软岩大变形铁路隧道控变技术措施

2024-02-20崔勇

工程建设与设计 2024年2期

崔勇

（北京铁城工程咨询有限公司，北京 100043）

1 引言

在铁路隧道建设中，高地应力环境下的软弱围岩大变形隧道是一种特殊地质状况下的大变形隧道，其形状有很大的突发性，在大变形影响下产生的特征为断面减小、拱顶沉降、拱腰裂开、基底鼓起等。部分区域已完成的二衬构造甚至会出现裂缝损坏，给建设进程与运营安全带来巨大的挑战。因此，对软岩大变形铁路隧道施工变形控制理念和措施的探讨极具必要性。

2 工程概况

高速铁路某隧道为单洞双线隧道，左右线线间距4.6 m，30‰单面上坡，进、出口里程分别为DK84+127 和DK86+840，全长2 713 m。隧道经过的软岩地层以泥质页岩为主，局部夹砂岩，页岩颜色为灰黑，软弱泥质与白色云母夹层居多，强度非常差。页岩层厚在3～10 cm，多为薄层状，层理明显，产状歪曲，挤压作用显著，岩层破裂，强度极差，用手揉成粉，遇水软化成泥；顺层发展，有平滑的顺层，在层中大部分为软泥夹层，节理、层理发展与分割强烈，围岩完整性极低，隧道左拱有不稳定面，开挖后坍陷、脱落严重。在高应力区，会出现较大移动与变形。

3 高地应力作用下的软岩隧道挤压变形

隧道开挖后，围岩形成临空面，结构体系发生变化，内应力重新分布，在此过程中，当围岩强度应力比达到一定程度时，将造成隧道挤压变形。高地应力是一种相对论[1]，其与围岩强度（Rb）相关。换言之，当围岩中的最大地应力和强度之比到达一定程度时，才可称高地应力，又称极高应力。研究表明，当强度应力比小于0.3～0.5 时，即能产生比正常隧道开挖大一倍以上的变形。这时洞附近会产生大面积塑性区，由于挖掘产生围岩质点挪动与塑性区的“剪胀”效应，洞周将产生很大位移。圆形隧道弹塑性分析结果还显示，当强度应力比小于2 时洞周将产生塑性区，塑性区随强度应力比值的减小而增大。大变形主要因素之一是高地应力。软岩变形主要特点如下：

1）变形持续久、较大的塑性变形量以及变形速率快；

2）流变特性强，变形具备较强的时间与空间效应，一经变形收敛困难，当外层载荷稳定时，岩体变形程度与时间成正比；

3）由于软岩的易扰特性，易受到卸荷松动及工程作业震动影响，即工程开挖方式与工序流程对围岩变形会产生影响；

4）变形危害性高。当隧道围岩发生变形时，隧道拱顶将发生下沉，钢架产生扭曲损伤，甚至造成隧道垮塌。

根据高地应力下的大变形的特征，该工程提出的控变措施与总计划“提前支护、强化初支、适当变形、先放后抗、从柔到刚、刚柔结合、迅速封闭、增强底部、地质预测”，很好地处理了这一问题。

4 隧道工程变形控制技术措施

4.1 超前地质预测预报

4.1.1 超前地质预测预报的方法

主要以监控测量和地质草图，并与科研检查结合的综合地质预测预报手段为主。综合超前地质预测预报方法有：掌子面地质草图，监视测量，应力应变检测和一般地质综合分析等。利用掌子面草图判断节理面的方向与倾向，并用监视测量结果对地应力值进行反演，进而判断围岩地质情况。

4.1.2 超前地质预测预报的重点

以隧道地质数据为依据，以高地应力顺层条件下的软弱围岩的力学性能作为隧道地质预测预报的要点。选择有效的超前地质预测预报方法[2-3]，在工程建设中把地质超前预测预报融入工程施工工序管理。

4.2 支护结构确定

4.2.1 地质条件及支护参数

该隧道DK84+266～DK84+445 段开挖揭示围岩以页岩为主，局部夹砂岩，页岩比例有所增加，薄～中厚层状，强风化（W3）或弱分化（W2），页岩与砂岩差异性风化明显，页岩质软，砂岩较硬。受前方红塘子逆断层影响，岩层产状紊乱，层理与节理等结构面陡倾，局部段落发育节理密集带，岩体破碎～极破碎。该段围岩多有裂隙水渗出，页岩遇水后有软化迹象，造成结构面结合变差，岩体易沿陡倾结构面发生层间错动，施工过程中多处围岩出现溜坍及初支变形侵限。

该段原设计拱部φ42 mm 小导管超前支护，环向间距40 cm，每环39 根，纵向间距3.2 m，每根长度4.5 m，全环I20b型钢钢架支护，钢架间距0.8 m，拱部φ22 mm组合中空锚杆，边墙采用φ22 mm 砂浆锚杆，长4 m，间隔1.2 m×1.0 m；网片喷射28 cm 厚C25 混凝土；留出12～17 cm 的变形量。

4.2.2 施工情况

本段施工采用三台阶五部挖掘法。因高应力作用软岩产生变形，造成早期支护破裂，裂纹约3～6 cm 宽，最严重的是右边边墙。喷出混凝土出现凸起和空鼓，型钢钢架变形。拱顶最大下沉25 cm，最大收缩值43 cm，高出保留变形范围，并破坏初期支护。

