极高地应力软岩隧道双层支护技术

司剑钧

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 7 10043)

0 引言

随着我国铁路网的完善和建设标准的提高，隧道建设规模和技术水平也踏上了一个新的台阶，同时也面临着复杂环境和不良地质安全施工问题的挑战，其中软弱围岩隧道施工变形的问题对控制技术的要求在不断提升。

兰渝线兰广段处于青藏高原东北缘复杂特殊的地质构造环境，尤其是强烈的挤压构造作用。地质构造十分复杂，地应力状态属高-极高。受多期强烈变形和极低级变质作用改造以及构造、断层、高地应力及地下水等多种因素的影响，形成软岩大变形、硬岩脆性块状坍塌和流砂等，在国内外是罕见的，是特殊环境的特殊地质问题，是一条国内外在建、已建地质条件最复杂的高标准山区铁路。

兰渝线二叠系板岩及炭质板岩、三叠系板岩、志留系千枚岩等段落总长约83 km，岩性软弱、强度应力比小，属高-极高的地应力环境，被专家誉为“特类围岩”，围岩稳定性差、变形大、变形持续时间长，施工中多座隧道发生了挤压性大变形问题，出现初期支护喷混凝土开裂、掉块，钢架扭曲、断裂，初期支护失稳及侵限破坏等现象，使施工安全和结构运营安全面临极大的挑战。

文献［1-4］以现场量测数据为依托，结合理论计算，分别以围岩的相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量作为分级指标，采用综合指标判定法给出了大变形的分级标准以及相应的防治措施;文献［5］在乌鞘岭单线铁路隧道通过F7断层大变形地段，采取优化隧道断面形式、加强支护参数等措施，控制了隧道变形;文献［6-9］通过对隧道内超前导洞法与三台阶法进行现场试验，分析了施工方法在高地应力软岩地层的变形控制效果，总结了三台阶法施工各阶段的围岩变形规律;文献［10-11］采用理论分析、地质分析、现场试验、模型计算等手段研究了双层初期支护在大变形隧道中的应用效果;文献［12］采用超前大钻孔对地层高地应力进行预释放，以减小作用于支护结构上的压力，使支护系统受力处于安全范围内，以达到控制变形的目的。

本文针对两水隧道穿越炭质软岩，在施工中多次出现挤压大变形，造成初期支护开裂、剥落、钢架扭曲、折断、初期支护侵限拆换，特别因二次衬砌施作前初期支护未稳定，而引起衬砌开裂、钢筋弯曲等严重问题，分别开展双层支护和双层衬砌的试验研究，为两水隧道支护和衬砌结构优化提供实践依据。

1 工程概况

兰渝铁路两水隧道位于甘肃省陇南市，隧道穿越剥蚀中低山地貌，绝对高程为170～700 m，隧道最大埋深为346．00 m。设计为单洞双线隧道，全长4 945．346 m，隧道洞身通过的地层主要有志留系中、上统千枚岩夹板岩、炭质千枚岩夹板岩及灰岩等，炭质千枚岩地层长约3 662 m，占隧道全长的74%。隧道范围内未见区域性大断裂通过，但岩体受构造运动的影响，揉皱、褶皱发育，软弱岩体被切割成块状、碎块状，岩体破碎，完整性极差。

隧道以水平地应力为主，且地应力的分布呈不均匀性，围岩强度应力比为0．07，属于极高地应力状态。

2 前期施工出现的问题

2009年2月隧道开工，进口及斜井工区实际揭示为炭质千枚岩(如图1所示)，岩质较软，薄层状，结构面光滑，张开，层间结合差，受构造影响很严重，岩体破碎-极破碎，揉皱发育，夹石英脉体，局部有股状出水点。

图1 炭质千枚岩Fig．1 Carbon phyllite

施工过程中，初期支护结构变形较大，喷射混凝土大量开裂、掉块，部分钢拱架扭曲、断裂，支护结构失稳，初期支护结构侵入衬砌净空，拆换拱情况频繁发生，局部地段二次衬砌开裂(如图2—5所示)。

图2 钢架扭曲断裂Fig．2 Distorted and fractured steel arch

图3 初期支护开裂变形Fig．3 Cracked primary support

图4 二次衬砌开裂掉块Fig．4 Spalling of secondary lining

图5 二次衬砌钢筋扭曲Fig．5 Distorted steel bar of secondary lining

3 双层初期支护及双层二次衬砌试验

针对隧道施工中出现的问题，前期进行了大量试验，并召开了多次研讨会，经过3年的摸索实践，最终确定在两水隧道 DK359+712～+742(30 m)及DK359+742～+772(30 m)分别设置了双层初期支护及双层衬砌试验段。

