天平山隧道软岩施工控制技术研究

李兴军LI Xing-jun

（中铁十二局集团第三工程公司，太原 030024）

（The 3rd Engineering Co.，Ltd.of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan 030024，China）

1 工程概况

天平山隧道（DK366+862～DK380+874，全长14012m）位于广西自治区桂林市范围内，隧道最大埋深775m，双线单洞，是贵广铁路的控制性工程之一。

2 工程地质情况

隧道范围内覆土主要有第四系全新统地层，洞身穿过奥陶系、寒武系地层，以砂岩、页岩为主，且洞身段穿越四条区域性大断层，地下水发育，砂岩储水性较好，裂隙发育，含水带范围广阔。因此，该隧道地质条件复杂，塌方、突水、突泥、围岩变形等各种不良地质相互交错、相互影响。

3 隧道软岩力学分析

岩体本身的物理性质是决定岩体破坏的主要因素，因此，天平山隧道变形问题的研究，首先从研究软岩本身的特性开始。软岩中的泥质成分及结构面控制了软岩的工程力学特性，一般来说软岩具有强度低、胶结性差、可塑性、吸水膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特点。

4 软岩变形及破坏特点

隧洞开挖后，在岩体中形成了一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；若这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆等，前者称为变形，后者称为破坏。天平山隧道内的岩性基本为层状结构，层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，其破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。

5 施工中支护体系变形破坏情况

由于前期对炭质页岩、板岩、石英岩、风化砂岩等岩体互层交错或单体的高地应力变形的能力、能量、持续时间等判断不准，施工中按照原设计支护参数施工，造成了前期施工过程中支护体系变形超限，数次发生大面积初支开裂、局部砼挤压剥落、掉块、钢架扭曲断裂的险情，变形主要集中在拱顶、拱腰部位。

6 施工中的变形控制研究

6.1 正洞软岩变形试验段位置选择

根据设计地质勘探报告，在天平山隧道在DK371+600～K372+600、DK376+100～DK377+100 等段洞身基岩为以页岩、炭质页岩为主的软质岩，埋深大，可能存在挤压性变形问题。为给后续施工提供经验，结合2#斜井位置，安排DK372+535～DK372+335 为软岩变形试验段。在试验段支护参数的选择上，充分考虑了软岩具有强度低、胶结性差、可塑性、吸水膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特性，结合以往的施工经验，并且在施工中及时动态调整，最后取得整个隧道的施工支护参数，作为指导施工的依据。

