简谈隧道软岩大变形施工综合控制技术

杨选择

（中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

随着我国铁路建设的快速发展，在山岭地区修建的隧道越来越多，复杂地质条件下隧道修建技术也得到了飞速发展。当隧道穿越高地应力及软弱破碎围岩体时，易产生围岩大变形等相关地质灾害。大变形的危害程度大，处治费用高且方法复杂，若造成大量侵限换拱，既影响施工进度，又浪费施工成本，因此，采取有效的施工综合控制技术解决隧道初期支护变形过大的问题就显得尤为重要。

1 工程概况

磨万铁路富莱隧道全长6 968m，为全线重难点隧道工程，V级围岩超过80%，不良地质为岩溶、断层破碎带、岩爆、软岩大变形、有害气体等。施工过程中多次遭遇软岩大变形、突泥涌水、塌方等工程问题，其中软岩大变形对施工进度、成本影响较大。软岩大变形主要分布在富莱隧道进口工工区和横洞工区，软岩大变形段落通过地层主要为泥岩夹砂岩、泥岩、碳质板岩等地层，发育普巴道山断层（与线路交于D2K130+400附近，该断层为一压扭性逆断层）、会福莱1#断层（与线路交于D2K130+040附近，该断层为普巴道山断层的分支）、会福莱2#断层（与线路交于D2K131+100附近，该断层为普巴道山断层的分支）。

横洞工区正洞小里程开挖30m后因初支变形较大被迫停工改由会富莱进口单口掘进，大里程进入会富莱2#断层影响带期间变形较大，产生局部变形侵限换拱，会富莱隧道进口在通过会富莱1#断层后从D2K130+230开始发生初支较大变形，且部分侵限换拱。为攻克软岩大变形问题，施工单位中铁八局联合北京交通大学开展科研攻关，并多次邀请中铁二院、老中公司及中国铁路总公司专家现场指导，解决软岩大变形的技术难题和施工难题。针对软岩大变形施工控制，提出了在隧道软弱围岩大变形控制中应遵循“多措并举，综合控制”的总体施工控制原则，采取了一系列措施，有效控制了变形，促进工程顺利进行。

2 软岩大变形特征

1）发生大变形段的隧道埋深相对较深，围岩为强度低的软岩类，在结构上岩体具原生结构的特点，不同程度地存在高地应力问题，由于围岩强度低，地应力高、形成了很高的应力强度比。

2）地下水的软化作用在围岩大变形中发挥重要作用，围岩变形破坏的模式主要为塑性流动、弯曲变形。

3）围岩变形量较大，持续时间长，往往表现为初期支护破裂、钢拱架扭曲，侵入隧道限界，二次混凝土衬砌的破裂和剥离、混凝土底板的折断翘等。

典型例子：会富莱隧道进口开挖揭示为炭质泥岩、炭质板岩，属于极软岩，整体性及自稳性差，埋深175m。已经支护的型钢拱架被挤压扭曲，初支砼不规则开裂及剥落，现场监测拱顶下沉最大达45cm，水平收敛最大达148.6cm，初支变形极其严重，造成大量更换初支结构，进度不能保证、安全风险较高、成本投入较大。见图1。

图1 隧道初支变形处理

3 软岩大变形原因及变形等级

3.1 大变形原因

会富莱隧道地处琅勃拉邦地质缝合带，受区域性断裂的影响，测区内主要发育普巴道山断层（该断层为一压扭性逆断层）、会福莱1#断层（该断层为普巴道山断层的分支）、会福莱2#断层（该断层为普巴道山断层的分支）、班会海断裂（该断层为压纽性逆断层）。会福莱隧道大变形段处于碳质板岩、砂岩夹碳质板岩地层，经切割岩样试验，岩石天然单轴抗压强度分别为2.25MPa和3.89MPa，属于极软岩类受普巴山压扭性逆断层及其分支断层影响，岩体高度风化、极度破碎、松散，围岩自稳能力极差，隧道开挖后，围岩出现应力重分布，在洞室四周形成一定厚度的破坏松动范围（经测围岩松动圈大约为5.5m），加之隧道开挖的卸荷作用，在高地应力作用下，使得围岩产生大范围塑性变形，表现为隧道变形随着时间而不断增大，长期无法稳定。地应力构成以水平构造应力为主，造成水平收敛变形比拱顶下沉变形大；受班会海压纽性断层影响，造成已经支护的型钢拱架被挤压扭曲；部分段落地应力不均，造成左右边墙初支不对称收敛变形。

