大断面软岩偏压隧道变形原因分析与处理

■阳小峻 ■中交二航局第五工程分公司，湖北 武汉 430012

1 工程概况

改建铁路成昆线广通至昆明段扩能改造工程(DK945+650～DK1091+600)线路由广通北起，经一平浪、禄丰、双湄村、温泉及读书铺，终至昆明西，全长106．241km。金家营隧道位于云南省禄丰县金山镇南雄村境内，隧道起讫里程为DK982+007～DK982+934，全长927米，隧道设计为单洞双线隧道，设计时速200KMd客运共用。

隧道属中高低山丘陵区，地形起伏较小，自然坡度约5度～30度，局部较陡，植被发育。隧道上覆第四季全新统坡残积(Qdl+el)松软土，粉质黏土、膨胀土;下伏基岩为前震旦系昆阳群鹅头厂组(Ptld)千枚状板岩、角砾岩、泥质板岩、炭质板岩等。地下水以土层空隙潜水和基岩为主:土层空隙潜水主要赋存于沟槽内土体中，但水体以渗透为主，雨季受地表补给，水量较丰富;岩层含水以透水性差的千枚状板岩、泥质板岩、角砾岩为主，基岩裂隙水含量较少。但(14-3)层千枚状板岩中夹白云岩，故基岩中可能存在少量岩溶管道水。同时隧道进口端洞身DK982+020～300存在偏压危害;隧道出口段洞身DK982+600～+940存在偏压危害。

DK982+203～242段隧道施工中，因此段属于顺层偏压段，围岩属于Ⅴ级围岩，工程地质条件复杂。施工中在 DK982+203～240段隧道左右侧以及拱顶出现严重变形;隧道有些地方出现横向裂纹，宽度达4㎝，且局部有时还有混凝土块掉下来。其中隧道左侧最大变形量达76㎝，拱顶沉降最大处达20㎝，隧道变形如下图1

图1 隧道变形图

2 成因分析

DK982+203～242段工程地质复杂，此段属于顺层偏压段，其中隧道此段最小埋深30m，围岩类型差;又因此段隧道没有引起高度重视，没有过多考虑围岩复杂类型，开挖隧道时没有严格按三台阶七步开挖法施工，导致隧道大变形。隧道变形具体成因大致为以下几个方面:

(1)围岩软弱，承载力不足。隧道此段地质以千枚状板岩、白云岩与炭质板岩等节理缝隙发育，富含地下水。特别是此段施工中炭质板岩分布在隧道横断面左右两侧，炭质板岩遇水软化，造成承载力不足;据现场测量结果显示，此段施工中拱顶沉降累计值达205mm。

(2)偏压严重，隧道横向位移。因受地形、设计选线等多种因素制约，隧道进出口均沿山坡等高线穿行，且地形较陡，隧道左右侧覆盖层厚度相差悬殊，侧压力大。特别是进口段，隧道覆盖层厚度5～36m，施工中有塌方和侧向挤压滑移变形危险。据该隧道偏压特点，增设隧道横向位移观测项目，即沿隧道中心线，每5m设置1个观测点，每周用全站仪检测隧道横向位移情况。通过对隧道横向位移观测，2周累计横向位移值达61mm，隧道横向存在不稳定因素。

(3)施工过程控制不严。施工过程中现场没有严格按三台阶七步开挖法进行施工，中下台阶开挖施工中没有按施工作业书进行施工，造成开挖中上台阶拱架两侧处于悬空状态，造成初支产生不稳定状态加大拱架下沉;施工没有做好掌子面排水工作，炭质板岩遇水软化，出现局部坍塌现象，拱脚部位因泡水，造成承载力不够。

3 处理措施

隧道发生大变形后，首先对变形大的地段进行加固，防止变形加大或引起坍塌。采用临时横撑进行及时加固，临时横撑及竖向支撑均采用I20b工字钢，纵向间距按1米布置，初支工字钢焊接牢固。各临时横撑和竖向支撑采用Φ22螺纹钢连接，环向间距1m，将临时各钢架进行有效连接，各支撑工字钢长度可据现场实际情况适当调整，具体布置见图2临时支撑布置图，以阻止隧道变形恶化。

图2 临时支撑布局图

(1)处理原则。针对现场地质特点及前期施工中出现的问题，经对监控量测资料分析研究后，确定该隧道施工加固处理原则:提高围岩自稳能力，约束隧道横向位移，确保承载力满足设计要求，确保施工安全。