3．1 试验段支护参数

3．1．1 双层初期支护试验段DK359+712～+742(30 m)

1)预留变形量70 cm(实际施工中放大了20 cm)，初次预留变形量40 cm，二次预留变形量30 cm。

2)拱部120°范围内设φ42 mm小导管并注水泥浆，环向间距40 cm，长3．5 m，搭接长度不小于1 m。

3)拱墙设置φ42 mm小导管径向注浆，长4 m，间距1．5 m ×1．5 m。

4)第1层初期支护:全环设H175型钢钢架，纵向间距0．5 m/榀，全环喷C25混凝土，厚度为30 cm。采用R32N自进式锚杆锁脚，每榀4处8根，长6 m。每榀拱架两侧边墙大跨范围内各增设3根R32N自进式锚杆，对拱架进行锁固，长9 m。

5)第2层初期支护:拱墙喷C25混凝土，厚度为20 cm;拱墙设Ⅰ18型钢钢架，纵向间距为1．0 m/榀。

6)二次衬砌采用C35钢筋混凝土，仰拱厚度为70 cm，拱墙厚度为60 cm。

3．1．2 双层衬砌试验段DK359+742～+772(30 m)

1)预留变形量70 cm(实际施工中放大了20 cm)。

2)超前支护:拱部120°设φ42 mm注浆小导管，长3．5 m，环向间距40 cm，搭接长度不小于1 m。

3)拱墙设置φ42 mm小导管径向注浆，长4 m，间距1．5 m ×1．5 m。

4)初期支护:全环设H175型钢钢架，间距0．5 m，全环喷C25混凝土，厚度为30 cm。采用R32N自进式锚杆锁脚，每榀4处8根，长6 m。每榀拱架两侧边墙大跨范围内各增设3根R32N自进式锚杆，对拱架进行锁固，长9 m。

5)第1层衬砌采用C35钢筋混凝土，厚50 cm。

6)第2层衬砌采用C35钢筋混凝土，厚30 cm，仰拱与第1层二次衬砌一起施作。

3．2 施工方案及监测结果

3．2．1 双层初期支护试验

采用三台阶预留核心土法施工，施工过程严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、快封闭、勤量测”的施工原则。如图6所示，上、中、下台阶及仰拱开挖高度分别为 4．8，3．0，3．32，2．47 m，上、中、下台阶长度分别为5，6，9 m，仰拱一次开挖长度4～6 m，开挖循环进尺为0．5 m。

图6 双层支护试验段三台阶预留核心土法开挖步序示意(单位:m)Fig．6 Excavation sequence of top heading and two-bench method in double-shell primary support experiment section(m)

第1层初期支护拱墙施工完成后，利用铺挂防水板台架在仰拱封闭前安装第2层初期支护拱架，根据具体情况一次安装3～4榀。

1)双层支护试验段最大拱顶下沉731．8 mm，最大拱脚水平收敛649．7 mm;平均拱顶下沉674．9 mm，最大拱脚水平收敛550．5 mm;最大下沉速率达34．5 mm/d，最大收敛速度达 30．6 mm/d。

各量测断面拱顶下沉及拱脚水平收敛时间曲线如图7和图8所示。DK359+735断面量测变形与施工步骤的关系曲线如图9所示。

图7 双层支护试验段拱顶下沉时间曲线Fig．7 Crown settlement Vs time in double-shell primary support experiment section

图8 双层支护试验段拱脚水平收敛时间曲线Fig．8 Horizontal convergence at arch feet Vs time in double-shell primary support experiment section

图9 DK359+735断面量测变形与施工步骤的关系曲线Fig．9 Correlation between measured deformation and construction steps at DK359+735

2)上台阶开挖支护后，变形速率最大，最大拱顶下沉速率达34．5 mm/d，拱脚水平收敛速率达30．6 mm/d。中台阶和下台阶开挖后，拱顶下沉速率达30 mm/d，拱脚水平收敛速率达27 mm/d。在仰拱开挖前施作第2层初期支护后，变形得到有效控制，仰拱开挖前变形速率下降至2～4 mm/d。仰拱开挖支护后，变形速率基本保持在2～3 mm/d，直至铺设防水板前变形速率下降至2 mm/d左右。

3)第1层初期支护与围岩间的接触压力最大值为0．846 MPa，平均值为0．322 MPa;2层初期支护间接触压力最大值为0．750 MPa，平均值为0．171 MPa;二次衬砌与第2层初期支护间接触压力最大值为0．452 MPa，平均值为0．167 MPa。第2 层初期支护承担了一部分围岩荷载，减小了二次衬砌的受力。

