多层初期支护在景寨隧道软弱围岩中的应用

喻有彪

（滇南铁路有限责任公司，云南 玉溪 653100）

1 引言

近年来，有关隧道双层初期支护施工技术的研究与实践较多，成果丰富，对其受力分析、厚度分配、布置形式、施作时机等方面均进行了理论研究与实践验证，各个案例结论还存在一些差异。玉磨铁路景寨隧道变形控制研究过程中，在进一步分析实践双层初期支护基础上，进行了3（多）层初期支护技术的探索。

2 工程概况

玉磨铁路为中老昆万铁路国内段，途经玉溪市、普洱市、西双版纳州，至磨憨口岸与国外段直连，设计速度160 km/h，其中，西双版纳至国界段为单线。景寨隧道全长9 509 m，为单线隧道，紧伴澜沧江而行，其进口至斜井间正洞长4 385 m，斜井长1 200 m，受地形限制不具备增加斜井或横洞的条件。

斜井小里程正洞揭示围岩为页岩（约占65%）夹砂岩（约占30%）、炭质页岩（约占5%），浅灰、深灰及黑色，以中薄～极薄层状为主，层厚0.1～5 cm。泥岩、页岩、炭质页岩为泥质、炭质结构，泥质胶结，岩质软，遇水易软化；砂岩为粉、细砂质结构，泥质胶结。

岩层走向与线路夹角约15°，横向倾线路左侧，纵向倾大里程，倾角约40°。受地质构造影响严重，岩体极其破碎，节理裂隙发育，开挖后岩体呈片状、角砾状。目测发育3～4 组结构面，结构面间层面光滑，层间结合差。地下水弱发育，局部地段地下水发育且存在水囊。

3 面临的问题

本工程所面临的问题有：

1）变形问题突出。因严重不良地质影响，景寨隧道斜井小里程在建设过程中遇到的最大难题为大变形，单侧收敛最大值达180 cm，工程推进困难。钢架扭曲折断十分普遍，停工加固或换拱成为常态，严重阻碍了工程的推进，发展成影响玉磨铁路按期开通的关键控制性工程。

2）安全风险极高。景寨隧道斜井正洞初期支护收敛变形问题，造成侵限换拱率达到80%，且施工安全风险极高，安全管理难度极大。

3）工期风险突出。景寨隧道斜井小里程正洞2020 年1 月至2021 年3 月期间，累计进尺235 m，平均月进尺仅15.6 m，工期风险十分突出，成为玉磨铁路关键控制性工程，是确保按期开通的关键堵点。

4 本隧软岩大变形原因分析

结合围岩岩性和产状分析并进行地应力测试可知，隧道软岩大变形是由高地应力加软弱围岩引起的挤压型剪切滑移变形，变形具有明显的方向性且受水平地应力主方向控制。岩层走向存在顺层偏压，大变形原因为顺层偏压造成非顺层侧初支折断、压溃式变形，围岩遇水软化后失去自稳能力，加剧了初期支护变形，最终围岩无法承受造成拱架剪断、扭曲，丧失支护能力，初期支护受力情况如图1 所示，现场围岩状态如图2 所示。主要为高地应力、顺层偏压联合作用引起的大变形。应力解除法地应力试验结果显示景寨隧道斜井小里程属于挤压性围岩大变形区段，变形长达3.5 km，等级达到3 级[1]，且断层的存在极大地加剧了变形风险。

图1 初期支护受力情况图

5 双层初期支护方案研究实践

在采取了加大钢架型号、增加预留变形量、设置大锁脚、规范采用短台阶快速成环工法、采用非爆开挖等常规措施未能有效解决变形问题后，现场研究采用了双层初期支护技术。

图2 现场围岩状态

5.1 关键工序确定

双层初期支护施工关键在于第2 层初期支护施工的时机，既要具有可操作性，又要把握合适的时机，在变形失控前及时实施到位。具体包括以下3 个方案。

1）方案1

在下台阶落底仰拱初支成环后实施第2 层支护，现场发现此时拱腰位置收敛已经较大，初支圆顺性差，第1 层初期支护已经明显弱化，此时已经失去了实施第2 层初期支护的时机。

2）方案2

在掌子面开挖后同时实施两层初期支护，经实践发现存在拱架安装困难、喷射混凝土无法喷射密实、超前支护难以实施到位的问题。

3）方案3

第2 层初期支护滞后第1 层一定距离实施。

经反复试验，最终确定采用方案3：第2 层支护滞后第1 层支护2.5~4.5 榀钢架距离，即第2 层支护滞后掌子面3~5个循环，控制变形的实施时机最合适，实施难度相对较小，可做到第2 层支护与掌子面的第1 层支护同时立架、同时喷浆，第2 层支护施工时一次立架2~3 榀。

