炭质页(泥)岩隧道施工大变形防治措施

夏 勇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

随着我国铁路建设的高速发展，铁路建设中隧道工程数量日益增多，隧道穿越不良地层日渐复杂，其中隧道穿越软弱膨胀围岩体时，常发生隧道大变形等施工问题，严重危及施工安全及施工进度，因此，对于隧道穿越软弱围岩大变形采用何种有效合理的防治与控制措施愈显紧迫与重要。本文将结合某实体工程，对软弱围岩隧道大变形施工防治处治技术进行深入研究，以便为今后软弱围岩隧道大变形的防治提供新的技术资料。

1 工程概况

某隧道进口里程DK409+090，出口里程DK412+517，全长3 427 m，为双线隧道。隧道穿越地层为炭质页(泥)岩，呈薄片状，具有明显的不均匀性，受区域地质构造的作用明显，摩擦镜面和揉皱发育，易产生层间滑动，且岩层走向不利于隧道稳定，卸荷效应强烈，导致开挖后初支产生开裂、钢架扭曲(见图1)、剪断、掉块等大变形现象。隧道施工中结合变形特点将预留变形量由150 mm依次提高至300 mm，450 mm，600 mm，但仍产生大范围变形侵限现象，导致大范围换拱，隧道最大变形收敛达1 400 mm(见图2)。

图1 钢架扭曲变形图

图2 变形后换拱图

2 围岩变形破坏特征与原因

2.1 平收敛、拱顶下沉曲线图(DK412+200)

1)水平收敛时间曲线图见图3。

2)水平收敛速率时间曲线图见图4。

3)拱顶下沉时间曲线图见图5。

4)拱顶下沉速率时间曲线图见图6。

图3 水平累计收敛时间曲线图

图4 水平收敛速率时间曲线图

图5 拱顶下沉时间曲线图

图6 拱顶下沉速率时间曲线图

2.2 围岩变形破坏特征

1)隧道下沉速率较快基本发生在上台阶开挖后以及中、下台阶开挖阶段。2)仰拱封闭后隧道下沉速率降低。3)仰拱封闭后隧道拱腰收敛速率加大。4)隧道掌子面软硬不均时钢架易发生扭曲、断裂。5)炭质页(泥)岩含水量较大时变形及收敛较大。

2.3 原因分析

1)炭质页(泥)岩特性:风化快，透水性弱，亲水性强，遇风、遇水后围岩强度迅速降低。2)炭质页(泥)岩呈片状构造，每层薄面上如镜片状光滑，触感油滑，层与层之间无粘结力。3)隧道开挖后，掌子面及拱顶炭质页(泥)岩迅速风化，强度降低，周圈裂隙水向开挖面汇集，加速围岩条件恶化。4)从现场施工情况来看，开挖后掌子面及拱顶炭质页岩剥落现象严重，尤其拱顶更为明显，拱顶剥落高度一般达到0.5 m，导致现场超挖现象较明显，如现场不能及时封闭或回填不密实，由于炭质页岩特点，拱顶较难形成自然拱条件，自稳能力较差，拱顶或周圈剥落继续发展，导致隧道周圈松动圈范围较大，作用于隧道结构上的作用力也较大。

3 变形防治措施

3.1 初期支护加强

根据国内外治理大变形隧道的经验，采用“加固围岩，改善变形，先柔后刚，先放后抗，变形留够”的原则。根据炭质页(泥)岩特点，初期支护既要具有足够的柔度来适应软岩的大变形，又要在一定的时间内具有足够的刚度来限制软岩产生的过量变形。

施工中结合现场地层情况分别采取了单层支护与双层支护方案。单层支护试验了Ⅰ22，H175型钢方案;双层支护采取外层Ⅰ22b，内层Ⅰ18的支护方案。

对于双层支护的时机选择，本着先放后抗的原则，第一层支护允许承担一部分变形收敛，结合相关工程试验成果，考虑到锚喷混凝土结构在变形收敛超过25 cm时，支护结构发生破坏，已不能满足锚喷支护的功能要求，因此第一层支护以变形收敛接近25 cm时，施作第二层支护，确保第一层支护不发生结构性破坏。

3.2 系统锚杆加强

隧道设计系统支护的真正含义在于:围岩自稳性+钢架支撑+系统锚杆牵制+喷射混凝土=稳定的支护结构，所以锚杆在初期支护系统中作用极其重要。锚杆的主要作用在于:穿透多层围岩，使围岩形成整体，增加了围岩的稳定性，当锚杆与钢架连接时，增强了钢架对周圈围岩的抵抗性。结合过去隧道大变形治理的经验，系统锚杆对于隧道大变形的控制效果较明显。

施工中对于系统锚杆加强采取了两种方案:1)深锚杆方案，锚杆长度要求深入松动圈不小于2 km，结合现场量测数据，实际施工中锚杆长度按照8 m长度施工，锚杆间距1.2 m×1.2 m。2)采用系统锚管注浆代替系统锚杆，系统锚管采用φ42小导管，长4 m，环纵向间距1.5 m，系统锚管钻设后注浆加固地层，为保证注浆效果，可在围岩适当变形后进行补充注浆加固。

3.3 强化锁脚，增强钢架纵向连接

从现场监控量测数据显示，隧道拱顶松动圈较大，隧道拱顶下沉较大，因此，强化锁脚，强化钢架节点处受力性能有效减少隧道整体下沉量。

1)锁脚盲管采用φ42钢花管，长度由原设计4 m增长至6 m，锁脚锚管斜向下45°钻设，并注浆加固地层。2)各台阶节点处设置大拱脚，加大节点处受力面积。3)各台阶节点处纵向设置Ⅰ14轻型工字钢，加强前后钢架纵向连接。

3.4 施工工法优化

对于软岩大变形隧道，台阶法是目前较常用的施工方法之一，可通过各台阶分步施工达到快速支护和封闭的目的。试验数据表明:在下道台阶未施工前，各台阶变形达到总变形量的50%以上，初期支护结构封闭后变形量不足10%。因此，施工中以短台阶为主，加快各台阶推进，尽早封闭支护结构，有利于总体变形控制。结合现场施工工艺，要求各台阶长度控制在3 m～5 m范围内，从上台阶开挖到仰拱封闭时间应尽量控制在15 d内，尽快完成支护封闭。

4 施工效果

结合现场地质情况，采取了双层支护+普通锚杆与单层支护+长锚杆方案，从现场监控量测数据来看，双层支护方案第一层支护变形收敛一般按20 cm控制，第二层支护变形收敛较小，一般为3 cm～6 cm，说明先放后抗的双层支护方案在控制软弱围岩变形收敛方面效果较明显。单层支护配长锚杆方案变形收敛基本控制在35 cm内，但局部地层含水量较大时，变形收敛仍较大，对于变形收敛的控制效果不如双层支护明显。

5 结语

从现场试验来看，隧道地质条件，如岩性、岩石产状及断层等是大变形的主因，施工技术水平也对隧道变形起到一定的影响。软弱围岩隧道大变形施工处治关键在于弄清软弱围岩的变形规律特征，找出其变形原因，采用合理的施工方法和支护参数，结合现场试验来看，有效地控制大变形的措施可以归纳为以下几个方面:

1)采用先放后抗的双层支护措施。2)加大单层初期支护强度，一般采取加大钢架刚度，即采用H150，H175钢架并加强纵向连接。3)采用深孔锚杆，锚杆深入到松动圈范围以外不小于2 m。4)变形段适时注浆加固围岩，改良地层岩性。5)加大预留变形量，预留变形空间。6)施工中短开挖、快支护，实现支护快速封闭。

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