连拱隧道软岩大变形特征分析及施工方法研究

韦 景 宇

(中国中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000)

连拱隧道软岩大变形特征分析及施工方法研究

韦 景 宇

(中国中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000)

通过邵家台连拱隧道施工中开展的软岩大变形研究及现场施工实践，分析和总结了软弱围岩在施工过程中出现的地质、地应力及围岩变形特征等，针对其特点探讨了控制变形支护参数及有效的施工方法，解决了现场施工难以正常掘进问题，同时也保证了隧道的施工安全和质量。

连拱隧道，软岩，变形特征，施工方法

湖北省谷城至竹溪高速公路邵家台连拱隧道地处南秦岭构造带内，地质构造复杂，且构造变形、褶皱，围岩软弱，节理裂隙发育。开挖后在地质构造应力作用下，围岩大变形频繁、突出，初支变形开裂、侵限，模筑二衬混凝土开裂、下沉和移位等现象，导致掘进无法正常进行，经常出现施工中断或停工现象，严重危及现场施工安全及工程质量，由此引起了建设方、设计、监理及公司本部的高度关注。通过建设方多次主持召开湖北省专家技术专题研讨会及现场勘验，对工程揭露实际围岩的地质特征及支护结构破坏形式及特征进行系统分析和研讨，找出该隧道围岩及支护大变形发展的规律及原因，制定了相关变形控制标准和施工方法要求，最终有效解决了施工难以掘进问题，隧道施工也得以正常开展。

1 工程概况

1.1 概述

湖北省新建谷(城)至竹(溪)高速公路第16合同段邵家台连拱隧道位于十堰市房县青峰镇红塔乡党家湾衬境内，呈东西向展布，隧道全长365 m(K87+785～K88+150)，属于短隧道，最大埋深约54.9 m。省道S305两次穿过隧道进出口上方，隧道设计建筑界限净宽23.5 m，净高5.0 m，Ⅴ级围岩175 m，占隧道总长48%，Ⅳ级围岩190 m，占隧道总长52%，隧道施工采用新奥法原理组织施工。

1.2 工程地质

隧址区在大地构造上位于南秦岭构造带内，地处南秦岭—青峰断裂带上，地质构造复杂。地表覆盖层为第四系褐黄色粉质粘土，夹有少量砾石，基岩及其风化层为强风化炭质片岩，变晶结构、片状构造，主要矿物成分为长石、石英、绢云母等，围岩属软岩，稳定性差。隧道围岩分级及变更情况见表1。

表1 围岩分级变更表

1.3 水文地质

隧址区地表水系不发育，主要为大气降水形成的地表面流及山体沟谷内季节性流水等，水量受季节性影响变化较大，自然排泄畅通，对隧道施工影响小。地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，主要受大气降水补给，补给条件较好，雨季隧道开挖受影响较大，极易出现滴水、渗水，甚至涌水现象。

2 不良地质

2.1 开挖揭露围岩描述

1)隧道正洞开挖掘进后，发现围岩受地质构造作用严重，节理裂隙极为发育、破碎，且褶曲明显，自稳性差，手可捏成团，呈黑褐色，开挖后多呈塑性流动状(见图1)。2)岩体节理切割形成松散小块体，结构松散破碎，为强风化片岩，且裂隙中充填石英、云母及泥化物，局部形成软泥夹层或破碎带，稳定性差(见图2)。3)通过委外进行岩石力学及自由膨胀率实验，围岩单轴抗压强度基本为12 MPa～20 MPa之间，属于软质岩石，且千枚岩遇水自由膨胀率达12%～15%之间。

2.2 软岩变形特征

1)变形量大，部位明显。洞身围岩变形监控量测按每5 m一个量测断面设置，每个断面从拱顶—上拱腰—中拱腰布设观测点，重点监控拱顶至拱腰外侧下沉、收敛情况，见图3。例如：隧道出口端右洞YK88+900～YK88+910段15 d监控量测结果：YK87+900断面拱顶累计沉降量152.5 mm，最大累计收敛(A—A″)571.21 mm；YK87+905断面拱顶累计沉降量121.7 mm，最大累计收敛476.18 mm；YK87+910断面拱顶累计沉降量102.3 mm，最大累计收敛432.43 mm，其中A点部位变形非常明显。2)变形速率大，突变明显。初支结构分段施工变形速率：掌子面上台阶掘进时实测最大变形速率为32 mm/d，中台阶外侧施工时实测最大变形速率为65 mm/d，但下台阶及仰拱开挖施工时实测最大变形速率达103 mm/d，突变明显。初支闭合成环及仰拱混凝土回填施工完后，洞身整体结构趋于相对稳定，变形速率小于3 mm/d或为零。3)变形持续时间较长。2014年9月4日，隧道左洞进口端K87+862～K87+890段二次衬砌在中隔墙侧(仰拱回填顶面向上约3 m处)出现纵向开裂，裂缝长28 m，最大开裂宽度约25 mm，据K87+875断面量测数据显示：衬砌后拱顶累计下沉125 mm，水平收敛累计47.5 mm，断面整体净空内收18 cm(见图4)。表明二衬后期承担围岩持续变形产生较大应力。

