中老铁路达隆一号隧道横洞初支病害整治技术研究

杨 鑫，王建军，周 波，李思涛

（中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710024）

中老铁路是泛亚铁路中线的重要组成部分，由我国提供资金、技术和标准修建。中老铁路新建磨丁至万象段穿越复杂的地质条件，特别是炭质板岩破碎、节理很发育、遇水后整体性及自稳性大大降低，导致隧道开挖支护后出现开裂、大变形和侵限等问题，严重影响施工安全、工期和工程质量。

尹逊峰[1]对丽香铁路某高地应力炭质板岩隧道施工过程中围岩位移进行了模拟分析，得出边墙两侧围岩为影响隧道稳定性的关键，提出了超短台阶法与加强超前支护和初期支护的综合控制技术和对已发生大变形段采取换拱措施。张涛等[2]以成兰铁路松潘隧道为工程实例，探讨研究地下水和构造应力共同作用下炭质板岩隧道变形特征，提出了长锚杆注浆加固松散围岩、加强钢拱架锁脚等控制变形措施。邹翀等[3]依托兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段实际情况，在7#斜井进行了超前导洞应力释放控制方法的现场试验，结果表明沉降减少了2/3、收敛减少了1/3，达到了变形控制的目的。兰渝铁路毛羽山隧道围岩主要以炭质板岩为主，周彦雄[4]分析认为高地应力和软岩是造成大变形的主要原因，提出了提高初期支护强度、加设长锚杆注浆加固、预留合理变形量和双层初期支护的变形控制措施。彭发新等[5]结合蒙河铁路新现一号隧道炭质板岩破碎带施工过程中遇到的大变形问题，阐述了控制围岩变形避免初支侵限的综合治理措施。为解决兰渝铁路木寨岭隧道鹿扎斜井通过高地应力炭质板岩地段隧道坍塌防治和变形控制，王维富[6]从炭质板岩的特性、变形机制以及出现变形后的处治方法等方面进行了研究。结合在建的广昆铁路炭质板岩地区隧道施工[7]，对于斜井小断面隧道，采用“微台阶预留核心土法”施工，加强初期支护参数，二衬紧跟，洞内积水及时抽排。对于双线大断面隧道，采用“铁路大断面隧道三台阶七步流水作业法”施工，加强超前和初期支护、超前地质预报和围岩变形监控量测及防突泥涌水和塌方措施。

关于炭质板岩铁路隧道初支大变形问题的研究不多，随着“一带一路”基础设施互联互通的发展，中国的铁路技术必将大量走出国门，将会面对大量的板岩隧道等复杂地质条件施工问题。因此，针对“中老铁路”达隆一号隧道横洞初支大变形等病害，开展炭质板岩隧道初支病害整治技术的研究具有重要意义。

1 工程概况

1.1 达隆一号隧道

达隆一号隧道位于班普亚—沙拉巴土区间，设计为时速160 km/h 单线隧道。隧道进口里程DK197+002，出口里程DK203+425，全长6 423 m。隧道进口接路基，出口接沙嫩山1 号中桥，埋深最大约345 m。全隧除进口DK197+002～DK202+381.412 段位于半径R=6 000 m 的左偏曲线上，DK202+381.412～DK203+425 段位于半径R=4 500 m 的左偏曲线上外，其余地段均为直线。

达隆一号隧道所处区域属构造剥蚀中低山地貌、热带和亚热带季风气候区，降雨量丰富，坡面植被发育。为无人区，居民点极少，老挝主干线N13 号公路于DK200+370 隧道洞身附近蜿蜒而过。隧道穿越琅勃拉邦地质缝合带，主要为泥灰岩、板岩夹砂岩，裂隙水较发育。

根据总体施组，确保工期和施工通风，结合实际情况，现场采用“1 横洞+1 斜井”组织模式。分成4 个施工作业面，其施工隧道的长度为：进口工作面承担正洞施工长度1 498 m；横洞工作面承担正洞小里程施工长度1 665 m，大里程施工长度760 m，承担横洞施工长度623 m；斜井工作面承担正洞小里程施工长度420 m，大里程施工长度450 m，承担斜井施工长度548 m，出口工作面承担正洞施工长度1 625 m。