5.2 双层初期支护参数

经试验研究确定双层支护主要参数：第1 层为HW175 钢架（全环），纵向间距0.8 m/榀，第2 层采用I20 钢架（拱墙）。为更有利于控制位移和应力，减少钢拱架扭曲变形和喷射混凝土开裂，经分析确定第2 层钢架与第1 层交错布置[2]，接头标高高于第1 层钢架30 cm，下垫循环使用的支垫钢凳确保不悬空；仰拱初期支护封闭成环施工时确保第2 层钢架支撑受力。

5.3 施工工序流程

循环方式1：（1）上、中、下台阶机械开挖1 榀；（2）安装3个台阶第1 层钢架及网片锁脚；（3）分层喷射混凝土。

循环方式2：（1）上、中、下台阶机械开挖及初喷1 榀；（2）安装3 个台阶第1 层钢架及网片锁脚；（3）安装3 个台阶第2 层钢架及网片锁脚2~3 榀；（4）分层喷射混凝土。

结合开挖初支稳定情况，以上两种循环方式可按“方式1+方式2”或者“方式1+方式1+方式2”交叉进行。

5.4 实践效果

采取双层初期支护后最大累计沉降560 mm，最大累计收敛1 016 mm，换拱率仍高达54%。变形得到一定的控制，但仍然不满足工程推进及安全管控的需要。

6 3（多）层初期支护技术

经进一步分析研究，现场提出了3 层初期支护的方案，并逐步实践摸索。

6.1 关键工序确定

3 层支护的关键工序为第3 层的实施时机。经分析，如果参照第2 层初期支护施工工序施工第3 层支护，需要增加台阶长度，且工序复杂，不利于变形控制且施工组织难以快速实施。结合变形过程分析，在按双层支护顺序2 层支护施工完成后，在下台阶按长度6 m 的循环长度实施第3 层支护。

6.2 3 层初期支护参数

第1 层、第2 层初支钢架均采用全环HW175 型钢，间距为0.8 m。

第3 层支护采用了两种支护参数：一是采用拱墙I20 钢架，间距0.8 m；二是采用拱墙钢筋喷射混凝土结构。

6.3 应力释放0#支护方案

在曼么小寨-加布托断层影响核心区段30 m，采用了0#支护方案。采用单层初期支护（即0#支护），在不坍塌的情况让其变形充分释放压力，施工完成10 m 作为一个段落，再按照3 层初期支护方案重新进行开挖支护。0#支护起到超前洞室释放压力的作用[3]。

6.4 配套措施

6.4.1 开挖

隧道洞身开挖确定采用机械铣挖开挖，短台阶快速封闭施工方法。根据开挖断面合理确定台阶高度、长度，上台阶高度3.9 m，长度按5 m 控制；中台阶高度3.3 m，长度5 m，左右错开2 榀钢架；下台阶高度为3.5 m，左右错开2 榀钢架；仰拱初期支护开挖高度2.34 m，仰拱初支距离掌子面不得超过20 m。开挖预留变形量按130 cm（包括第2、3 层空间）控制。

6.4.2 超前支护

考虑到受断层影响，岩体破碎，层间结合极差，为避免掌子面溜坍、超挖严重，确保现场施工安全，一般地段采用φ42 mm 小导管作为超前支护措施，局部地段采用φ108 mm大管棚+φ42 mm 小导管超前支护方案。

6.4.3 大锁脚

为避免各工序转换过程中初期支护变形过大，第1 层钢架上、中、下台阶左右侧均设置2 根φ76 mm 锁脚锚管进行加强，每根长5 m；第2 层钢架上、中、下台阶左右侧均设置2 根φ42 mm 锁脚锚管，每根长4 m。内外层钢架锁脚锚管均采用M20 水泥砂浆对锁脚锚管进行注浆加固锁脚基础。

6.4.4 监控量测

初期支护监控量测频率≥2 次/d，并详细做好数据记录。施工中结合变形速率、施工进度等因素，当变形量达到或接近控制基准时，采取补强措施或调整第3 层初期支护施工时机。

6.4.5 实践效果

本隧道3（多）层初期支护措施得到顺利实施，第3 层支护累计最大变形量8.5 cm，控制变形效果明显，降低了安全风险，避免了换拱施工，平均月进尺达到39 m，有效解决了工期问题，景寨隧道安全贯通。

7 结语

景寨隧道斜井正洞采用3（多）层初期支护技术，有效缓解了大变形，保证了景寨隧道的安全贯通。在实践过程中摸索出合适的施工工序，形成了以多层初期支护为主并加辅助措施与配套工法的控制变形综合方案。虽属被动控制措施，但效果明显，对类似工程具有一定参考价值。