3.2 大变形等级

《铁路隧道设计规范》关于大变分级标准见表1。

表1 铁路隧道的大变形分级标准表

根据地应力测试、岩体强度试验、监控量测分析，会富莱隧道大变形段围岩强度应力比（Rb/σmax）为0.168～0. 218，开挖后位移较大，持续时间长，相对变形量为13.4%～26.6%，流变特征很明显。2019年4月27日，老中公司组织专家现场研究分析确定为Ⅲ级软岩大变形。

4 软岩大变形综合控制措施

4.1 优化开挖断面，加强支护参数

会富莱隧道进口与横洞间剩余正洞段未开挖段落将通过普巴山压扭性逆断层，围岩会更差，变形将更大。根据会富莱隧道进口已经施工段落存在软岩大变形情况，施工单位建议剩余段落调整断面结构形式，并加强支护参数，老中铁路有限公司组织专家会研讨同意中铁二院优化断面和调整支护参数如下：

1）根据收敛变形远大于拱顶下沉变形情况，调整开挖轮廓线，采用椭圆开挖断面，加大初期支护边墙及仰拱曲率，改善受力结构，并考虑现场实际情况二衬内轮廓不变。

2）加强型钢支护，钢架由I18调整为HW175型钢，间距0.6m，钢架内外侧均设置纵向连接钢筋，并在上台阶拱脚处增设工14工字钢作为连接型钢。

3）结合已测松动圈范围，系统锚杆采用长短结合主动强支护，短锚杆L=4m，采用φ22速凝药包锚杆，长锚杆L=8m，采用φ32自进式锚杆，采用快凝早强浆液，初支形成后及时进行径向注浆加固松动圈。

4）小导管超前支护，拱部140°范围设φ42小导管超前支护，环向间距0.4m，每环27根，每根长4.5m，纵向每间距2.4m。

5）提高喷射混凝土强度，由C25喷射混凝土调整为C30喷射混凝土。

6）考虑大变形断落的结构安全，加强二衬结构，厚度加厚，钢筋加强。

原设计断面见图2，优化后断面见图3。

图2 洞身原设计断面图

图3 洞身优化后断面图

原设计开挖断面为马蹄形，优化后的开挖断面为椭圆形，加大了初期支护边墙及仰拱曲率，改善了受力结构，水平收敛变形比拱顶下沉变形大的情况得到改善，通过支护措施的加强，大大提高了隧道抗变形能力。监测数据显示，变形速度及累计变形明显减小，水平收敛与拱顶下沉趋于接近。实践证明，合理的开挖断面和匹配的支护措施，对软弱围岩大变形起到决定性的作用。

4.2 加强预报监测，合理预留变形量

采用物探与钻探相结合的方式，综合分析判断前方及周边围岩情况，提前采取措施。加强监控量测，根据已施工相同地质段落变形监测分析，合理预留变形量。调整断面前，变形预留量从开始的30cm调整至65cm，调整断面和加强措施后，变形大幅减小，调整预留变形量至40cm，后面基本稳定在25cm左右，并根据不对称收敛情况调整左右侧预留变形量。

实际施工中，一方面预留量相对于开挖预留变形量存在偏差，另一方面，在开挖到初支喷射混凝土完成的时段已存在一定变形，加上作业水平的差异，在初支施工作业中难免存在钢架安装偏差和喷射砼厚度偏差，三者的偏差（简称初始修正偏差）难于分别测定，通过采用断面仪扫描量测方法，及时进行初支初始监测并进行换算修正，避免产生误判。隧道存在不对称变形，相对累计变形未发生变化或很小时，由于隧道整体向一侧发生平移，信息平台系统不会自动报警，现场往往是在不对称变形位移已十分明显的情况下目测发现，为此，过程量测通过采用断面仪扫描法，及时准确掌握各测点绝对位移情况，避免产生误判，同时根据不同的变形情况，采用黄、红预警控制，及时采取对应的措施进行过程变形处理控制，抑制变形发展，达到变形不换拱的目的。通过合理预留变形量、控制开挖断面、初始修正和绝对位移监测等，形成一套针对软岩大变形的有效监测方法，结果直观、准确，便于管理人员参考决策。《隧道工程软弱围岩变形监测方法》专利申请已获国家知识产权局受理，申请号为201911302093.2。