3 产生变形原因剖析

邵家台连拱隧道施工过程中不断发生的围岩及支护结构严重变形经过剖析其原因，主要有以下几点：

1)不良地质因素：该隧道围岩软弱破碎、自稳能力差、强度低，加上围岩结构混杂，受地质构造作用严重，褶曲明显、节理发育、千枚岩遇水膨胀而发生塑性蠕变等不利因素，使得地质应力突出明显是隧道大变形的内因。2)结构类型不合理因素：因受地理条件限制而设计为连拱隧道，其结构类型势必造成在多次开挖过程中不仅严重扰动围岩自身稳定性，而且还造成围岩应力分布反复发生变化和转换，加剧了大变形的产生和发展。3)结构设计不足因素：主要体现在对不良地层中隧道多次开挖扰动后发生大变形发展程度估计不足，不但没有因地制宜采取加强或特殊设计，初支结构偏弱，在初支无法稳定情况下，仅通过加大部分段落二衬混凝土厚度来加强支护明显不足。4)工序衔接时间的影响：该隧道掘进采用三台阶法施工，初支未能及时封闭成环，加上受连拱隧道先后行主洞掘进严格要求控制，两洞工序不仅受到制约，相互影响也极大，二衬往往相对滞后。如果能及时二衬跟进，可尽早完成隧道整体支护，围岩及支护结构变形即可尽早减小，从而可趋于稳定。

4 变形控制标准要求

根据施工过程中监控量测结果及围岩和初支变形特征，结合现场实际施工状况，制定变形控制标准要求：最大变形量：沉降量不大于350 mm，水平收敛不大于600 mm；变形速率不大于5 mm/d。

5 控制变形施工方法

通过多次开展研讨及现场施工实践，掌握软岩变形产生规律，进而科学合理制定相应的施工方法，局部调整支护参数，采取有效措施，动态优化施工。

5.1 调整或增设部分支护参数

1)在中隔墙上部左右正洞的每榀初支25b工字钢之间增设两排φ25对拉锚杆进行加强，见图5；2)正洞每榀初支25b工字钢之间环向增设8根间距为3.2 m的18b工字钢连接，提高工字钢整体支护作用，见图6；3)正洞外侧拱腰处(变形收敛最突出A部位)每榀初支25b工字钢上增设双排长度为4.5 m～6 m的φ25自制中空注浆锚杆，加强拱腰处锁脚锚固力，减小收敛；4)将变形预留量由设计的15 cm调整为45 cm，加大并优化钢拱架结构；5)二衬钢筋中增设环向格栅钢架，钢筋规格与设计相同，纵向间距1.5 m。

5.2 严格控制开挖方法

该隧道正洞采用短台阶预留核心土“三台阶法”施工，针对实际围岩软弱情况，开挖以机械为主人工为辅，避免采用钻爆法施工，尽量减少对周边围岩的扰动破坏，中隔墙顶部则采用人工配风镐凿除施工,见图7。

5.3 严格控制先后行主洞施工工序

由于连拱隧道左右两洞同时施工其受力结构相互影响很大，为确保施工安全及工程质量，必须严格控制两洞掘进施工时各工序，并尽早初支封闭，二衬及时跟进，见图8。

1)掘进台阶长度控制：上台阶3 m～5 m；中台阶5 m～6 m；仰拱及下台阶6 m～8 m，每台阶掘进长度控制以满足小挖掘机及人工工作需要即可，同时保证左右两洞掌子面之间的距离不得大于15 m；2)仰拱施作控制：根据隧道变形控制标准和日常量测变化情况确定仰拱施作时间，为避免仰拱一次开挖过长容易造成初支沉降过大或突变失稳，故每组仰拱开挖长度按不超过3 m控制，并及时浇筑仰拱回填，使初支尽早稳定；3)二衬模筑混凝土施作控制：根据隧道掘进进度及仰拱施作进度情况，采用6 m整体式钢模板台车浇筑，及时跟进，同时必须严格控制先行主洞二衬施作在对应后行主洞仰拱已施工完范围内，否则不得施作。

5.4 掘进中断或暂停施工辅助措施

隧道施工过程中，经常避免不了因特殊情况而出现掘进中断或暂停施工，当暂停时间较长时，为防止初支结构因停工时间过长而产生大变形时，需要采取临时辅助措施予以加固，以确保变形受控(见图9)。

6 结语

邵家台连拱隧道施工中最突出问题是因围岩及初支经常发生大变形而无法正常掘进。经过多次专题技术研讨和专家指导，包括中国工程院王梦恕院士莅临现场勘查与指导，现场施工中基本掌握软岩地质及应力特征、大变形发展规律及产生原因，采取相应的技术及施工调整措施，解决了隧道无法正常掘进难题，保障了隧道的施工安全和工程质量，同时也提高工效，缩短施工周期，降低施工成本。

[1] 关宝树.隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社，1993.

[2] 曾佐勋，樊光明.构造地质学[M].第3版.北京：中国地质大学出版社，2008.

On analysis of features of large-deformation of multiple-arch tunnel in soft rock and its construction method

Wei Jingyu

(No.4EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailwayFirstBureauGroup,Xianyang712000,China)

According to the research on the large-deformation of Shaojiatai multiple-arch tunnel in soft rock construction and its site practice, the paper analyzes and sums up the geological features, crustal stress and surrounding rock deformation in the construction process of the weak surrounding rock, and explores the controlling and deformation support parameter and effective construction methods, so as to solve some problems in the jacking of the site construction and ensure the tunnel construction safety and quality.

multiple-arch tunnel, soft rock, deformation feature, construction method

1009-6825(2015)32-0147-03

2015-09-02

韦景宇(1975- )，男，工程师

U451.2

A