(2)处理方案。据本工程特点与结合相关类似工程处理措施，最终采用Φ42钢管注浆加固洞身围岩，加固完对隧道变形段进行侵限处理。

Φ42钢管注浆加固:固结松动圈围岩，提高围岩抗剪强度及自支护能力，减小支护上松动压力，使围岩与支护共同受力，减少初期支护上承受偏压荷载。施工工艺:在变形段拱墙部位，径向打设Φ42花管，按1m×1m梅花型布设，花管长4m。注水灰比为1∶1水泥水玻璃浆，注浆压力0．5～1MPa。加固完后侵限处理采取拱架逐榀折除，人工风镐进行处理，严禁采用爆破，每处理完6米马上进行衬砌。

4 施工工艺流程

4．1 隧道围岩加固

在处理隧道变形初支侵限前，首先要对隧道围岩进行加固，以防止隧道变形加大。采用加设Ф42环向小导管并注浆，间距 1m(纵)*1m(环)，钻孔位置具体见图3隧道洞身围岩加固图，水泥-水玻璃双液高压注浆工艺，注浆终压不小于1Mpa，注浆采取先单数孔注浆，双数孔做观测孔，单数孔注浆完毕后，再对双数孔进行注浆。

图3 隧道洞身围岩加固图

①施工准备:搭设工作平台，同时进行注浆设备准备、管材加工、材料准备、机具准备。②小导管安装:测量放样，在设计孔位上做好标记，用风动凿岩机钻孔，孔径较设计导管管外径大20mm以上。成孔后将小导管按设计要求插入孔中，尾部与钢架焊接牢固，与钢架共同组成支护体系。③注浆:注浆前先冲洗管内沉积物，浆液先稀后浓，由下至上顺序进行。单孔注浆压力达到设计要求值，持续注浆10min且进浆速度为开始进浆速度的l/4或进浆量达到设计进浆量80%及以上时注浆方可结束。小导管注浆采用水泥浆液(添加水泥重量5%的水玻璃)，注浆参数如下:水泥浆水灰比:1∶1;水玻璃浓度:35波美度;注浆压力:一般为O．5～1．OMPa;浆液初凝时间:80～120min;注浆施工中认真填写注浆记录，随时分析和改进作业，并注意观察施工支护工作面状态。注浆参数应据注浆试验结果及现场情况调整。

4．2 隧道初支侵限处理

在隧道围岩加固完成后，监控量测数据显示稳定后开始处理初支侵限。首先测量组检查隧道变形详细情况，每隔1m测量一个断面，测量出变形后数据，提供给施工技术人员，按照数据进行侵限处理。在处理侵限当中，因隧道左边变形大，先从左边开始进行处理，采用人工风镐进行处理，接着开始处理右边，直到6米长全部处理完毕。

隧道侵限处理工序:测量→拆除临时支撑→拆除喷射混凝土→切割钢筋、钢拱→重新安装钢筋、钢拱→喷射砼→测量→下一榀

在处理完6m长隧道初期支护变形后，应据量测结果确定二次衬砌施作的适当时间，施作过早可能使二次衬砌承受过大荷载，施作过迟则可能使初期支护破坏。及时对二次衬砌进行施作。

4．3 隧道监控量测

因隧道变形大，应适当增加量测断面及量测频率，每2至5米布置一个断面，每四小时量测一次，进行汇报制度。主要是测量洞内拱顶位置沉降、洞内收敛。每天按监控频率进行测量、分析、比较测量数据，及时反馈给指挥部。

经一个多月艰苦奋战，约40m的侵限全部处理完毕。经反复量测，拱顶最大沉降5mm，隧道最大收敛10mm，支护没有裂缝和异常，达到预期目标。

5 体会

(1)爱护围岩、保护围岩是隧道施工最重要的原则，软弱围岩应采取有效措施增强围岩的自支护能力。(2)该隧道地处云南地区，该地区降雨丰富，又因隧道所处地质松散软弱，富含水分，围岩且具遇水软化，拱脚处承载力不足，隧道拱顶下沉明显，建议拱脚采用大拱脚施工。(3)采用动态施工:设计→施工检验→地质预报→量测反馈→修正设计的一体化设计施工管理系统。通过对围岩动态评价及监控量测数据分析及时提供合适支护参数，进行动态设计和调整施工工法、预留沉降量、施工步距等。(4)软弱围岩严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”原则施工。(5)建议隧道设计中尽量少采用偏压隧道，以确保隧道结构和运营的安全。

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