4.2.3 设计优化

因工程产生大的变形，高出保留变形范围，并破坏初期支护，所以应拟订合适的支护参数及施工计划、技术办法，同时对大变形及侵限位置采取加强措施。

基于围岩实况与监测测量资料，并考虑保留20～30 cm 变形量，二次衬砌C35 钢筋混凝土由50 cm 增加到60 cm。初期支护采用全环HW175 型钢钢架，钢架间距0.6 m；每榀钢架增设8 组φ42 mm 锁脚锚管，每组2 根，每根长4.5 m，各台阶钢架接头位置设置一块热轧钢板与HW175 型钢有效焊接，每榀钢架共设置6 块连接钢板，相邻两榀型钢钢架间设置6 根I20b 纵向连接型钢；取消该段边墙范围内的系统锚杆，以缩短工序时间，实现初期支护尽快闭合成环。

4.3 开挖施工工艺

“三台阶五步挖掘同步爆破法”用于高地应力顺层偏压软岩隧道工程。它的特征为：对不同的地质条件、地下水情况均能适应，按照不同围岩能采用调节循环进尺、支护参数及保留下沉等方法，对拱顶下沉和净空收缩进行有效抑制；划分合理的台阶高度，架设、拆卸简单钻孔台架便捷，施工时间迅速缩短；三台阶依次作业，卸碴、锚杆及架设钢拱架等流程配合施工，立即支护既能确保构造安全，又能缩短反复施工时间，不同截面模式均可用，截面高度变更性强。三台阶五步开挖法施工顺序示意图如图1 所示。

图1 三台阶五步开挖法施工顺序示意图（单位：cm）

挖掘时，预留变形要增大，避免喷层变样后对二次衬砌空间的侵占；按照隧道总有顺层偏压的特征，对顺层岩体的受力特性进行了分析，使用不平衡预留变形量工艺。在高应力区采用“先软后硬，先放后抗、软硬结合”的支护准则，早期支护可符合大变形的特征。以隧道总有顺层偏压的特征为依据，使用非对称支护方法，在根据设计认真实施支护措施的前提下，按顺层岩体力学性能分析，在构造受力繁杂的地方强化早期支护，加大型钢型号增加初支刚度，各台阶钢架接头位置增设热轧钢板，对相邻两榀钢架间增设纵向连接钢板加强连接（见图2），每榀钢架增设8 组φ42 mm 锚杆加强锁脚及增添长导管径向灌浆等。

图2 钢板加强连接

按照围岩特点，判定光面爆破各爆破参数，如周边眼间隔距离、最低阻力线、非耦合装药构造、引爆次序、阻碍长度等，还有主爆孔爆破参数（尤其是掏槽眼）的明确。周边眼打孔选搭接式，装药构造为间隔式，对各周期进尺和周边眼距离进行严格把控，周边眼间隔为20～25 cm。分段同步引爆，使用毫秒雷管微差控爆工艺，对分段装数量与分段推迟时间精准掌控，实现对爆炸振速的限制，使其对周边围岩的干扰与损伤降到最低。基于不同倾斜角对部分的受力情况，选择间隔空眼和微差爆炸工艺用于失稳或最不利位置，并使用左右两边炸药量不平衡爆炸工艺，对炸药数量、钻孔深、引爆次序及动态最低阻力线布设等进行调节，将对围岩的干扰降到最低。

上台阶挖掘1 榀钢拱架、支护1 榀；地质发生过改变时，每循环的开挖进尺要降低；采用三台阶五部挖掘措施挖掘掌子面，不允许左右两边对开，应根据施工规程作业，两边交叉作业相隔应在2～3 m，理论上，台阶马口长应是1 榀1 支1喷，极限长度不大于3 m，并按照围岩条件随时调节，增加交错间距；台阶长度降低到约5 m。高地应力区按照围岩和监测测量结果，立即进行仰拱、矮边墙施工，使之尽早封闭。早期支护根据设计要求实施，完成围岩监测测量任务，时刻控制隧道围岩的稳定性，立即报告并处理出现的问题，避免出现安全和质量意外。

为抑制变形，在上台阶作业时应布置暂时仰拱，用I18 钢架和C25 喷混凝土构成暂时的仰拱，使用φ22 mm 钢筋作竖向衔接，环向相隔1 m。

4.4 二次衬砌

通常状况下，二次衬砌应在围岩测量稳定后进行，但高地应力条件下软岩大变形是一个徐徐变化的过程，即使量测结果平稳，地应力也会慢慢作用于支护上，所以在增加早期支护的刚度、强度及厚度的同时，还必须适当增加二次衬砌的强度与厚度，施工使用钢筋混凝土。按量测与项目实情，如产生地质异常情况，立即进行二次衬砌施工。

4.5 仰拱施工

高地应力区按照围岩和监测测量结果，立即进行仰拱、矮边墙施工，使之尽早构成闭合环。仰拱混凝土作业中应用了“移动式液压栈桥抗干扰仰拱作业方法”，实现了仰拱整个断面一次施工，制止了纵向施工缝的出现，确保了仰拱的完整性。仰拱施作时，应采用每段一次成型的方式，禁止分部浇筑，特别是软岩大变形或存在别的地质灾害区，更要遵守这一原则。