPa，水平射距超过30 m。通过流量计显示水流量达1 800m3/h，水质浑浊，含泥沙量大。图2为承压水喷出时照片。

图2 承压水通过超前钻孔喷出

2.3 难点分析

断层破碎带发育，断层与断层、断层与向斜交叉相汇，受地质构造影响围岩富水、软弱、破碎、稳定性差，掌子面开挖后溜塌、涌水、涌泥现象明显，危险性大；初期支护难封闭且时间长，初支封闭后变形控制难度大；钢架出现扭曲、折断、错位断开、初支开裂掉块、侵限等现象，造成初支拆换，现场施工缓慢，工期要求难以满足。

3 关键施工技术

3.1 多种方式的超前地质预报措施

采用TSP、瞬变电磁、雷达、超前水平钻孔、加深炮孔、地质素描等多种超前地质预报进行综合判识[4]，最终由专业地质人员形成综合报告，判断前方围岩的情况，根据预判围岩情况制定针对性支护措施。

3.2 超前支护施工

施作φ76超前管棚+φ42小导管密排施工的预加固措施，保证围岩的稳定性，管棚纵向搭接长度不小于3 m，小导管搭接长度不小于1.5 m，钻孔由中间向两边，跳孔施工，注浆由两边向中间施作[5]。

3.3 微台阶法施工

微台阶施工工法，将整个断面分为三级台阶，每级台阶长度控制在5 m左右，台阶高度控制在3.5 m以内，利用台阶形成的高差，使得隧道内的空间得到充分利用。仰拱初期支护紧跟下台阶，使初期支护在最短时间内封闭成环。大大提高了开挖支护作业效率、降低了开挖支护与仰拱、二衬的施工干扰，减少围岩的收敛、沉降变形。上台阶开挖后将渣土扒至下台阶，后上台阶立钢架与下台阶出渣同时进行，下台阶立钢架与上台阶超前支护同步施工，上下台阶形成平行作业，实现了快挖、快支和快速封闭成环[6]。使得软弱围岩隧道实现快挖、快支、快封闭，不仅能够有效抑制工艺性变形、最大限度减少结构性变形，而且还能大幅提升软岩隧道的施工工效，取得较好施工效果。图3为微台阶法施工纵断面图。

图3 微台阶法施工纵断面图

3.4 喷射混凝土封闭掌子面

蛇纹岩地段和蚀变带富水地段，掌子面开挖完毕后极易溜塌。为了保证掌子面在有效的工作时间内保持稳定，采用喷射混凝土进行封闭掌子面，来延长围岩的自稳时间；利用有效的稳定时间，对初支进行快速封闭，减少溜坍事故发生，加快施工进度，保证安全[7]。

3.5 双层钢架跳段锁定、等刚度初期支护参数优化

为控制好初支的收敛、沉降，避免出现初支侵限，也避免出现初支变形后进行增加套拱加强支护，再进行拆卸；施工期间采用双层钢架(全环 25b+20b型钢钢架)强支护跳段锁定来保证软岩地段的初支稳定性(见图4)。第二层钢架在上台阶完成架设，与第一层初支间距控制在5 m范围内。有效控制了围岩的收敛、沉降，避免出现初支侵限拆换[8]。

图4 双层钢架加强支护

钢架间距根据开挖进尺及时调整，保证钢架密贴掌子面，延长掌子面的稳定时间，缩短循环时间，加快施工进度。

3.6 φ76大锁脚可有效控制收敛

软岩地段初期支护极易收敛，收敛后初支跟随下沉，造成初支侵限。为避免初支收敛过大，采用大型号锁脚锚管进行控制初支变形(将原设计4.5 m长φ42锁脚锚管调整为5～6 m长φ76钢管)；初支的收敛、沉降变形，得到了明显的控制[9]。

3.7 加大预留变形量

为了避免初支变形，造成侵限换拱，我们采取了多种联合方法治理，其中加大预留变形量，延长变形时间，就是其中一项，预留充足的变形空间和变形时间。现场实际施工时根据围岩变形情况预留量调整到30～70 cm不等。

3.8 应力值的测设

针对可收缩钢架、双层钢拱架、锚杆等支护措施的特点和适应性，采用数值分析方法，研究不同支护结构形式的受力特征，分析初期支护刚度、厚度、锚杆长度及布置方式、钢拱架刚度及间距对围岩变形和稳定性的影响；建立侵入岩蚀变带围岩-支护体系相互作用力学模型，研究隧道结构荷载分布形式及受力模式[10]；分析二衬结构应力、应变规律，探明衬砌结构应力传递过程中裂纹产生和发展规律，确定衬砌结构受力特征、破坏模式及极限承载力，结合现场实测数据，各项目监测频率见表1，优化二衬结构参数。形成大变形地段合理支护结构体系。图5为隧道横断面测点布置。

图5 隧道横断面测点布置

表1 各项目监测频率

3.9 监控量测

监控量测点纵向间距3～5 m，每个断面埋设5个监控量测标，通过监控量测数据反映围岩变形情况，与应力值进行对比。针对应力值大、监控量测变形明显部位制定支护方案进行加强处理[11]。

3.10 分水降压与辅助坑道风险防范

由于隧道施工中地下水十分发育，围岩软弱，初支变形严重，且隧道施工大部分为反坡段，掌子面受水浸泡后软塑现象十分明显，造成掌子面溜塌、变形现象频繁发生，带水作业十分困难，为后期施工增加了很大难度，造成施工效率极低。为了有效提高隧道内的施工效率，通过平行导坑进行分水降压，平行导坑采用单车道5 m×6 m曲墙式断面，与正洞之间距离大于30 m，加以辅助坑道进行风险防范，有效保证了施工掌子面的安全，也大大提高正洞掌子面施工效率[12]。

4 结束语

本文以实际工程为背景，通过改变施工工法，加强监测，喷射混凝土封闭掌子面、超前管棚、大锁脚、双层钢架跳段锁定、等刚度初期支护参数优化、加大预留沉降量、分水降压与辅助坑道风险防范等多项技术综合应用，成功解决了隧道在超基性岩蚀变后，遇水软塑难施工的问题，取得了良好的效果，也为同类地质条件的地下工程施工提供借鉴。