软岩大变形隧道施工质量控制研究

2022-06-30张瑞国

广东交通职业技术学院学报 2022年2期

张瑞国

（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450）

1 工程简介

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8700 m，均为单线隧道，隧道最大埋深1492.5 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。

隧道进口D1K269 ＋625 ～D1K270 ＋900 段洞身，主要穿越雅鲁藏布江缝合带之复理岩套（fw）之板岩、千枚岩、石英砂岩、碳酸盐块等，地质构造复杂，主要断层构造有够屋断裂（F7）、茄子弄-滚没-色苏断裂（雅鲁藏布江断裂带F1 -5）。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，岩体整体为破碎至极破碎状。尤其是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。

2 软岩大变形发生的原理及等级控制

软岩是一种特定环境下具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，大变形主要是由深埋隧道高地应力、富水情况或通过断层破碎带所造成。在高地应力和软弱围岩地段，可能发生隧道支护变形破裂、拱顶沉降、洞壁水平收敛等，破坏洞身工程设施或造成人身伤亡事故［1］。

江木拉隧道施工过程中，发生软岩大变形段落总长为548 m，其中轻微大变形322 m，中等大变形120 m，严重大变形106 m，隧道软岩大变形变更段落及等级见表1。

表1 正洞软弱围岩发生变形段落及等级

3 软岩大变形地段隧道施工特点及软岩大变形分类

3.1 软岩大变形地段隧道施工特点

在隧道施工过程中，因为地质条件复杂，往往会遇到一些问题，如软弱围岩段落产生变形位移、初支开裂脱落等，现场施工安全隐患极大［2］。为降低安全风险，削弱地质原因带来的危害，在施工工程中需根据预设计、超前地质预报结合监控量测数据，做好相应的加强技术措施及安全措施，降低其带来的不良影响［3］，软岩大变形初支开裂掉块发生实景如图1 所示。

图1 软岩大变形初支开裂掉块

软岩大变形一般发生在片岩、千枚岩等显著变质的岩类，膨胀性凝灰岩、强风化凝灰岩软质黏土层、泥岩破碎带等岩层中，或出现在埋深较大高地应力区域、地下水丰富围岩中。在开挖前不易看出，支护完成后，初支开始收敛变形，变形速率较大，且变形速率不随时间变化而减缓［4］。软岩大变形发生段落，通常肉眼可见初支开裂或鼓起，初支开裂脱落掉块。软岩大变形段落，持续时间较长，初支钢架变形扭曲，钢架连接受力薄弱处螺栓断裂。初支收敛严重，收敛速率较大，如图2 所示。

图2 大变形段初支钢架变形

3.2 隧道软岩大变形的分类

按照发生的规模和烈度，软岩大变形可以分为轻微、中等、严重三种类型，其预判标准如表2 所示。

表2 软岩大变形预判标准

轻微大变形：围岩变形速率较小，掌子面存在围岩挤出现象，已支护部位肉眼可见初支混凝土开裂及钢架变形情况。

中等大变形：围岩变形速率较大，持续时间较长，掌子面存在围岩挤出现象，已支护部位肉眼可见初支混凝土开裂严重及钢架变形严重情况，水平收敛或拱顶下沉严重，出现混凝土开裂脱落掉块。

严重大变性：围岩变形速率较大，持续时间较长，单日收敛可达15 cm 以上。掌子面围岩挤出掉块现象严重现象，已支护部位初支混凝土开裂严重及钢架变形严重情况，钢架接头处存在断裂现象，隧洞整体收敛严重，支护不到位存在塌方可能。

4 降低软岩大变形的预防措施与处理技术

4.1 降低软岩大变形的预防措施

为减少软岩大变形造成的初支侵陷后期拆换拱架带来的风险及安全隐患，可以采用以下方式来处理：开挖方式采用台阶法施工［5］，降低工作面开挖高度，以便及时支护，缩短开挖及支护循环时间，降低施工安全风险，避免因掌子面暴露时间过长而导致塌方等事故；在软岩大变形段落，采取短进尺、多循环、弱爆破、强支护等措施，严格控制开挖进尺，开挖进尺上台阶控制在每循环1 榀钢架，中下台阶控制在2 榀钢架，隧底控制在3 m以内；根据预设计大变形类型及围岩监控量测数据大小，提前预留变形量，确保初支稳定后隧洞净空尺寸满足设计及施工要求；加强隧道围岩监控量测，以监控量测数据指导现场施工，调整预留变形量及钢架型号；开挖完成后，及时支护封闭成环，设置临时横撑；控制隧道安全步距，尽可能缩短掌子面至仰拱至二衬的安全步距，待初支稳定后施作衬砌，避免因初支不稳定而导致衬砌开裂。

