软弱围岩大变形隧道施工技术探讨

高锡俊

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855）

隧道作为铁路网施工中主体结构之一，对缩短线路距离、改善运行条件等都具有突出作用。而我国地形条件复杂，在施工过程中常会遇到构造影响强烈、节理裂隙发育、挤压和蚀变等地质条件，造成隧道在施工过程中围岩出现大变形开裂，变形量大，变形速率高，变形持续时间长，严重影响施工质量和安全[1-3]。为此，超前掌握施工区域地质条件，采用科学合理的开挖支护手段对容易发生大变形区域进行控制，避免出现因地质条件影响隧道围岩出现大变形、坍塌等，是保证隧道安全施工的关键[2，4]。

1 工程概况

某隧道位于山南市桑日县境内，全长8 755 m，为单线隧道，共设置进、出口，1 号及2 号横洞4 个工区，横洞长度合计1 350 m，是川藏铁路的组成部分。根据已有地质资料显示，隧道施工区域内地质条件较为复杂，新构造运动较为强烈，节理裂隙发育，且岩层整体结构破碎，常有软岩夹层，造成隧道围岩的整体强度低，在施工过程中容易造成围岩在扰动情况下发生变形，甚至发生塌方事故。

2 初期支护设计及变形

2.1 初期支护参数

根据隧道施工环境及所处地质条件，设计采用双层初支及超前管棚支护方式，初期支护参数设计如下。

1）第一层初支拱部设Φ89 管棚，每环设29 根，每根长10 m，环向间距0.4 m，6.6 m/环，搭接3.4 m；超前支护采用Φ42 小导管，1.8 m/环，环向间距0.4 m，每根长3.5 m，共29 根；全断面采用HW175 钢架，纵向间距为0.6 m/榀（中至中）；相邻钢架采用HRB400Φ22 钢筋连接，环向间距1.0 m，布置在型钢钢架内侧共38 根；拱部采用Φ22 中空组合锚杆，每榀设8 根，每根长6 m；边墙采用Φ32 自进式锚杆，每榀设10 根，每根长10 m；仰拱采用Φ32 自进式锚杆，每榀设7 根，每根长6 m；环纵向间距1.2 m×0.8 m。锚杆均采用径向方式设置。拱脚及墙脚处Φ42 锁脚锚管，每根长4.0 m，设置于连接板上0～30 cm 左右，每榀钢架设16 根Φ42 锁脚锚管。采用C30 喷射混凝土，设计喷射厚度为25 cm。预留沉降量40 cm。

2）第二层初支全断面设I20b 钢架，纵向间距为0.6 m/榀（中至中）；相邻钢架采用HRB400Φ22 钢筋连接，环向间距1.0 m，布置在型钢钢架内侧共34 根。采用C30 喷射混凝土，设计喷射厚度为27 cm。预留沉降量20 cm。

二次衬砌参数：衬砌主筋内、外层均为HRB400Φ25螺纹钢筋，纵向间距20 cm；纵向分布钢筋内、外层均为HPB300Φ12 光圆钢筋圆钢，环向间距25 cm；箍筋为HPB300Φ10 光圆钢筋，环向间距20 cm，纵向间距25 cm；衬砌拱部、边墙、仰拱混凝土采用C35 钢筋混凝土，厚60 cm。

2.2 围岩特点及变形特征

隧道开挖后的碴土多呈碎块状，风化速度快，岩块手掰易碎，岩体强度低。节理裂隙延伸性较好，倾角较陡，结构面具铁锰质侵染，可见擦痕。受节理裂隙切割组合，易形成不稳定块体，围岩自稳能力差。开挖面挤出变形及收敛变形大，拱顶易发生坍塌掉块。支护封闭后，有明显挤压性变形，收敛变形量大于拱顶下沉量，支护混凝土表面产生严重的薄壳、开裂，严重地段HW175 钢架扭曲变形和如图1 所示。

图1 隧道开挖后围岩变形图

自2017 年4 月25 日起，DK169+025 处开始出现变形，DK169+025～DK169+273 均存在不同程度变形，尤以DK169+070～DK169+125 段最为突出，主要表现为初支砼开裂，拱部裂缝呈纵向展布，最大开裂缝宽达26 mm，钢架扭曲变形甚至出现接头直接断裂的情况，侵线严重。DK169+025～140 段换拱前初支出现较大的围岩移动，其中移动最为明显区域位于DK169+122处，该位置从开挖至换拱合计70 d 左右围岩发生的移动量达到了3 353.2 mm，并且左右两帮移动量存在较大差异，差异量约330 mm。围岩发生最大下沉的位置位于DK169+125 处，该位置从开挖至换拱合计70 d 内围岩发生的下沉量达到近700 mm。根据隧道围岩发生移动和沉降现场实测数据分析，隧道围岩移动和下沉速率存在较大差异，围岩变形主要集中在隧道开挖的最初几天，随着时间推移变形速率逐渐变小，而在开挖中下台阶时速率明显加大；在对隧道进行钢架和长锚杆支护过程中，隧道没有发生较大的变形，而支护后开挖仰拱，隧道变形速率加剧，并且会出现1 次明显变形；仰拱封闭后减缓趋势，但没有终止。

