基于台阶法的软岩大变形隧道施工技术分析

郑 超

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

软岩大变形隧道施工难度非常大，且影响施工和安全的因素比较多，目前国内外在软岩大变形隧道施工中，大多采取先加固，再支护，最后开挖的方法[1]。此种施工方法虽然也可以保证施工质量，但耗时长，成本高，经济效益不高，难以满足现代化隧道工程施工的要求。根据软岩大变形程度，选择合适的台阶开挖方法，可有效解决传统施工技术存在的弊端和不足[2]，既能为隧道开挖施工营造一个安全稳定的平台，又能有比较高的施工效率，可按期完成施工任务，在保证施工质量和安全的基础上，获得更大的经济效益。基于此，开展基于台阶法的软岩大变形隧道施工技术研究就显得尤为必要。

1 工程概述

拉林铁路，新建正线长度403.14 km，正线桥隧总长300.853 km，占线路长度的74.63%。其中，隧道47座,共216.436 km，占线路长度的53.69%。江木拉隧道位于青藏高原东南部朗县境内，隧道进口里程D1K268+625，出口里程D1K277+335，全长8 700 m，均为单线隧道，隧道最大埋深1 492.5 m。隧址区位于青藏高原东南部朗县右侧雅鲁藏布江大转弯形成的夹块地带，属于冈底斯山与念青唐古拉山、喜马拉雅山之间的藏南谷地。隧道最大埋深约1 493 m。其中Ⅱ级围岩1 335 m，Ⅲ级围岩4 975 m，Ⅳ级围岩1 310 m，Ⅴ级围岩1 080 m。线路纵坡分别为3.0/4 070，-9.0/400,-10.0/3 200,-6.0/1 411.555的人字坡，隧道进口端1 908.345 m位于直线上，洞身3 101.403 m位于R=10 000 m的右偏曲线上，出口端3 690.252 m位于直线上。江木拉隧道洞身工程地质纵断面示意图见图1。

图1 江木拉隧道洞身工程地质纵断面示意图

江木拉隧道实际软岩大变形发生在D1K270+170～D1K270+718段，共计长548 m。其中，轻微大变形段长296 m，占软岩变形段总长约54%；中等大变形段长146 m，占软岩变形段总长约26.6%；严重大变形段长106 m，占软岩变形段总长约19.4%。本段开挖揭示围岩岩性为千枚岩、板岩，强风化，受区域雅鲁藏布江断裂带(F1-5)等地质构造影响极严重，节理很发育，褶曲发育，受构造挤压作用明显，岩体层理较紊乱，岩体整体呈破碎～极破碎状。尤其D1K270+390～D1K270+642段，围岩炭质含量相对较高，局部段落围岩裂隙水发育，开挖后围岩自稳性差，成粉状，无粘结力，且围岩遇水易软化，具塑性变形特性。根据现场确认情况，对本段软岩大变形等级进行统计，详情见表1。

表1 江木拉隧道软岩大变形实际发生段落统计表

2 超前地质预报

就江木拉隧道而言，埋深大，围岩结构复杂，需要做好工程现场勘查工作，及时找到工程现场存在的各种问题，预防地质灾害等风险，保证后续施工安全，需开展全方位的超前地质预报。在实际预报中，涉及的内容有对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的地层岩性预报分析，对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的地质结构预报，以及对坑洞、瓦斯等发育情况的不良地质评估预报和地下水发育情况的预报等。要想确保超前地质预报结果的有效性，在本工程施工建设中，以地质调查为重点，通过各种现代化的超前地质预报方式，实现全面预报，可探知掌子面前方围岩破碎程度及地下水发育情况，为台阶法隧道施工提供了全面详细的地质水文条件数据。综合超前地质预报配套模式图见图2。

