铁路隧道浅埋软岩大变形控制施工技术研究

王天喜 WANG Tian-xi

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

根据大量工程施工地质揭示，西南地区地质状况在全国范围内一直以来都较为复杂，给施工带来了很多考验，例如，广西地区的隧道溶洞处治，四川地区的岩爆施工难题及云南的滇中红层等等，无论哪一种都是棘手的施工难题。

滇中地区位于云南省中部，滇中红层为该地区一种典型软岩。根据当地地形特点及设计情况，部分隧道长距离穿越浅埋段，埋深在100m 范围之内，长度可能达几百至近千米不等，长距离穿越软岩浅埋段施工，可能面临软岩大变形、涌水突泥、围岩失稳等地质问题，无论是对于施工安全、质量，还是对工期进度等各方面，都将是一个巨大的挑战。[1]

本文依托山田隧道，针对目前的变形沉降情况，对隧道浅埋段变形影响因素进行研究，提供了一套浅埋段软岩大变形控制技术，可为本工程后续可能出现的大变形施工及今后类似工程提供一定的参考和经验。

1 工程概况

山田隧道位于云南省会泽县待补镇与田坝乡境内，会泽至田坝区间。进口里程DK589+742，出口里程DK591+450，全长1708m，进口接田坝站大桥，出口接清河村大桥，为设计速度350km/h 铁路双线隧道。隧道地面高程1990～2237m，隧道最大埋深约为203m，最小埋深约7m。目前沉降量约5～30cm。

根据现场勘查，结合区域地质资料，隧道范围地层主要岩性为第四系全新统坡残积层（Q4 dl+el）粉质黏土、下伏三叠系上统须家河组（T3X）泥岩、砂岩；中统关岭组（T2g）泥岩、灰岩及断层角砾地层。

2 技术原理分析

隧址位于云南滇中地区，浅埋段围岩属于典型滇中红层软岩，山田隧道洞身开挖后，掌子面基本稳定，洞身围岩经扰动，软岩重力向洞身范围内释放，在三台阶全环拱架闭合前，围岩重力从上台阶开挖后开始释放，方向向下，主要作用在上台阶的三段钢拱架节段上，并在中、下台阶及仰拱开挖的过程中，围岩持续沉降，形成累计拱顶沉降竖向变形量。

按照三台阶法施工，在仰拱钢拱架施工完成，形成全环初期支护闭合受力环后，重力释放自由端受到约束，围岩压力由竖向沉降转变为水平收敛，水平收敛变形位置主要体现在中台阶高度范围内。[2-5]

根据掌子面围岩稳定性、初支全环闭合前的围岩作用力方向转变情况，可以确定山田隧道该工况下围岩变形的控制方向及对应的技术措施。初支钢拱架主要受力体系转换示意图见图1。

图1 初支钢拱架主要受力体系转换示意图

3 浅埋软岩大变形控制关键技术[6-8]

3.1 山顶地表处理

地表进行清表处理，清表后，覆盖洞身垂直投影面顶部及两侧覆盖防水层，并在坡面较高一侧修筑环向截水沟，防水层应与截水沟相接，以将坡面上游汇水引流至坡脚，截水沟位置尽可能远离洞身投影面位置，减少浅埋层向洞身范围的渗水，以免造成整体沉降。

3.2 预留变形沉降量设置

可在前期按设计或适当放大预留变形沉降量，以满足二衬厚度及净空要求，在后续控制措施取得理想效果后，再及时调整预留沉降量，以减少施工成本投入。

超前支护采用超前小导管或中管棚，以减少拱部围岩掉块，同时形成安全的施工环境。围岩监控量测点位布置示意图见图2。

图2 围岩监控量测点位布置示意图

3.3 缩短台阶长度

减少纵向各部位台阶长度，以缩短初期支护闭合时间，台阶长度控制在2.5～3m 范围，形成“微台阶”施工工艺。按照常规三台阶的台阶长度，从上台阶爆破到仰拱初期支护完成，全环闭合时间范围需要15 天左右，三台阶七个部位的台阶长度在一定程度上决定了初支闭合成环的时间。