6.2 拟采用的隧道施工方法

在软岩区段可采用两台阶或三台阶法，各工序及时紧跟，施作精细到位，质量过关，排除施工不力造成大变形的因素。并注意拱脚及墙脚的稳定措施，仰拱封闭距离等。

6.3 大变形分级控制及拟定支护参数

6.3.1 大变形分级基准

对于天平山双线大断面隧道，按如表1 相对变形进行大变形分级。

6.3.2 变形控制支护参数

可能会产生大变形的情况分析：

①常规变形：薄层炭质页岩或页岩夹砂岩互层。

②I 级大变形：厚层炭质页岩。

③II 级大变形：厚层炭质千枚岩，地质构造强烈。

④III 级大变形：厚层炭质千枚岩，地质构造强烈，伴有地下水渗流。

根据上述大变形分级标准，分别采取相应的支护参数如表2 所示。

说明：①常规变形采用常规V 级双线隧道设计参数。

②I 级大变形在常规参数基础上及时补强，补喷10cm网喷混凝土。

③II 级大变形采用双层支护，补工16 钢架及18cm 网喷混凝土。

④III 级大变形采用加强双层支护，并采取掌子面加固措施，可采用钢管或玻璃纤维管注浆方式。

表1 天平山隧道量测变形分级

图1 变形量测测点布置

⑤各级大变形，均根据变形量测数据及时反馈，及时采取补强措施，以避免支护拆换。

6.4 试验段现场测试项目

试验断面安排根据现场实际，斜井交叉断后DK372+535～DK372+335 范围，各项试验段长40m,并进行工法效果检验。

6.4.1 试验内容

通过开展试验，进行工字刚钢架和H 型钢架效果对比，掌握软岩大变形隧道围岩应力释放和支护结构受力变形规律，提出变形控制标准和相应的施工工法、施工措施。

①围岩参数现场原位和取样试验。

②断面变形特征分析（不同施工开挖方式、不同支护强度）。

③适应于变形特征的不等参支护参数的确定。

④合理的预留变形量。

⑤刚架（强化格栅、H 型钢）与锚杆施作顺序对变形的影响分析试验、锚杆分部施作方法（先关键部位）。

⑥初支补强方法及参数，试验内容详见表2。

6.4.2 围岩参数现场原位和取样试验

选择有代表性区段进行现场原位岩体抗剪断试验和岩体变形试验，取样室内进行岩体强度和变形参数试验。

6.4.3 量测项目及测点布置

试验断面及量测项目如表3 所示。测点布置如图1 所示。

表2 不同变形等级的支护参数

表3 每试验段测试项目及测点统计

6.4.4 量测方法

支护应力、围岩及支护变形(位移)现场测试包括试验段收敛位移、掌子面内部位移、围岩压力、衬砌接触压力、喷混凝土应力、钢架应力、锚杆轴力、二衬混凝土应力等。

①收敛位移监测方法。结合收敛仪和断面仪进行监测，每天量测一次，直至变形基本稳定为止。

②围岩压力及接触压力监测方法。采用振弦式双膜压力盒，频率接收仪进行监测，每天量测一次，直至压力基本稳定为止。

③钢架应力监测方法。采用外贴振弦式应变计，频率接收仪进行监测，每天量测一次，直至压力基本稳定为止。

④支护混凝土应力监测方法。采用埋入式混凝土应变计，频率接收仪进行监测，每天量测一次，直至压力基本稳定为止。

6.5 解决的关键技术问题及达到的目标

为天平山隧道软岩区段安全施工提供重要技术支撑，确保施工安全。

①支护由强至弱。在没有完全掌握变形特点和变形规律之前，可采用强支护，避免变形超限后，在软弱围岩地段进行换拱的极高安全风险，通过变形量测和应力应变量测，逐渐减弱支护参数。

②预留加固空间。在开挖时，不仅按照常规预留围岩变形量，而且还要考虑预留在变形超限时进行二次初支加固空间，预留变形量可根据量测和应变数据进行由大到小逐步调整。

③仰拱、衬砌加强。在没掌握变形规律和变形持续时间之前，仰拱、衬砌按照原设计提高一个围岩级别，留有安全余量，防止围岩持续变形，作用到仰拱、衬砌上的应力超限。在试验段施工过程中根据监测数据再进行逐步调整，确保隧道施工及以后的运营安全。

④初期支护施工要“强”、“快”、“稳”。优化初期支护参数，在施工过程中严格按照试验参数规范施工，确保满足支护体系的设计承载能力，达到强支护抑制变形的目的。同时加强工序衔接管理，高效组织，实现快速封闭成环，减小施工因素造成的拱部沉降、周边收敛。同时在软弱围岩地段施工要本着安全第一的原则，切不可盲目冒进。

⑤地质探测及判别。准确掌握掌子面前方地质情况是确定软岩支护参数控制软岩变形的关键。在施工过程中采用先进的RPD-150 地质钻机，对掌子面前方50～100 米范围围岩进行钻探取芯，探测掌子面正前方及隧道周边地质情况。由于钻探存在盲区，所以在钻探之外还采用了TSP-203 地质雷达进行物探，每100 米探测一次。同时配置专业的地质工程师进行地质素描，然后综合各类探测成果得出围岩判定表，为支护参数拟定提供支撑。

⑥支护体系量测。围岩变形、应力的大小、时效、变形趋势是判断软岩支护参数的重要依据。在量测系统中采用全站仪无尺量测方法，对围岩拱顶下沉、水平收敛进行量测，及时采集量测数据，利用回归曲线法进行数据分析，判定变形等级；采用预埋压力盒、应变计等对钢架应力、锚杆轴力、围岩应力、接触压力等进行量测，将量测结果进行分析，对支护强度进行评估，判定支护参数强弱，确定后续施工合理支护参数。

通过实验I 型支护参数在确保安全质量的前提下，既有效地控制了有害变形，同时也兼顾了经济节约和加快施工进度的作用，可以作为全隧道软岩变形段的施工支护参数。

7 结束语

软岩地质条件下的大断面隧道施工采用多分部施工法，通过小断面、支护及时封闭、临时支护等技术来阻止沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等破坏形式，确保隧道稳定性，有其积极意义，但它限制了大型施工机械的使用，进度慢、安全性差,多次扰动也增加了一定的安全隐患。本课题研究软岩地质条件下的台阶法安全施工方法的控制理论和控制方法,包括核心土、超前支护、超前加固、开挖进尺、支护封闭距离及上述措施的综合应用,对于类似工程的施工有很大借鉴意义。

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[3]李文涛，张颖.直眼掏槽在隧洞软岩施工中的应用及爆破参数优化[J].长春工程学院学报（自然科学版），2007（01）.