隧道软岩挤压大变形施工控制

隧道软岩挤压大变形施工控制

作者：王太

来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第08期

摘要：介绍了宜万铁路广成山隧道软弱围岩挤压变形控制施工技术，由于采取了有效的支护技术、开挖顺序和相应的监测手段，保证了洞室的稳定，避免了因挤压发生的变形侵限及塌方，为同类地质条件下的隧道工程施工提供了借鉴。 关键词：软弱围岩 挤压变形 施工控制 1 工程概况

宜万铁路38标段广成山隧道位于重庆市忠县与万县交界处大山山脉～方斗山脉的西北翼，为矿山法施工国家Ⅰ级单线电气化铁路隧道，全长5353m，起止里程DK406+988～DK412+341，隧道最大埋深约480米。隧道设单面坡，从进口至出口坡度为－13.3‰、 －15.2‰，在隧道内坡长分别为812m、4541m。本隧道设置斜井一座，位于线路DK409+400处左侧，与隧道中线水平夹角45°，倾角23°43′，斜井斜长218米，采用有轨运输。因此本隧道分为进口、斜井、出口三个工区，四个施工掌子面。本隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩地段采用台阶法、短台阶法施工，Ⅲ级围岩采用全断面法施工。 2 地质概况 2.1 地质构造

广成山隧道不良地质段主要分布在进口和斜井小里程方向，围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级，岩质为灰、深灰色泥质灰岩夹页岩，薄～中厚层状。进口段（DK407+000～900）岩层褶皱发育，形成复式褶曲，层间揉皱现象多见，产状紊乱，受构造应力的作用，断层发育，主要发育有F4、F5、F6三条断层。其中F4为逆断层，产状171°∠68°，破碎带宽约20～25m，由断层角砾岩、挤压透镜体组成，并有方解石脉充填，钙质胶结，断层带内岩层挠曲；F5为逆断层，产状151°∠46°，断层破碎带宽约1.5～2.0m，发育断层角砾岩，成为分泥质灰岩，钙泥质胶结，胶结较差；F6断层产状223°∠41°，破碎带宽约0.2～0.3m，见角砾岩，成为分泥质灰岩。隧道左侧围岩存在顺层软弱面，易产生滑落、坍塌，对整个洞身产生侧面挤压变形，给施工带来了相当大的困难。 2.2 水文情况

隧道进口和斜井小里程段因受构造影响严重，断层发育，岩层挠曲，节理发育，岩体破碎，地下水在断层带内局部富集，涌水量较大。此段隧道埋深较浅，沟谷和水田分布，地表水系有与断层裂隙连通的可能，加大了隧道内的涌水量。

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３ 总体设计情况

全隧道除洞口段采用喷锚支护整体式钢筋混凝土战备衬砌外，其余地段均采用复合式衬砌，初期支护采用格栅钢架、锚、网、喷结合，初期支护承受主要荷载，同时作为永久结构的一部分。Ⅴ级围岩采用超前小导管、超前锚杆等超前支护措施，长度3.5m，搭接长度不小于1.5m，每环布置25根。二次衬砌为模筑30cm（Ⅳ级）、35cm（Ⅴ级）厚C25素砼，见图1开挖支护断面图，具体初期支护参数见表1： 4 施工方案 4.1 超前地质预报

①超前探测地层岩性、软弱层的位置、岩体完整程度、断裂带位置、宽度、破碎程度、富水性，为围岩变更提供依据。

②超前探测岩溶洞穴、含水体的位置、大小、规模、充填，预报突水突泥具体位置及可能带来的灾害程度。

③隧道底部及周边岩溶洞穴及含水体的位置、规模。 ④隧道突水、涌水、突泥的地段、规模、流量的测量。 ⑤提供必要的地质参数：地下水压力、水量、水的侵蚀性等。 4.2 开挖

隧道围岩破碎，稳定性极差，开挖后易失稳坍塌，不仅存在施工上的干扰，也存在对地层扰动的相互影响和叠加，因此依据隧道断面尺寸，围岩地质情况，确定科学的开挖方法，控制隧道超挖，确保洞室稳定和施工进度要求，是软弱围岩隧道施工的重要环节。对软弱破碎围岩的开挖方法遵巡短进尺、弱爆破、分部位开挖的原则，严格控制超挖。