图2 综合超前地质预报配套模式示意图

对预报获得的地质资料数据进行综合判断分析，并编制地质综合分析成果报告，结合施工单位反馈的开挖情况进行对比验证，建立起围岩变化对比分析表，进行定期分析，以保证超前地质预报的准确性。

3 基于台阶法的软岩大变形隧道施工技术应用要点

3.1施工方法和工艺的确定

在本工程基于台阶法的软岩大变形隧道施工中，采取了加强超前预报、超前支护，优化开挖工法，强化初期支护，勤支护早封闭，加大预留变形量，弱爆破或机械开挖等综合措施，以减少对隧道岩石的扰动，有效控制变形量[3]。大变形段变形程度不同，采取的施工工法也不相同，比如在轻微大变形采取了“台阶法+临时横撑法”施工工法，而在中等大变形、严重大变形段采用“三台阶法+临时横撑法”施工工法，具体的软岩大变形隧道施工工序见图3。

图3 软岩大变形施工工序流程图

3.2 选择合适的支护措施

本工程软岩变形复杂，不同施工段，软岩的变形程度也不相同，这就大大提升了支护的难度，需要结合软岩大变形的程度，采取不同的支护措施，才能更好保证施工的安全性和质量。为解决这一问题，本工程在施工中采取了如下支护措施。

3.2.1 超前支护

图4 严重大变形段支护断面图(mm)

3.2.2 变形量预留

轻微大变形段变形量预留为拱墙20 cm；中等大变形段为拱墙30 cm；严重大变形段为一支拱墙40 cm，二支拱墙20 cm。

3.2.3 初期支护

3.2.4 二次衬砌

3.3 施工工况分析

结合国内外大变形分级方法与分级标准及我国乌鞘岭隧道大变形的强度应力比Rb/σmax特征，确立了拉林铁路江木拉隧道大变形分级标准(表2)，并结合定性指标与定量指标对江木拉隧道大变形进行综合分级。

表2 软岩大变形分级标准

3.3.1 轻微大变形段

在对本工程进行现场勘查时，发现D1K270+170～D1K270+180段由于仰拱开挖支护施工，该段围岩变形速率较大。特别是D1K270+180断面收敛变形值已经接近设计预留变形量值。而其他断面变形速率也都在15 mm/d以上，变形依然在继续，尚未出现趋于稳定的迹象。针对这一问题，对D1K270+180段的拱墙及时布设直径为42 mm的径向钢花管，每根长度控制在4.0 m，环形和纵向的间距都是0.8 m，并注入水泥浆液加固周边围岩[6]。通过超前地质预报分析，该段掌子面前方为破碎软岩大变形段，变形程度比较小，为轻微变形等级。在施工现场对围岩监控的数据进行收集和整理，选择一个轻微大变形段的监测断面进行分析，其D1K270+170拱顶下沉量测曲线图、周边收敛量测曲线图如图5～图6所示。

图6 D1K270+170周边收敛量测曲线图

3.3.2 中等大变形段

通过现场勘查发现，自D1K270+385往掌子面前方施工相同工序时变形呈逐渐增大趋势，且单侧收敛最大变形量达到145.9 mm，已经接近20 cm的变形量预留值，且变形依然在继续。掌子面揭示围岩情况比后方已施工段有变差的迹象，通过超前地质预报分析，发现从此段开始，就进入到了中等大变形阶段，需要采取中等大变形支护措施进行施工。D1K270+390拱顶下沉量测曲线图、周边收敛量测曲线图如图7～图8所示。