4.2 施工期间降低大变形的处理技术

施工期间降低大变形的处理技术主要是加强支护措施，减少隧道变形量及变形速率［6］。

4.2.1 轻微大变形

为降低变形量，加强安全管控，严格控制开挖进尺。采用台阶法施工＋临时横撑开挖，上台阶每循环开挖1 榀钢架，下台阶每循环开挖不超过2 榀钢架，两侧台阶严禁同时开挖，错开3 m以上距离，隧底开挖每循环不大于3 m。各作业面开挖完成后及时支护，减少掌子面暴露时长以降低掌子面掉块风险。

加强超前支护及初期支护措施，加强次衬砌。拱部采用φ42 超前小导管进行超前支护，环向间距0.4 m，纵向间距2.4 m，单根长3.5 m，每环27 根；初期支护采用I20b 型钢钢架加强支护，钢架间距0.8 m，钢筋网片采用φ8 钢筋，网格间距为20 cm×20 cm，拱墙系统锚杆采用φ42径向钢花管（长4 m/根）注浆加固，间距1 m×1 m（纵×环），注水泥浆。衬砌混凝土采用C35钢筋混凝土，φ25 环向主筋，间距调整为20 cm，纵向主筋采用φ12 钢筋，间距25 cm，两层布设，层间距30 cm，φ8 勾筋满挂，衬砌混凝土厚度45 cm。

4.2.2 中等大变形

为加强安全管控，确保施工安全，施工过程中严格控制开挖进尺。采用台阶法施工＋临时横撑方式进行开挖，上台阶每循环开挖不大于1 榀钢架，下台阶每循环开挖2 榀钢架，左右两侧台阶严禁同时开挖，并错开3 m 以上距离，隧底开挖每循环不大于3 m。各作业面开挖完成后及时支护，以减少掌子面暴露时长降低掌子面掉块、垮塌的风险。

加强超前支护及初期支护措施，强化二次衬砌。超前支护采用拱部φ42 超前小导管，环向间距0.4 m，纵向间距2.4 m，单根长3.5 m，每环27 根；初期支护采用I22b 型钢钢架加强支护，钢架间距0.6 m，钢筋网片采用φ8 钢筋，网格间距为20 cm×20 cm，边墙采用10 m 长及4 m 长G32 自进式锚杆交错布置，其余系统锚杆采用φ42 钢花管（长4 m/根）注浆加固，间距1 m ×1 m（纵×环），注水泥浆。衬砌采用C35 钢筋混凝土，环向采用φ25 主筋，间距20 cm，纵向主筋采用φ12 钢筋，间距20 cm，两层布设，层间距40 cm，φ10 勾筋满挂，衬砌混凝土厚度55 cm。

4.2.3 严重大变形

为确保施工安全，施工过程中严格控制开挖进尺及方式。采用三台阶法施工并在中台阶设置临时横撑方式进行开挖，如图3 所示，上台阶每循环开挖不大于1 榀钢架，中下台阶每循环开挖2 榀钢架，左右两侧中下台阶严禁同时开挖，并错开3 m 以上距离，隧底开挖每循环不大于3 m。开挖完成后及时采取支护措施，以减少掌子面暴露时长降低掌子面掉块、坍塌的风险。

图3 三台阶法施工

加强超前支护及初期支护措施，强化二次衬砌。超前支护采用拱部φ89 超前大管棚，环向间距0.4 m，纵向间距6 m，单根长10 m，每环30 根，管棚间设置φ42 超前小导管，纵向间距2.4 m，单根长度3.5 m，每环29 根；初期支护采用双层钢架，第一层采用全环I22b型钢钢架加强支护，钢架间距0.6 m，预留变形量40 cm，喷射C30 混凝土，第二层采用全环I20b型钢钢架加强支护，钢架间距0.6 m，预留变形量20 cm，初支混凝土采用喷射C30 混凝土，钢筋网片采用φ8 钢筋，网格间距为20 cm ×20 cm，系统锚杆采用φ42 钢花管（长4 m/根）注浆加固，间距1 m×1 m（纵×环），注水泥浆。衬砌采用C35钢筋混凝土，环向采用φ25 主筋，间距20 cm，纵向主筋采用φ12 钢筋，间距20 cm，两层布设，层间距40 cm，φ10 勾筋满挂，衬砌混凝土厚度55 cm，见图4。

图4 严重大变形段隧道衬砌及钢架结构示意图

4.2.4 其他控制措施

为加强现场控制措施，在施工过程中根据现场实际施工情况，采取了一些其他措施控制初支变形。针对中等及严重大变形段落，在按照设计及变更要求及时施作锁脚锚管的同时，严格控制锁脚锚管施作角度及质量，对部分段落增设锁脚锚管（设计每处施作2 根，现场实际施作4 根），并保证焊接质量，见图5。如图6 所示，针对拱架连接处受力较大、易出现拱架连接处断裂情况，现场增设U型钢板卡进行加固处理。

图5 增设锁脚锚管

图6 钢架增设U型钢板卡

4.3 变形控制情况

根据设计变更文件及现场确认情况，采取上述措施进行大变形施工，现场对围岩监控量测数据进行收集，分析整理后生成变形与时间的关系图。分别选取本段软岩大变形施工的轻微、中等、严重等级的一个断面，进行监控量测数据分析，结果如下。