软弱围岩隧道Ⅳ、Ⅴ级地段采用台阶法施工，上台阶每循环开挖支护进尺不大于1榀钢架间距，Ⅳ级围岩不得大于2榀钢架间距；边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀；仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环开挖进尺不得大于3m；隧道开挖后初期支护及时施作并封闭成环。

进口洞口段和断层破碎带Ⅴ级围岩采用三台阶法开挖，上台阶长度不大于5m，台阶开挖高度3.0m左右，根据围岩情况采用小药量掏槽爆破周边人工修整或人工风镐直接开挖，人力手推车运输，循环进尺0.5～1.0m；第二、第三台阶开挖高度分别为3.0m左右，单边挖掘机开挖，局部小药量松动爆破，机械出渣，人工风镐修整。软弱围岩开挖采用非电毫秒雷管跳段微差爆破，钻爆参数一般为：周边眼间距30~50cm，药卷直径20mm，不耦合间隔装药结构，炮

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眼深度1.5~2.0m，外插角度2度；掏槽形式采用水平楔形复合掏槽，位置一般在掌子面中部略向下布置，药卷直径35mm，连续装药结构，装填系数0.8左右；辅助炮眼药卷直径35mm，连续装药结构，装填系数0.6左右。 4.3 初期支护

复合式衬砌中的初期支护不仅要保证二衬施作之前的施工安全，而且要作为衬砌的一部分和二衬共同承受围岩压力，所以初期支护的质量非常重要。

在每个开挖循环完成后，先进行初喷4cm厚C20砼，封闭围岩，随即施作格栅钢架、锚、网、喷支护。格栅钢架接头采用螺栓联接，底脚垫槽钢。在施工中格栅钢架一定要与围岩密贴，如局部超挖则与围岩之间间隔一定距离加支撑，格栅钢架背后用喷射混凝土回填密实。格栅钢架固定锚杆端部弯制成L形，将格栅钢架勾住并焊接，特别是在台阶法施工中，底脚附近的固定锚杆要保证数量和安装质量。断层破碎段还需要进行超前支护，采用φ42mm超前小导管注浆预加固围岩，一般地段施作φ22mm超前砂浆锚杆预支护，环向间距40cm，长度4.0m，每环搭接长度不小于1.5m。

在台阶法施工中，下导的开挖、支护要严格遵循单边跳槽施工，每次循环长度不大于3.0m，一侧的支护达到一定强度后再进行另一侧的施工。上下导格栅钢架之间的联接质量要保证，无论是栓接或是焊接，接头强度不低于其他部位。

施工期间要坚持进行围岩量测和平时对初支表面的观察工作，及时发现初支的变化，以便采取必要的加强措施。 4.4 量测

对于软弱围岩隧道施工，围岩的监控量测和对初支表面观察必须要坚持进行，并要及时将量测数据反馈到施工中，为调整支护参数提供依据。

经过对监控量测数据的统计，对软弱围岩地段，在未采取加强支护措施前进行监控量测，初期支护最大日收敛值达到15mm，量测前7天平均日收敛值为5mm，累计总收敛值为40mm，经过工字钢支撑和注浆加固后才趋于稳定。在调整初期支护参数施工完成后进行量测，初期支护日最大收敛值为4mm，量测前7天平均日收敛值为1.5mm，累计总收敛值为17mm。经过对两次统计数据的分析，我们认为对初期支护采取的加强措施是有效的，可以保证支护的稳定。

位移速率控制的监控量频率

从施工角度分析，拱顶下沉和隧道周边收敛值最能直观地反映洞室开挖引起的结构及周围岩体的变形。从拱顶沉降和周边收敛值来分析，上导施工累计沉降占总沉降的69%，下导施工

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占沉降量的14%，拱架封闭后的沉降量占总沉降的11%。因此，如何采取措施，控制上导开挖过程中的沉降和收敛是施工控制的关键。 4.5 二次衬砌

