软弱浅埋隧道围岩大变形控制技术研究

孙健家 （宁安铁路有限责任公司，安徽 芜湖 241000）

0 前 言

软弱浅埋隧道由于地质条件较差，施工过程中围岩大变形和支护结构侵限等现象常有发生，而目前国内在工程可行性研究阶段和设计阶段往往对各类风险因素分析不够全面，对风险等级评估不够准确，这也往往会给施工阶段的工程质量造成极大地安全隐患，因此有必要深入分析软弱浅埋隧道施工过程中围岩大变形的内在发生机理及外在影响因素，有针对性的提出行之有效的控制和优化。本文结合宁安客运专线钟鸣隧道施工中典型地段的围岩大变形现象，系统提出该类隧道围岩大变形的控制和优化措施。

1 工程概况

在建宁安客运专线钟鸣隧道岩体破碎、强度极低，全隧埋深10m～25 m，属于浅埋软岩隧道，在隧道开挖过程中围岩变形大，有初支侵限现象发生，特别是在粗圆砾土软弱夹层中，由于其颗粒间黏聚力较小，开挖面自稳能力极差，极易发生失稳，施工中围岩变形控制及稳定性判断非常重要。

钟鸣隧道采用CRD工法施工（见图1），开挖循环进尺为1.2 m(2榀钢拱架)，具体施工流程为：分台阶开挖①、②、③，逐步施作导坑周边主体结构的初期支护和中隔壁临时支护，钻设径向系统锚杆后复喷射混凝土；分台阶开挖④、⑤、⑥，其余步骤同左导坑；拆除开挖尾部靠近二次衬砌10m～12 m范围内的临时中隔壁钢架，开挖仰拱并填充。

图1 CRD工法开挖步序图

图2 钟鸣隧道软岩大变形基本情况

图3 钢架竖向支撑

图4 加强锁脚钢管

图5 径向小导管施

图6 凿除侵限钢架混凝土

图7 连接钢板及锁脚钢管

图8 增加临时仰拱喷锚厚度

图9 DK141+440左拱顶沉降时程曲线

图10 DK141+465右拱顶沉降时程曲线

2 软弱围岩大变形机理

2.1 机理

隧道地质环境不同，围岩发生大变形的时间、位置、破坏程度、影响范围也会不同。大变形发生的岩性、环境及约束条件，大、小变形的区别及力学机理对于分析和控制隧道围岩大变形至关重要。围岩大变形是指在软弱围岩隧道采用常规支护围岩发生塑性破坏，变形得不到有效地约束，变形量超过了规范允许的变形量，或有超过规范允许变形量的趋势，或在隧道完成二次衬砌较长时期后，边墙、拱顶和拱角破裂、隆起等现象。

2.2 特点及分类

围岩大变形根据不同的受控条件可以划分为：受围岩岩性和围岩结构构造控制及受人工采掘扰动影响的大变形，其中受围岩岩性控制的大变形主要包括岩性软弱的泥质页岩和砂质泥岩、泥灰岩以及具有膨胀性的软岩等。对于软弱浅埋隧道，由于松散围岩形成的松散压力直接作用在地下工程支护上，隧道开挖后围岩应力重新分布，部分围岩或其结构面失去强度，成为脱离母岩的分离块体和松散体，在重力作用下，克服较小的阻力发生塌滑，软岩在形变应力较大时，将进入塑性或流变变形阶段，因而形成较大的围岩变形。

根据《铁路隧道施工规范》（TBJ204-86），单线隧道正常变形量一般不大于15cm，双线隧道不大于30cm。也就是说，当实际变形量超过这一数值时，即认为发生了较大变形，对隧道大变形的变形量按三级划分标准，如表1所示。