图7 D1K270+390拱顶下沉量测曲线图

图8 D1K270+390周边收敛量测曲线图

3.3.3 严重大变形段

图9 交叉口施工换拱前D1K270+598拱顶沉降量测曲线图

图10 交叉口施工换拱前D1K270+598周边收敛量测曲线图

图11 交叉口施工换拱后D1K270+598拱顶沉降量测曲线图

图12 交叉口施工换拱后D1K270+598周边收敛量测曲线图

通过分析各工况段时间-位移曲线变化图，发现了以下情况：

1) 本工程软岩大变形，周边收敛变形累计值要大于拱顶沉降变形的累计值。在采用台阶法施工中，下一级台阶开挖之后，会引起软岩进一步变形[8]。

2) 不同软岩大变形程度不同，造成的危害和影响也不相同，为保证施工的安全性和质量，在软岩大变形台阶法施工中，需要结合软岩大变形的程度，采取有效的加固和支护措施，才能避免变形进一步加大，保证施工人员的生命安全。

3) 隧道小里程方向D1K270+170及隧道大里程方向D1K270+718两个断面，按Ⅴ级Ⅴ型复合衬砌支护参数进行施工过程中，围岩变形未得到控制，并有加速发展趋势，并最终导致发生初支开裂，累计变形值接近隧道开挖预留变形量。由此得出结论：江木拉隧道小里程侧从D1K270+170处开始进入软岩大变形施工，而隧道大里程侧从D1K270+718处开始进入软岩大变形施工。

隧道小里程侧按照轻微大变形支护措施，D1K270+170～D1K270+390段，围岩变形可控，未发生异常情况，说明轻微大变形支护措施满足本段施工要求；从 D1K270+390断面开始，围岩变形持续发展，周边收敛累计变形量接近预留变形量，存在拆换拱危险；进行自进式锚杆加固处理后，变形得到控制并趋于稳定，说明轻微大变形支护措施已无法满足控制变形要求。由此隧道从D1K270+390开始进入中等大变形施工。

在江木拉隧道横洞与正洞交叉口(D1K270+595～D1K270+610)段施工过程中，围岩变形严重，初支侵入二衬净空。拆换施工后变形仍然未得到控制，再次变形侵限，现场不得不采取对交叉口进行封堵，并采取辅助坑道绕行进入正洞施工的处理方案。后续，在交叉口及附近范围D1K270+642～D1K270+536段按照严重大变形支护措施施工过程中，围岩变形得到了控制，且未出现拆换拱施工，说明严重大变形支护措施满足本段施工要求。隧道D1K270+390～D1K270+536段按照中等大变形支护措施进行施工，未出现异常变形，说明中等大变形支护措施满足本段施工要求。

4 结 语

在软岩大变形施工中，仅仅采取初期支护，并不能完全消除围岩的收敛情况。软岩地段开挖之后，需要采取刚度大，但同时又具有柔性的支护措施，在控制围岩变形速率的基础上，控制围岩应力释放速度，保证支护体系的安全性。软岩大变形施工，也是地应力释放和应力重新分布的过程，稳固开挖轮廓线周围围岩，让围岩形成自稳定性，是控制软岩大变形的主要手段，可采取超前管棚、超前小导管、径向注浆花管等，对周围围岩进行多次注浆加固，以促使初期支护能够整体均匀地承受地应力。大变形段变形程度不同，采取的施工工法也不相同，比如在轻微大变形段采取了“台阶法+临时横撑法”施工工法，而在中等大变形、严重大变形段采用“三台阶法+临时横撑法”施工工法，大变形段喷射混凝土采用C30早强混凝土，严重大变形地段喷射混凝土采用C30早强钢纤维混凝土。采用更高强度等级的喷射混凝土，能在大变形发生的初期，降低变形速率，为后续支护提供较长的施工时间；添加钢纤维的喷射混凝土更具延展性，降低了初期支护因变形开裂时突然掉块的概率，提高了施工过程的安全系数。软岩大变形段围岩多为炭质千枚岩，岩体破碎—极破碎。江木拉隧道软岩大变形施工期间，大量使用自进式锚杆，有效地避免了因塌孔造成的施工困难，同时缩短了系统支护工序时间，提高了施工效率。另外，交叉口设置避开大变形段落，合理设置钢架接头，开挖预留出足够变形量，遇到异常情况及时处理。