在全断面开挖支护完成后，及时施作仰拱，使支护封闭成环，软弱围岩及不良地质铁路隧道的二次衬砌应及时施作，二次衬砌距掌子面的距离是Ⅳ级围岩不得大于90m，V级围岩不得大于70m，即保证了已开挖段的安全，又改善了隧道内的施工环境。对特殊地段

仰拱要紧跟下导，每次开挖长度不宜大于10m，开挖完成后立即封 闭。

对软弱围岩隧道施工总体要遵循：“短开挖、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的原则，并严格按照设计要求做到位。 5 施工实况

在广成山隧道按照即定的方案施工后，经过对初期支护表面的观察和对围岩量测数据的分析，大多数地段初期支护均能保证稳定，日最大收敛值在5mm以下，累计总变形量一般在20mm以内，变形量在规范允许范围之内，支护强度满足围岩变形压力。但洞内也出现了几次初期支护收敛变形过大的情况，日收敛值最大达到15mm，使初支出现裂缝，危及洞内施工安全，且变形部位均在左侧边墙起拱线附近，之后立即施作环向I20工字钢套拱强支撑，左侧沿径向施工3.0米长小导管注浆加固，收敛变形才逐渐趋于稳定，避免了塌方的发生。 经分析，这几段初期支护产生变形的原因主要有以下几点：

①这几段围岩均处于断层带和断层影响带附近，受构造影响，岩层节理非常发育，裂隙水丰富，岩质皆为泥质灰岩夹页岩，左侧为顺层结构，易产生滑移；

②围岩破碎，水量丰富，泥质灰岩和页岩遇水软化，施作系统锚杆起不到作用； ③采用台阶法施工，下导施工时又出现一次收敛变形，变形量叠加，总变形量加大； ④初支背后排水不畅，破碎围岩遇水软化变形，围岩侧压力增加；

针对现场实际，结合以上原因分析，及时对施工方法进行了调整，主要有以下几个方面： ①将原来仅在拱部设置的超前小导管延伸到左边墙处，间距根据围岩情况调整至20～30cm左右，严格控制超挖；

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②原设计左侧边墙、拱顶的系统锚杆改为φ42mm径向小导管注浆，长度不小于3.0m； ③局部设置I16工字钢拱架替代格栅钢架，间距50cm/榀，增加支护刚度； ④围岩出水点处均设置足够数量的盲管引排水； ⑤初期支护完成后，底脚设工字钢卡口横支撑；

⑥上导施工时，加强对墙角的支垫、喷射砼回填、基底清理的质量控制，减少施工对变形的影响；

⑦仰拱及时跟进，做到仰拱距掌子面不大于40m，二衬距掌子面不大于70m。 通过采取以上措施，有效地控制了支护的变形，保证了初期支护的稳定和施工安全 6 施工中应注意事项

①开挖施工必须具有时效性，不能人为因素延长时间，及时进行初喷封闭围岩。 ②超前支护必须严格按设计方案做到位，超前小导管角度、每环搭接长度符合设计要求。 ③局部超挖部分必须用同级混凝土回填密实，杜绝空洞出现。

④加强施工中的监控量测工作，特别是在落下导和仰拱开挖施工中，要增加量测频率，增设测点，密切关注围岩变化情况，并要准备一定数量的抢险物资以备急用。 7 结论

软弱围岩偏压隧道的施工，关键在于超前支护和侧向软岩加固注浆的控制，施工时还要特别注意开挖支护的时效性和监控量测的信息反馈。宜万铁路广成山隧道软弱围岩隧道按照既定的施工工序和施工工法施工，洞内初期支护稳定，拱顶下沉和洞周收敛均在允许范围之内，地面无任何变化。由此可见，我们选择的施工顺序和施工工法是科学、合理的，能够保证隧道结构的稳定，可作为同类工程施工借鉴的先例。 参考文献：

[1]关宝树.《隧道工程施工要点集》. [2]《铁路隧道喷锚构筑施工规范》.

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