闭合支护体系在兰渝铁路软弱围岩隧道中的应用

张秀良/ZHANG Xiu-liang

(中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

在软弱、膨胀性围岩修建隧道，非但有垂直压力，而且有较大的侧压力和底压力，因此衬砌应采用曲墙带仰拱的结构，形成封闭的整体结构，提高衬砌的承载力[1]。隧道二次衬砌一般是在围岩变形基本稳定后施作，从隧道纵向变形特点看，软弱围岩隧道变形快速增加主要围岩开挖后[2]。因此，软弱围岩隧道实际上是由临时支护与初期支护形成的许多分部的、完整的初期支护闭合支护体系来完成变形控制的。兰渝铁路胡家湾和马家坡隧道在分析软弱围岩大变形机理基础上，有针对性地采取及早、及时封闭岩面、开挖后尽可能短的时间内形成断面闭合体系，及早对围岩提供抗力，取得了较好的大变形控制效果。

1 工程概况

兰渝铁路胡家湾隧道和马家坡隧道典型的软岩地质隧道。隧道穿过的地层主要以断层角砾为主的碎裂结构岩体和上第三系成岩较差的粉细砂岩散体结构岩体。按常规的台阶法施工，出现了拱部下沉大变形和掌子面失稳滑塌等异常现象。

胡家湾隧道全长2 862m，最大埋深420m。隧道穿越临夏-漳县-天水（F1)断层束之f6、f7、f7-1 三个断层破碎带。隧道处于高地应力区。

马家坡隧道全长5 830m，洞身通过的地层以上第三系泥岩夹砂岩（NMS+SS)为主，其中DK114+584～DK115+300 段长716m 为上第三系砂岩。隧道设计为双线，初期支护采用喷锚支护，隧道均采用曲墙带仰拱复合式衬砌[3]。软弱围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级，开挖断面面积为140m2以上。

胡家湾隧道f7 断层破碎带岩性为以炭质页岩为主的断层角砾，灰黑色，受地质构造影响严重，岩体极破碎，呈泥砾状，掌子面普遍渗水，局部有股状水涌出。马家坡隧道上第三系砂岩，粉细粒结构，成岩性差，泥质弱胶结，胶结很差～极差，手捏即碎成散沙，掌子面普遍渗水。含水状态开挖后软化严重，多呈塑性流变状态，强度降低快，稳定性极差，含水多部位约4h 显现失去稳定。

2 施工难点

隧道施工前期均采用三台阶七步开挖法[4]。胡家湾隧道通过以炭质页岩为主的断层破碎带时，隧道出现拱顶下沉大变形，现场量测38d 累计最大沉降量为820mm，初期支护严重侵入二衬限界。马家坡隧道通过上第三系粉细砂岩层，掌子面滑塌失稳现象严重，成洞极为困难。

3 软弱围岩变形原因分析

3.1 地质因素

胡家湾隧道以炭质页岩为原岩的断层角砾变形机理。

1)炭质页岩含有高岭土、石膏、云岩、绿泥石及其它云母矿物等泥质岩，属于含软弱矿物的软岩，其亲水性强，遇水膨胀。

2)赋存于高地应力环境，开挖后地应力得到释放，围岩松弛严重，形成较大塑性区。炭质页岩有明显的蠕变特性。

3)赋存于裂隙水环境，断层破裂岩体结构面填充物遇水进一步泥化、软化，加速其强度流失。

4)开挖后岩面受风化影响，临空面岩体易于崩解。

马家坡隧道上第三系粉细砂岩细颗粒间泥质胶结松散，在水的作用下胶结物由固态变成塑态甚至液态。随着隧道开挖产生临空面，必然使指向临空面的水力梯度增大，所产生的动水压力差使得孔隙水与矿物颗粒之间的胶结强度较弱，在自重应力或侧向压力作用下，粉细砂岩矿物颗粒间的胶结作用基本失效，在水压力作用下出现流沙而失稳。

3.2 施工因素

3.2.1 隧道纵向变形特征

隧道施工引起的纵向围岩变形（图1)分为微小变形区、急剧增大区、缓慢变形区和稳定变形区，其中急剧增大区变形量约占总变形量的50%～60%[5～6]。控制了急剧增大区变形就控制了总的变形值。