隧道大变形的变形量划分表 表1

2.3 原因分析

围岩大变形区别于一般岩体失稳如岩爆、坍塌等围岩局部破坏的显著特征是围岩体的塑性变形，并具有累积性扩展和明显的时间效应特征，并给施工处理造成了较大难度。处于软弱和破碎地层中的浅埋隧道，其围岩变形的特点是以垂直下沉为主。隧道大变形是岩性、地下水及施工工法等因素综合影响的结果，其中包括不均匀浅埋软弱地层、拱脚承载力不足、锁脚锚杆失效、地表水下渗、地表开裂等因素；浅埋大跨度隧道由于埋深很浅的原因，隧道上覆岩层接近于整体沉陷，一般不能形成岩石承载拱，加之地质条件复杂、岩体破碎，节理发育，隧道围岩自稳能力差，导致初期支护大变形问题。

3 软弱围岩大变形控制及施工优化

3.1 基本情况

钟鸣隧道粉质粘土和全风化层围岩在施工过程中易发生较大变形，尤其是线路左侧上、中台阶拱脚向洞内方向45°左右变化最大，在孔隙水和基岩裂隙水的作用下，软粉质粘土和砂层向洞室临空面挤出，粗圆砾土（夹有漂石）组成的岩石很不稳定，易渗漏，容易造成围岩内细颗粒的大量流失，极易造成围岩大变形和地表大沉降，重新换拱施工至DK141+512.2后继续按照CRD法向前施工，隧道出口施工至DK141+512.2处时，发生拱顶下沉0.9m～1.2m，下沉段为DK141+537～512.2，该段换拱处理结束后，DK141+512～465段中下台阶左侧初期支护变形较大，开挖后日收敛最大值近2cm，施工预留变形量加大至40m～45cm、开挖完成后左侧初支水平收敛量普遍为60cm～70cm，F2走向正断层DK141+470嵌入隧道左侧外缘，DK141+537～465断层倾角和断层破碎带都向隧道左侧围岩拱脚底下倾斜延伸产生危害，DK141+465向小里程方向开挖，隧道左侧局部围岩还会不同程度受到影响。图2为钟鸣隧道软岩大变形情况（见图2）。

3.2 原因分析

①隧址区地质条件差且浅埋偏压，围岩松散，易变形，自稳能力不足，特别是遇水后，围岩强度迅速降低，自稳能力丧失。

②通过地质素描、加长炮孔、超前水平地质钻探法等方法，在DK141+512.2向前开挖施工过程中发现围岩中存在一条F2走向正断层，发生拱顶下沉时，断层破碎带位于仰拱位置，该仰拱施工至DK141+540，断层破碎带还未开挖揭示。

③初步判定，断层带在开挖范围内的里程为DK141+538～465。断距落差40m±，断层产状N67°E、NW 倾∠50°，构成一条断层破碎带，断裂带宽2.5～3.0m；岩性杂乱，主要为紫红色泥质粉砂岩、褐灰色泥质砂岩及灰黄色石英二长斑岩，呈菱角状、条带状碎块，混杂少许粘土等物，挤压严重，岩质特别软弱。

⑤钢拱架架设间距、钢拱架纵向连接筋间距过大，钢拱架架设前，对其拱脚部位的软弱地基未作处理，锁脚锚杆的数量达不到设计要求。

⑥降雪融化后的雪水下渗，对洞顶围岩产生极不利影响，围岩自稳能力迅速下降，导致初支受力增大，形成不稳定因素；地震作用也可能产生影响。

3.3 处理与控制措施

①对初支未成环侵限段增设临时中支撑，把4根HW175钢架利用16mm厚钢板焊接成一个边长为350mm正方形立柱做为竖撑，并按照0.6m间距设置（见图3），HW175型钢之间使用22钢筋连接，直至仰拱施工前方可拆除。

②在CRD法开挖过程中，①、②、④、⑤部锁脚钢管由2根增为6根，在待置换拱架的上部及下部，即未侵限钢架两侧加打锁脚钢管，左、右侧各2组，每榀合计8根；锁脚钢管采用φ50，壁厚3.5mm，单根长5m，并用L钢筋将两者焊接牢固，使未侵限部位的钢拱架处于稳定状态，如图4所示。

③对左线侵限段进行围岩注浆处理，采用钢花管，L=5m，小导管上钻注浆孔，φ10mm，孔间距15cm，呈梅花型布置，前端加工成锥形，尾部止浆段长度≤30cm，；注浆管在两榀钢架之间垂直于岩面打设，呈环向布置，间距0.5m；采用钻孔打入法，使用气腿钻钻孔，钻孔直径比钢管直径大3mm～5mm，然后将注浆管用钻机顶入，顶入长度不小于钢花管长度的90%。如图5所示。