4.3.1 轻微大变形

2018年5月23 日，隧道进口D1K270 ＋170 ～D1K270 ＋180 段由于仰拱开挖支护施工，围岩变形速率较大。受其影响，D1K270 ＋180 处最大收敛变形速率为37.9 mm/d，且收敛变形值已经接近设计预留变形量值，其余断面变形速率均在15 mm/d 以上，未见趋于稳定迹象。2018年6 月24 日，隧道横洞D1K270 ＋718 ～D1K270＋700 段正在进行开挖及支护施工，该段围岩变形速率较大，且D1K270 ＋710 断面收敛变形值已经接近设计预留变形量值，D1K270 ＋700 ～D1K270 ＋692 段暂未施工下台阶及仰拱，变形速率仍在1.0 mm/d 以上，未见明显收敛稳定迹象。

根据上述情况，同时基于区域应力场、地层岩性、地质构造、水文地质、超前地质预报（TSP）及本段监控量测资料综合分析，确认江木拉隧道D1K270 ＋170 向大里程方向、D1K270 ＋718 向小里程方向进入破碎软岩大变形地段，变形等级为轻微大变形。采取加固措施后，现场对围岩监控量测数据进行收集，分析整理后生成变形与时间的关系图。选取该段中一个监测断面进行分析，结果如图7 和图8 所示。

图7 D1K270 ＋170 拱顶下沉量测曲线图

图8 D1K270 ＋170 周边收敛量测曲线图

4.3.2 中等大变形

2018 年10 月18 日，自D1K270 ＋385 往掌子面前方相同工序时变形呈逐渐增大趋势，单侧收敛最大变形达145.9 mm，已接近预留变形量值（20 cm），变形仍持续中，且掌子面揭示围岩情况较后方已施工段有变差迹象。

鉴于上述情况，现场对本段已完成初支进行自进式锚杆补强施工，控制围岩变形。同时，基于区域应力场、地层岩性、地质构造、水文地质、超前地质预报（TSP）及监控量测资料综合分析，确认江木拉隧道从D1K270 ＋416 进入中等大变形地段，采用中等大变形支护措施进行施工。现场对围岩监控量测数据进行收集，分析整理后生成变形与时间的关系图。选取中等大变形施工段落的一个监测断面进行分析，结果如图9和图10所示。

图9 D1K270 ＋390 拱顶下沉量测曲线图

图10 D1K270 ＋390 周边收敛量测曲线图

4.3.3 严重大变形

江木拉隧道横洞与正洞交叉口（D1K270 ＋595 ～D1K270 ＋610）施工过程中，发生严重的软岩大变形，初期支护变形侵入二衬净空。对侵限初支进行了拆换施工，后续围岩变形任未得到控制，初支再次侵入二衬净空。鉴于交叉口施工期间的变形情况，经建设单位组织四方会勘后，最终对原交叉口范围进行封堵处理。同时采取辅助坑道绕行办法，从交叉口段大小里程工作面对本段进行施工。

D1K270 ＋662 ～D1K270 ＋642 段按轻微大变形措施施作后，发现虽变形数据均能于预留变形量内收敛，但自D1K270 ＋680 至D1K270 ＋645 断面累计收敛变形值呈明显增大的趋势，且变形已接近预留变形量值（20 cm）。D1K270 ＋652.7 ～D1K270 ＋642 段下台阶及仰拱开挖变形会进一步加剧。加之，D1K270 ＋642 距交叉口施工段仅剩32 m，综合区域应力场、地层岩性、地质构造、水文地质、超前地质预报及相邻已开挖段围岩变形情况资料分析，确认江木拉隧道横洞工区正洞小里程D1K270 ＋642 ～D1K270 ＋536 段为软岩大变形地段，大变形等级确定为严重大变形。

现场对交叉口范围内正洞在不同阶段的监控量测数据，以及相邻严重大变形段的围岩监控量测数据进行收集，分析整理后生成变形与时间的关系图。选取交叉口变形最大的D1K270 ＋598 断面进行分析，结果如图11 和图12 所示。

图11 D1K270 ＋598 拱顶沉降量测曲线图

图12 D1K270 ＋598 周边收敛量测曲线图

整理轻微、中等、严重各等级大变形施工过程中监控量测数据，形成上述变形量与时间的对应关系图。通过分析发现：第一，江木拉隧道软岩大变形周边收敛变形累计值远大于拱顶沉降累计值，台阶法施工过程中，下级台阶开挖落底施工会造成变形加剧。第二，隧道开挖初期，围岩变形速率较大，按照设计文件要求对支护措施进行加强后，变形逐步得到控制并最终区域稳定，说明现场采取的措施能有效控制变形，满足施工要求。第三，隧道软岩大变形段落施工期间，变形伴随开挖、支护施工的全过程，现场须结合超前地质预报、隧道设计文件及附近断面监控量测数据分析情况，及时调整隧道开挖预留变形量，以满足后续二次衬砌的结构尺寸（主要是厚度）要求。