3.4 调整仰拱栈桥

根据目前施工标准化普遍要求定制的全液压仰拱栈桥，并不适用于浅埋软岩段施工，因为全液压仰拱栈桥一般长度为24～36m，灵活性差，为了满足施工组织要求，前方需要留出出渣车辆调头空间，无形间就加大了仰拱距离掌子面的距离，延长了初支全环闭合的时间，增大了变形量累计时间，因为围岩差，也不能充分发挥出全液压仰拱栈桥一次施工长段落仰拱的优势，同时，还拉长了二衬与掌子面的安全距离，如果前方变形过大，将无法及时施作二衬。

将全液压仰拱栈桥改为简易栈桥，每次可施工4～6m仰拱，能够及时紧跟掌子面，完成初支全环闭合，车辆掉头位置可挪到仰拱后方混凝土路面完成，同时，还可以实现二衬的跳打，明显比全液压仰拱栈桥更适合于浅埋软岩施工。

如果掌子面附近围岩沉降速率过快，可以将简易仰拱栈桥移至前方，先超前施工紧跟下台阶的仰拱初支，初支封闭成环后，回填洞渣，将简易仰拱栈桥移至原位置继续施工，以阻止掌子面围岩进一步变形。三台阶施工纵断面图见图3。

图3 三台阶施工纵断面图

3.5 缩短工序时间

采用短进尺开挖，暴露的围岩自由面面积相对小，同时，加强工序衔接，减少单工序作业用时，即缩短了全环闭合时间，无论是单循环三台阶各部位，或是全环，尽快完成初期支护，就是减少了围岩自由变形的时间。

3.6 强化锁脚锚管（索）系统

因为围岩重力主要作用在上台阶三节段钢拱架上，特别是在初支闭合前尤为明显，中、下台阶及仰拱施工期间，拱顶沉降最大，所以，应尽可能确保上台阶三节段钢拱架与围岩之间锚固的稳定性，可采取以下技术措施：

3.6.1 设计锁脚锚管系统

可通过增大锁脚锚管的直径，并控制好注浆施工质量，以获得强度更大的锁脚锚管锚固及支撑效果。另外，可使用如φ76 无缝钢管等大直径钢管作为锁脚锚管，效果更佳。

3.6.2 后植锁脚锚管系统

上台阶初支已施工完成段发生沉降后，可在钢拱架两侧钻孔，植入大直径锁脚锚管，来提高初支的整体受力性，将围岩系统重力转化到初期支护系统上。

3.6.3 锁脚锚索系统

在较严重的大变形段落，在锁脚锚杆的基础上，施作预应力锚索，不仅可以解决沉降问题，同时还可以解决水平收敛问题。但是该技术措施所用时间较长，功效相对较低。

3.7 加大初支支护参数

主要是型钢钢架型号，要在锁脚系统完善的基础上，保证初支钢拱架刚度能够承受围岩压力，避免初支扭曲变形的情况发生。

3.8 临时仰拱

在没有施工锁脚锚索的情况下，为解决水平收敛问题，同时兼顾拱顶沉降，增加临时仰拱，并在上、中台阶连接板上下各50cm 处采用I14 型钢纵向连接，以获得整体结构稳定性。在二衬施工前，根据实际情况拆除临时仰拱。三台阶加临时仰拱法施工工序横断面示意图见图4。

图4 三台阶加临时仰拱法施工工序横断面示意图

4 施工控制要点

①“物探先行，钻探验证”，超前钻探是最能直接反映问题的工程地质探测方法，具有直观、准确的特点，针对大变形段，可综合采用地质调查法+TSP+地质雷达+瞬变电磁法+超前钻探的超前预报方法。[9]

②应做好初喷及复喷混凝土施工质量的控制，避免拱架背后出现空洞，影响受力结构的完整性。

③锁脚锚管（索）系统是连接初支和围岩的锚固系统，相对于硬岩自稳能力而言，该系统实施后，初支与软岩锚固后，同样实现了在二衬前形成了稳定的支护系统。

④初支系统尽早闭合成环，二衬及时跟进，是浅埋段软岩施工控制的关键所在，应根据监控量测数据情况，及时调整各工序施作时间，保证整体受力结构稳定。[10]

5 结束语

根据围岩变形情况，选择合理的支护措施，可有效控制变形的进一步发展，实现安全施工生产。该成套关键控制施工技术，可指导山田隧道下一步的长距离浅埋软岩段施工，同时也可为滇中地区其他类似隧道施工提供借鉴参考。