④全部凿除后，再割除初支里面的钢筋网、连接钢筋、钢带及钢拱架；在钢拱架全部凿出之后，将钢拱架背后的混凝土及泥土扩挖至设计位置；在凿除混凝土时每次最多凿除2榀钢拱架，严禁连续凿出多榀钢拱架。对侵限较长的钢拱架，从下向上分段施工，不可一次性凿除整个侵限部位的钢拱架。如图6所示。

⑤通过现场测试将新置换的拱架准确调整至设计位置，并固定牢固，钢拱架之间用钢板连接，若钢板间有间隙，加设φ22螺纹钢筋补焊。在钢拱架调整好后，对新置换的钢拱架每1m打入一对锁脚（径向）钢管，锁脚钢管采用φ50，壁厚3.5mm，单根长5m，并用“L”型钢筋将钢架及锁脚连接牢固。如图7所示。

图11 DK141+480右拱顶沉降时程曲线

⑥拱架立好后，布挂钢筋网片，钢筋网片采用¢6盘圆加工，间距20cm×20cm，应保证搭接长度（1～2网格）。钢拱架之间采用连接钢带进行连接，环向间距1m；喷射混凝土采用湿喷作业，混凝土由洞外拌和站集中拌料，混凝土运输车运到工作面。喷射混凝土厚度28cm，在喷射混凝土之前在围岩表面埋入厚度标记，喷射作业应变换喷嘴喷射角度和与受喷面的距离，将钢架、钢筋网背后喷填密实。如图8所示。

3.4 效果分析

当开挖至DK141+450后变形速率逐渐变小，施工围岩变形处于正常变形状态，并且DK141+512～DK141+485已经完成换拱并施工完二衬。图9～图11分别为DK141+440、DK141+465和DK141+480断面拱顶下沉随时间变化曲线。

4 结 论

①结合软弱浅埋隧道埋深较浅、围岩破碎且强度较低、偏压以及受地下水影响较明显等地质特征，围岩大变形在施工过程中常有发生，由于不同风险因素错综复杂，软弱浅埋隧道施工风险控制必须建立在系统认识风险因素和深入分析风险原因的基础上，采用超前地质预报、控制爆破、施工工法优化、地下水控制和支护系统优化风综合控制措施，对施工各个环节的进行严格控制。

②在隧道施工过程中，工程各参建方深入分析和全面总结既有典型风险事故的机理、原因和控制措施，成功应用超前地质预报、工法优化、预加固、贯通技术和换拱技术等风险控制技术和施工优化方法，且提出一整套适用于该类隧道围岩变形控制措施及优化技术，为今后同类隧道的围岩变形现场控制及判断提供技术参考。

[1]李伟平.公路隧道设计与施工的现状及问题探讨[J].公路,2011（8）.

[2]范建海,陈志超,夏述光.软岩隧道矿山法施工大变形风险评估[J].铁道建筑,2013（7）.

[3]杜立新,王庆林.浅谈兰渝铁路隧道四大高风险源及应对措施[J].现代隧道技术,2011(2).

[4]高泗烈.大跨度软弱围岩隧道施工技术研究[J].技术市场,2012(12).

[5]鲁军良,宋新杰.全风化千枚岩围岩双连拱隧道变形控制技术[J].筑路机械与施工机械化,2012(1).

[6]王淑芳.软岩隧道变形动态监测与分析[J].中国水运,2011(6).

[7]宋同新.泥质软岩隧道挤压变形预测实践[J].铁道建筑技术，2013(S1).

[8]褚东升,刘志,靳柒勤,阳军生.山岭隧道穿越冲沟段施工风险分析与控制措施[J].地下空间与工程学报,2011(S2).

[9]吴广明.高地应力软岩大变形隧道施工技术[J].现代隧道技术,2012(4).

[10]胡镇发.某隧道大变形风险评估[J].中国水运,2013(9).