3 软岩大变形控制技术

软岩大变形段隧道施工，概括为超前预判、过程管控和施工后监控等。即对隧道施工区域的地质情况进行勘探分析，超前做好地质预报预判，根据地质预报预判及时调整和优化隧道施工设计，并对隧道可能出现的围岩变形情况进行预测分析，在隧道施工过程中做好围岩变形的监测，根据监控量测数据采取相应的支护措施，尽量减小初支变形，防止侵限，保证隧道施工安全。

3.1 超前地质预报

采用超前地质钻探、隧道地震波预报勘探（TSP）和地质雷达方法及其他加深炮孔、掌子面地质素描等预判掌子面前方围岩情况，复核设计，对预留变形量进行预测和分析，开挖时留足变形量，通过地质预报预测和分析，将预留变形量从原来3 cm 调整为60 cm。

3.2 超前支护

采用Φ89 中管棚和Φ42 超前小导管交错配合施工超前支护。

1）洞身设计Φ89 长管棚，每环根数29 根，单根长10 m，纵向间距与钢架间距匹配，纵向间距6.6 m，搭接长3.4 m。管棚导管选用Φ89×6 mm 热轧无缝钢管，环向间距40 cm，施工范围为上台阶拱部140°，外插角10°～15°，施工误差控制在径向孔距±150 mm，孔深±50 mm。

2）超前小导管配合中管棚进行超前支护施工，每进尺三榀钢架间距即1.8 m，打设一环Φ42 超前小导管，在型钢腹板上设置孔位，孔间距0.4 m，超前小导管每环打设29 根，长度为3.5 m。超前小导管选用外径42 mm、壁厚3.5 mm 的热轧钢花管，施作范围为拱部140°，外插角为10°～15°。

3.3 支护参数调整

原设计Ⅲ级Ⅲa复合式衬砌，喷射C25混凝土厚8 cm，局部挂Φ6 钢筋网，拱部设Φ22 组合中空锚杆，每根长2.5 m，每米5.67 根，边墙设Φ22 砂浆锚杆，每根长2.5 m，每米5.33 根。根据地质预报预测和分析，以及现场实测结果，将大变形段支护设计变更为V 级Ⅲ型大变形段支护参数，见表1。根据隧道围岩变形实测资料，仰拱初期支护与整体隧道形成支护网后开始对隧道围岩进行变形监测，设定变形阈值为150 mm，根据监测结果，如果变形量达到阈值，及时进行仰拱衬砌及仰拱填充施工，为了达到充填效果，填充施工必须严格按照设计进行。具体要求：根据变形区域及变形量施工长度保持在6～12 m，为了防止仰拱衬砌持续变形或者发生明显变形，采用C35 钢筋砼，环向主筋采用Φ25 螺纹钢，间距200 mm；采用C20 砼进行分层浇筑填充。加强支护和填充完成后，持续进行监测，待监测数据显示围岩发生变形处于基本稳定状态后进行。变形基本稳定的评判条件为：①围岩变形速率较初期发生明显下降且速率处于平稳状态；②持续在1 周以上围岩水平方向变形量小于0.2 mm/d、顶部围岩沉降速率小于0.15 mm/d；③或根据实测数据统计，围岩发生的累计变形量已经达到设定极限量的0.8 倍以上；④如果围岩塑性变形造成围岩表面发生裂缝，需要对裂缝进行持续观察，裂缝不再继续发生延伸、扩大，同样可以作为变形稳定条件。如果加强支护后围岩变形仍旧难以控制或者围岩持续变形，应当提前进行2 次衬砌，主动强化应力作用。