图1 隧道围岩纵向变形分区示意图

3.2.2 施工时机延误

掌子面后方区域软弱围岩大变形，具有明显的时空效应[7]。随着掌子面的推进，开挖扰动迅速增大，早期变形不断增大。但随着距离掌子面越远，开挖扰动的影响逐渐减小。因此，软岩围岩变形控制的重点和关键是急剧增大区。因此开挖后要及时实施极其有效的支护，为围岩提供足够的抗力。否则，因施工组织不力，支护不能及时施作，或不能及时形成闭合支护体系，将使围岩松弛区域迅速扩大，进一步恶化软弱围岩条件，变形快速发展。一些大变形发生与支护时机的延误有很大关系。

4 软弱围岩变形控制

4.1 工法选择

不论是具有蠕变特性的胡家湾隧道炭质页岩断层破裂岩还是掌子面易失稳的马家坡隧道上第三系粉细砂层，开挖后都急需支护加以控制，在开挖后尽可能短时间内形成断面闭合支护结构。现场选择了分部开挖分部支护的上台阶临时仰拱和六部CRD 法施工，主要是基于以下因素。

1)从安全成洞角度考虑，完成断面开挖、支护所需时间必须在其围岩自稳时间内，且须在此时间内确保混凝土能发挥一定的承载。

2)对比三台阶法和CRD 法两种计算工况，采用六部CRD 法优于三台阶七步法[8]。六部CRD 法无论从围岩位移、围岩塑性区，还是支护结构受力角度均明显优于三台阶七步法。

3)CRD 法优点：①各部位成环时间短，结构受力均匀，支护刚度大，施工中隧道地面沉降小，易于控制[9]；②由于施工时由大跨度变为小跨度，逐步闭合，各开挖扰动土层范围小，闭合时间短，结构整体很快就会处于较好的受力状态。同时，临时仰拱和中墙也起到了增加结构刚度、抑制结构变形的作用[10]。

4)闭合支护是能最大限度发挥支护支撑作用的结构体系。

4.2 闭合支护体系

4.2.1 上台阶临时仰拱（图2）

图2 上台阶临时仰拱步序图

1)开挖上台阶①部，然后施作①部台阶周边的初期支护Ⅰ和临时仰拱，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度，完成上台阶支护闭合体系。

2)开挖②部，台阶周边部分初喷4cm 厚混凝土，铺设钢筋网，接长钢架，并设锁脚锚杆，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度[11]。

3)在滞后于②部10m 左右，开挖③部，施作隧底仰拱喷混凝土，完成初期支护闭合成环。

4)根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除I18 临时钢架，灌注仰拱与边墙基础。

5)浇筑拱墙二次衬砌混凝土，完成二次衬砌闭合成环。

4.2.2 六部CRD法

1)利用上一循环架立钢架施作隧道超前支护，开挖①部土体，及时施作①部初期支护Ⅰ及临时支护Ⅰ-1，打设钢架锁脚锚管，安设横撑Ⅰ-2，形成①部闭合支护。

2)①部施工至适当距离后，开挖②部，接长钢架，施作②部初期支护Ⅱ及临时支护Ⅱ-1，打设钢架锁脚锚管，安设横撑Ⅱ-2，形成②部闭合支护。

3)滞后适当距离如上步骤，开挖③部、④部土体，施作初期支护Ⅲ、Ⅳ及临时支护Ⅲ-1、Ⅳ-1，形成中台阶以上闭合支护。

4)④部施工至适当距离后，在稳定的上部支护环境下，开挖⑤部，接长钢架，施作⑤部周边初期支护Ⅴ、Ⅴ-1 及临时支护Ⅴ-2，形成⑤部闭合支护。

5)滞后适当距离，开挖⑥部土体，施作⑥部边墙初期支护Ⅵ、Ⅵ-1，形成全断面初期支护闭合成环。

6)浇筑二次衬砌混凝土，完成二次衬砌封闭成环。

图3 六步CRD法施工步序图

5 结语

1)现场通过形成闭合支护，隧道变形控制在25cm 以内，很好地发挥了初期支护结构的约束围岩松弛和过度变形的功能。

2)在不具备全断面施工技术条件下，采取分部开挖、分部支护闭合的施工方法，能够实现Ⅵ级围岩进度22～28m/月，达到了进度上明为慢实为快的目的。

3)软弱围岩隧道大变形具有变形初期变形速率快、变形量值大的特征。在开挖后尽可能短的时间内施作并形成闭合支护，以实现距掌子面尽可能短的距离内变形收敛。

4)对软弱围岩隧道，做好并发挥好闭合支护体系的前提是必须有与地质条件相适合的初期支护和临时支护结构设计。

5)做好闭合支护，还需根据围岩赋存条件，进行必要开挖前降水、开挖后岩面封闭等辅助措施施工。