1.2 横洞

施工中横洞用于增加工作面和通风，运营后用于排水。横洞长度为625 m，于DK199+630 线路前进方向右侧设置横洞，纵坡设置为单面下坡，坡度i=-3‰。横洞中线与线路中线磨丁方向平面交角为75°，采用无轨双车道运输，其内净空尺寸为7.5 m（宽）×6.2 m（高）。横洞采用光面爆破，III 级围岩采用全段面法开挖，IV级和V 级围岩采用台阶法开挖。

横洞施工段采用压入式通风，吸入式通风为辅，横洞设置2 组轴流风机，一组（SDF（A）-NO8.0）供应横洞至小里程正洞1 130 m 施工，另一组（轴流风机SDF（A）-NO9.0）供应横洞至大里程正洞1 870 m 施工，横洞至大里程掘进长度大于1 000 m 后，再增设一组（轴流风机SDF（A）-NO9.0），进行串联。横洞洞内及横洞与正洞交叉口各设置1 台射流风机（SDFS-III），横洞至正洞大里程设置2 台射流风机、小里程洞内设置1台射流风机。

横洞DK199+705～800 段开挖揭示岩性为板岩，局部含炭质，灰、深灰色，弱风化W2，板状构造，中厚层夹薄层状。掌子面部分段落岩层产状有扭曲，总体走向与线路方向小角度相交，倾向掌子面右侧（线路右侧），倾角60°至近直立状，节理裂隙发育，岩体多呈碎块石状，部分板状，部分渗水。层之间比较光滑、结合性较差，围岩自稳性及整体性较差，开挖过程中容易掉块。

2 横洞病害及其原因分析

2018 年11 月12 日至12 月6 日期间，DK199+686～DK199+780 段连续出现监测数据红色报警，单日最大变形25.5 mm，掌子面开挖后一周内平均每日收敛10 mm。2018 年11 月15 日，DK199+686～DK199+755 段线路右侧边墙钢拱架受挤压变形，初支上下台阶出现裂缝，裂缝宽度2～5 mm，初支侵限3～10.4 cm。DK199+772～DK199+775 拱顶出现表层裂缝，长度3 m。截至2018 年12 月6 日，不同断面的变形列于表1 中，右侧边墙初支最大变形侵限19.4 cm。

表1 不同断面的初支变形mm

横洞病害的原因分析如下。

开挖隧道中，围岩出现应力重新分布，原有的岩体受力状态被破坏，薄层状围岩主要向洞径方向（垂直于岩层走向）发生变形。

在隧道开挖以后围岩出现松动圈容易松动掉块，开挖轮廓不能很好地控制，导致钢拱架不能与围岩密贴、初支背后不密实甚至空洞，造成围岩松动圈再次加大，隧洞周边压力增大，所以使初支不能长时间抵抗围岩压力，产生大变形和开裂等病害。

地下水径流在隧道开挖时改变，隧道周边汇集了大量地下水，炭质板岩在水的作用下被软化，层之间结合变差，围岩的稳定性变差，围岩的抗力减小、作用在支护上的围岩压力增加，导致出现初支变形开裂破坏等病害。

3 病害整治

3.1 临时措施

采取的临时措施如下。

1）封闭掌子面及下台阶，并暂停开挖施工。

2）立即对DK199+760～DK199+800 上台阶设横向支撑及向右侧斜撑，斜撑顶至开裂部位下方（与水平方向夹角约60°），斜撑底焊接于横撑上，支撑采用Φ150钢管，纵向间距2.4 m，支撑端部应与钢拱架牢固焊接，控制变形的继续增加并防止塌方，如图1 所示。

图1 初支大变形控制支撑结构

3）下台阶DK199+760 处及DK199+800 仰拱端头初支钢拱架脚各设2 道Φ150 钢管横撑，其端部同样需与钢拱架焊接牢固，以利用控制变形。

4）现场应设专职安全员，同时配备变形自动报警设备，加强监测频率，当现场出现异常情况时，应第一时间组织施工人员安全撤离，并及时向相关单位汇报，以便处理。

5）待临时措施施做完毕、初支变形稳定后，方可进行以下整治措施。

3.2 整治措施

3.2.1 仰拱未施作段

对DK199+734～DK199+800 共66 m 未施作仰拱段，采取如下的大变形整治措施。

1）采用Φ42 钢花管对拱墙进行径向注浆加固围岩，间距1.2 m×1.2 m（环×纵），长度4.5 m，注浆材料采用水泥浆，水灰比为1∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa。