4)第1层喷混凝土应力最大值为11．42 MPa，平均值为2．93 MPa;第1层钢架应力最大值为73．79 MPa，平均值为44．51 MPa;第2层喷混凝土应力最大值为12．14 MPa，平均值为4．52 MPa;二次衬砌混凝土应力最大值为3．51 MPa，平均值为2．12 MPa;二次衬砌内侧钢筋应力最大值为55．75 MPa，平均值为35．34 MPa;二次衬砌外侧钢筋应力最大值为38．56 MPa，平均值为27．63 MPa。量测中，材料应力均未超过材料的容许应力，工作状态良好。

5)施工时间:第1层初期支护施工时间2012年8月26日至12月7日，第2层初期支护施工时间2012年10月21日至12月7日，二次衬砌施工时间2012年12月8日至2013年1月16日，共计143 d。

3．2．2 双层衬砌试验

采用三台阶预留核心土法施工，施工过程严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、快封闭、勤量测”的施工原则。如图10所示，上、中、下台阶及仰拱开挖高度分别为 4．8，3．0，3．38，2．39 m，上、中、下台阶长度分别为5，6，7 m，仰拱一次开挖长度4～6 m，开挖循环进尺为0．5 m。

图10 双层衬砌试验段三台阶预留核心土法开挖步序示意(单位:m)Fig．10 Excavation sequence of top heading and two-bench method in double-shell secondary lining experiment section(m)

第1层衬砌在仰拱封闭后20～30 m内及时施作，不受初期变形稳定的限制。第2层衬砌在初期支护和第1层二次衬砌受力趋于稳定后施作。根据结构受力现场量测数据，在第1层二次衬砌施作1个月后基本趋于稳定，开始施作第2层二次衬砌。

1)双层衬砌试验段最大拱顶下沉832．2 mm，最大拱脚水平收敛884．5 mm;平均拱顶下沉754．9 mm，平均拱脚水平收敛804．5 mm;最大下沉速率达30．3 mm/d，最大收敛速度达 34．6 mm/d。

各量测断面拱顶下沉及拱脚水平收敛时间曲线如图11和图12所示。DK359+765断面量测变形与施工步骤的关系曲线如图13所示。

图11 双层衬砌试验段拱顶下沉时间曲线Fig．11 Crown settlement Vs time in double-shell secondary lining experiment section

图12 双层衬砌试验段拱脚水平收敛时间曲线Fig．12 Horizontal convergence at arch feet Vs time in doubleshell secondary lining experiment section

图13 DK359+765断面量测变形与施工步骤的关系曲线Fig．13 Correlation between measured deformation and construction steps at DK359+765

2)上台阶开挖支护后，最大拱顶下沉速率达15．4 mm/d，拱脚水平收敛速率达16．4 mm/d。中台阶和下台阶开挖后，拱顶下沉速率达30．3 mm/d，拱脚水平收敛速率达34．6 mm/d，至仰拱开挖前变形速率下降至5 mm/d。后期至铺设第1层二次衬砌防水板前下沉及收敛速率分别为2．3 mm/d和1．2 mm/d。

3)初期支护与围岩间的接触压力最大值为0．867 MPa，平均值为0．301 MPa;第1层二次衬砌与初期支护间接触压力最大值为0．328 MPa，平均值为0．095 MPa;第2层二次衬砌间接触压力最大值为0．066 MPa，平均值为 0．033 MPa。

4)喷混凝土应力最大值为9．96 MPa，平均值为2．29 MPa;钢架应力最大值为 63．61 MPa，平均值为28．79 MPa;第1层二次衬砌外侧钢筋应力最大值为94．98 MPa，平均值为30．96 MPa;第2层二次衬砌混凝土应力最大值为1．96 MPa，平均值为1．15 MPa;第2层二次衬砌内侧钢筋应力最大值为32．77 MPa，平均值为20．26 MPa。量测中，材料应力均未超过材料的容许应力，工作状态良好。

5)施工时间:初期支护施工时间2012年10月30日至2013年1月3日，第1层二次衬砌施工时间2013年1月15日至3月10日，第2层二次衬砌施工时间2013年4月10日至20日，共计173 d。

4 双层初期支护与双层衬砌对比分析

见表1。

表1 双层初期支护与双层衬砌对照Table 1 Comparison and contast between double-shell primary support and double-shell secondary lining