4.3 优化工法工艺，卡控关键环节

4.3.1 优化工法工艺

1）采用三台阶快速成环施工方法，做到上、中、下各台阶同时掘进，仰拱初支快速封闭成环，仰拱初支成环达一模仰拱长度后及时施作仰拱衬砌，拱墙二衬紧跟。

2）采用洗挖机非爆开挖，消除爆破振动对围岩的扰动。见图4。

图4 洗挖机非爆开挖照片

3）采用快速注浆工艺，在打钻和立架工序时施作径向注浆，以提高施工效率，减少工序用时。见图5。

图5 锚杆钻机快速注浆施工照片

4.3.2 卡控关键环节

软弱围岩变形不可避免，但可抑制其发展速度和最终变形量，在开挖断面和支护参数一定的情况下，施工过程唯有通过加强重要工序关键环节控制，才能对变形进行有效控制。钢架接头处为初支的薄弱部位，往往发生钢架接头处初支变形较大，甚至发生接头处初支局部侵限换拱，因此，必须加强钢架关键工序质量控制，避免接头处发生局部侵限换拱事件发生。

1）加强台阶面与钢架脚相对高差控制，确保钢架脚比台阶面低20cm，避免钢架脚高于台阶面造成钢架普遍掉脚悬空而加速下沉变形。“隧道钢架脚加强支垫结构”获专利授权，专利号ZL2019 2 2115902.0。

2）通过钢架底脚基础处理和支垫处理控制，提高钢架脚基础承载力，确保钢架脚落在实处，从而抑制初支下沉变形。

3）通过钢架安装测量定位、加工质量验收、安装质量验收，确保钢架安装位置正确，防止钢架安装位置偏差较大导致初支变形前的“假变形”产生。

4）通过钢架连接钢板三面满焊加强控制，减小接头处与其他部位的受力差异，以确保接头薄弱问题得到加强，确保环向初支受力均匀，提高初支整体抗变形能力。

5）通过钢架锁脚锚管安装位置角度控制、灌注浆液充填握裹控制，确保钢架锁脚效果，抑制钢架脚内收和下沉变形，特别是在落台工序转换时有效抑制钢架脚内收和下沉变形的加剧，避免钢架脚变形过快影响下接钢架安装连接质量，同时避免钢架脚变形过快带动其他部位初支加速变形。“隧道型钢钢架锁脚结构”获专利授权，专利号ZL2019 2 2102042.9。

4.4 抑制变形发展，加强二次衬砌

根据监控量测分析预警，及时采取措施可以对变形发展进行抑制，减小变形速率，减小累计变形。变形速率达到红色预警，暂停掌子面掘进，采取注浆加固措施；累计变形量达到橙色预警，进行断面扫描，根据变形情况采取局部注浆加固或全环注浆加固等措施；累计变形达到红色预警，停止掌子面掘进，加快仰拱二衬施工进度，并进行断面扫描，对局部已侵限进行处理，确保二衬厚度。

优化设计后的二衬厚度加厚，钢筋加强，严格按优化设计进行施工，配筋正确，厚度达标，施工过程中加强工艺控制，确保二衬结构施作质量，确保大变形断落的结构安全严格控制安全步距，仰拱衬砌距掌子面的距离不超过35m，拱墙二衬距掌子面的距离不超过70m。

通过采取以上综合措施，有效扼制了变形侵限更换情况的发生，促进隧道施工有序进行，施工进度由最初的平均不足30m/月提高到45m/月以上，且安全有序可控。

5 小结

掌握隧道软弱围岩大变形原因及其变形特征，施工中遵循“多措并举，综合控制”的总体施工控制原则，综合采取“优化开挖断面 ，加强支护措施；加强预报监测，预留合理变形；优化开挖工法、卡控关键环节；抑制变形发展，加强二次衬砌”的施工综合控制技术，就能有效做好隧道软围岩大变形控制，达到变形不换拱，提高隧道施工进度，保证施工及结构安全。