表1 变更为V 级Ⅲ型大变形段支护参数

3.4 施工工艺调整

未更改设计前台阶施工采用两台阶法，造成2 个台阶延伸距离较长，从开挖到仰拱封闭，再到二衬混凝土浇筑，需要40 m 左右的距离，且施工工期较长，需要近4 个月的时间。在长时间内，隧道围岩变形处于持续发展阶段，导致围岩变形量持续加大，进而侵入2 次衬砌。为了重新对围岩进行加强支护，必须拆换初期支护，从而造成巷道支护的恶性循环。为此，通过综合分析和围岩变形预计分析，缩短三台阶的长度，仰拱到开挖面的距离调整到25 m 以内，如图2 所示。

图2 台阶法施工工序横断面示意图

1）将原二阶台阶开挖，缩短为上、中和下三台阶开挖，首先开挖上部（①部），并对上部台阶进行围岩初期支护，施做下1 循环超前支护（仅适用于有超前支护情况）。

2）架设①部临时横撑（根据监控量测数据必要时设置）。

3）在滞后①部5～10 m 后，开挖②部，施做边墙初期支护。

4）在滞后②部10～15 m 后，开挖③部，施做隧底喷混凝土。

3.5 监控量测

结合《铁路隧道监控量测技术规程》，制定大变形段相应的主要监控监测项目及要求标准，主要包括现场观察、拱顶下沉及水平收敛测量、现场应力测试等内容。拱顶下沉及水平收敛测量主要采用全站仪非接触法，分别在拱顶、隧道围岩水平对应布设2 个测点，断面间距小于5 m，根据台阶数进行适当加密，定期对点位进行观测，对比分析。隧道围岩应力监测主要采用埋设压力盒、测力锚杆等方式，并将数据及时反馈和分析，从而对原有设计支护方式进行优化调整。除此之外，对所有监测数据进行综合全面分析，对不同施工阶段、围岩支护的不同时间段、围岩变形率发生明显变化的不同节点等特殊时期数据进行对比分析。

4 大变形隧道开挖安全保障及质量控制

4.1 安全保障

1）针对软弱大变形围岩隧道施工，三台阶法施工必须严格按照相关设计要求、施工流程和操作规程等进行施工，严禁越级违章施工。

2）严格把控隧道支护，做到超前预判、过程把控，严禁类似二级台阶距离过长造成施工时间跨度大等问题的出现。

3）坚持以人为本的安全施工原则，软弱大变形围岩隧道施工，更应做好人身防护和安全逃生等工作，必须在掌子面附近设置安全逃生管道，能够满足在发生塌方等事故的时候逃生管道能够支撑塌方应力作用强度。具有足够逃生空间，利于逃生。

4）为了获取准确的监测数据，建议设定专门的监测监控团队，且选择经验丰富、技术能力过硬的专业技术人员进行日常监测监控，并坚持以监测数据为依据指导施工的原则，确保隧道施工安全。

4.2 质量保障措施

1）围岩松散破碎，为防坍塌掉块，必要时预留核心土法。

2）开挖工法采用两台阶法，按较短台阶开挖，上台阶每循环进尺不超过1 榀钢架间距0.6 m，开挖后组织初喷作业进行封闭。下台阶开挖左右交错，错开距离必须保证3 m 以上，1 次开挖进尺不超过2 榀钢架间距，控制一次扰动变形。

3）上台阶临时横撑必要时尽快施作，封闭成环。

4）第二层钢架与第一层钢架错开设置，确保初支拱架整体稳定性，型钢钢架脚支垫槽钢或钢板。第二层钢架支护完成后，进行仰拱开挖施工封闭成环。为增加钢架纵向抗扭强度，可根据钢架变形情况，若第一层钢架扭曲严重，为增加钢架纵向连接，可考虑在钢架之间增设纵向连接槽钢，槽钢型号为28a，每环共5 根纵向连接槽钢，设置于拱墙A、B 单元中心。

5）拱架作为主要支护承重结构，现场施工应确保喷砼面的平顺度、钢架的圆顺度及钢架接头施工质量。

6）网片必须与岩面密贴。

7）严格控制锚杆施工钻进深度、角度。锚杆注浆施工，必须现场值班记录。利用专业锚杆机械设备进行10 m 长Φ32 自进式长锚杆施工，确保施工质量。

5 结束语

在前期施工中由于初期支护大变形，经常出现钢架扭曲、侵限，而频繁拆换钢架，月施工进度平均不到15 m，最大进度达到15 m。通过不断分析和探索，多次调整施工工艺、支护参数等，并控制仰拱封闭时间和距离等，初步摸索出了1 套适合该种地质条件的施工方法。实践证明，采用“超前支护、短进尺、早封闭、快成环、长短锚杆结合径向注浆加固洞身围和放抗结合”等措施，施工效果明显改观，施工进度也有所提高，后来施工进度最高可达到每月30 m 的好成绩。