从隧道支护结构变形情况、结构受力稳定性、施工工效等多方面综合考虑，后续施工隧道支护及结构参数采用双层初期支护结构。

5 结论与建议

通过双层初期支护和双层二次衬砌试验研究对比，双层初期支护变形相对较小，喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许值，工作状态良好，且从施工便利性角度考虑，双层初期支护不需要再增加衬砌台车，同时可减少绑扎钢筋的工序。后续施工采用了变形相对较小、结构受力稳定、施工工效较高的双层支护参数后，隧道基本杜绝了拆换拱现象，未发现二次衬砌开裂。建议今后在施工过程中严格控制第2层初期支护的施作时机，仰拱开挖支护前及时施作第2层初期支护，及时弥补第1层初期支护刚度不足而造成的变形发展，避免第1层初期支护的开裂、扭曲和变形侵限。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司．兰渝线特殊地质隧道研究报告［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011．

［2］中铁第一勘察设计院集团有限公司，中铁西南院有限公司，石家庄铁道大学，等．兰渝线特殊地质隧道变形控制技术研究报告［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011．

［3］中铁第一勘察设计院集团有限公司，中铁西南科学研究院有限公司，石家庄铁道大学，等．兰渝线软岩大变形隧道支护参数研究报告［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011．

［4］刘志春，朱永全，李文江，等．挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究［J］．岩土工程学报，2008，30(5):690-697．(LⅠU Zhichun，ZHU Yongquan，LⅠWenjiang，et al．Mechanism and classification criterion forlarge deformation of squeezing ground tunnels［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(5):690-697．(in Chinese))

［5］李国良，朱永全．乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术［J］．铁道工程学报，2008(3):54-59．(LⅠGuoliang，ZHU Yongquan．Control technology for large deformation of highland stressed weak rock in Wushaoling tunnel［J］．Journal of Railway Engineering Society，2008(3):54-59．(in Chinese))

［6］邹翀，张民庆，李沿宗，等．高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研究［J］．隧道建设，2012，32(1):5-10，31．(ZOU Chong，ZHANG Minqing，LⅠYanzong，et al．Trial research on deformation control during tunneling in soft ground with high geo-stress［J］．Tunnel Construction，2012，32(1):5-10，31．(in Chinese))

［7］邹翀，王超朋，张文新，等．兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段应力控制试验研究［J］．隧道建设，2010，30(2):120-124．(ZOU Chong，WANG Chaopeng，ZHANG Wenxin，et al．Experimental study on stress control in carbonaceousslatesection ofMuzhailingtunnelon Lanzhou-Chongqing railway［J］．Tunnel Construction，2010，30(2):120-124．(in Chinese))

［8］李廷春．毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术［J］．现代隧道技术，2011，48(2):59-67．(LⅠTingchun．Large deformation control technology for Maoyushan tunnel in soft rock under high in-situ stresses［J］．Modern Tunnelling Technology，2011，48(2):59-67．(in Chinese))

［9］吴广明，刘志春，吴晓辉．兰渝铁路两水隧道软岩大变形控制技术［J］．铁道标准设计，2013(12):85-89．(WU Guangming，LⅠU Zhichun，WU Xiaohui．Control technology for large deformation of Liangshui tunnel with soft rock on Lanzhou-Chongqing railway［J］．Railway Standard Design，2013(12):85-89．(in Chinese))

［10］王洪昌．双层初期支护在大变形隧道中的应用技术研究［D］．成都:西南交通大学桥梁与隧道工程学院，2013．

［11］李华伟．双层初期支护技术在软岩大变形隧道施工中的应用［J］．铁道建筑技术，2014(2):52-54，69．(LⅠHuawei．Application of double primary support technology in the construction of large deformation of tunnel in soft rock［J］．Railway Construction Technology，2014(2):52-54，69．(in Chinese))

［12］高攀，张文新，邹翀．超前大钻孔应力释放方法在高地应力软岩隧道中的应用效果分析［J］．隧道建设，2013，33(10):820-825．(GAO Pan，ZHANG Wenxin，ZOU Chong．An analysis on the effect of stress releasing by drilling in advance large-diameter boreholes:A case study on high stress field soft rock［J］．Tunnel Construction，2013，33(10):820-825．(in Chinese))

［13］胡元芳，刘志强，王建宇．高地应力软岩条件下挤压变形预测及应用［J］．现代隧道技术，2011，48(3):28-34．(HU Yuanfang，LⅠU Zhiqiang，WANG Jianyu．Squeezing deformation prediction of soft rocks under high ground stress and its application［J］．Modern Tunnelling Technology，2011，48(3):28-34．(in Chinese))