2）施作钢花管注浆加固前，需要用万能杆件搭设施工架子，如图2 所示。

图2 钢花管加固围岩的施工台架

3）待初支变形稳定后方可施做防水层和二次衬砌结构，二衬采用40 cm 厚C35、P8 钢筋防水混凝土结构，增设I14 钢拱架仰拱单元封闭成环，间距1.2 m，钢拱架上下台阶脚均应设置锁脚锚管并注浆。

4）锁脚锚管采用2 根Φ42 注浆钢管，管长2.5 m，预留10 cm 于钢拱架外，锁脚锚管与钢拱架焊接牢固。

5）防水砼“双掺”具有补偿收缩功能的抗裂高效防水剂和一级粉煤灰，掺加粉煤灰数量不小于30%的水泥用量，抗裂高效防水剂用量不少于水泥用量的8%～10%。

3.2.2 仰拱已施作段

针对DK199+686～DK199+734 共48 m 仰拱已施做段，采取如下的大变形整治措施。

1）根据监测资料和施工测量复测，对侵限部位局部设3 排Φ42 钢花管径向注浆，间距1.2 m×1.2 m（环×纵），长度4.5 m，注浆材料采用水泥浆，水灰比为1∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa。

2）待达到注浆效果变形稳定后，方可施作防水层和二次衬砌结构。

3）拱墙采用C35 钢筋砼衬砌加强，二衬采用40 cm厚C35、P8 钢筋防水混凝土结构。

3.2.3 隧道变形侵限段

对于隧道变形侵限段，除了采取以上钢花管径向注浆加固围岩外，还需要施作小导管超前支护后进行钢拱架逐榀拆换，确保二衬的厚度以及隧道净空限界。使用3.5 m 长、0.4 m×2 m（环×纵）间距、纵向搭接长度1.5 m 的Φ42 超前小导管。

3.3 横洞未开挖段V 级围岩施工

采用“台阶法+临时仰拱”施工V 级围岩段横洞隧道，具体如图3 所示，施工顺序如下。

图3 带临时仰拱的台阶法施工横断面

隧道超前支护利用上一次循环架立的钢拱架，小导管施工采用Ф42 热轧无缝钢管，环向间距0.4 m、纵向间距2.0 m、管长3.5 m，用风枪打入，其尾部焊接在钢拱架上。注浆材料采用水泥浆，水灰比为1∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa。

控制爆破开挖①区，初喷4 cm 厚混凝土，安装钢拱架，做好锁脚钢管，底部设置I18 钢拱架，喷设混凝土，完成①区临时仰拱，补喷混凝土至设计厚度后钻设系统锚杆。

控制爆破开挖②区，初喷4 cm 厚混凝土至导坑周边，安装钢拱架，做好锁脚钢管，复喷混凝土至设计厚度后钻设系统锚杆。

控制爆破开挖③区，初喷4 cm 厚混凝土后安装仰拱的钢拱架，隧道周边补喷混凝土至设计。

浇筑第Ⅴ区域隧底填充及Ⅳ区仰拱混凝土，分次施作仰拱及隧底填充区域。

初支封闭成环后，根据监控量测数据，待初期支护变形稳定后拆除临时仰拱，Ⅵ区衬砌使用二衬台车浇筑。

4 结束语

详细介绍了中老铁路达隆一号隧道横洞初支大变形等病害发生的过程及其原因，提出了封闭掌子面及下台阶和上下台阶设横向支撑及斜撑的临时措施。对于仰拱未施作段，提出了采用钢花管注浆加固拱墙部围岩、增设钢拱架仰拱单元封闭成环、加厚二衬和浇筑“双掺”防水混凝土的综合措施。对于仰拱已施作段，提出了在侵限部位局部设三排钢花管径向注浆加固围岩、加厚拱墙二衬和浇筑“双掺”防水混凝土的综合措施。对于侵限段隧道，提出了在施作小导管超前支护后进行钢拱架逐榀拆换的措施。依托达隆一号隧道横洞初支大变形等病害建立的整治技术确保了现场施工安全，为中老铁路2021 年12 月3 日顺利开通运营，更为实现“一带一路”基础设施互联互通作出了一点贡献。