隧道洞身穿越碎裂玄武岩夹凝灰岩地层的支护措施

陈国清

【摘要】在滇藏铁路工程项目施工中，云南西南地区地势起伏较大，隧道占据比重大，大部分隧道穿越二叠系玄武岩夹凝灰岩地层，上覆第四系全新统全风化～强风化玄武岩松散土层，隧道洞身横向冲沟发育，隧道埋深变化幅度大。特别是隧道处于欧亚板块与印度洋板块碰撞的边缘部位和著名的洱源-剑川活动断裂带和强地震带内，隧道内断裂构造极其发育，并与地下水和风化强度大等因素不利组合，形成全隧大范围分布的松散破碎围岩，玄武岩夹凝灰岩往往会贯穿了整个隧道，这种围岩情况导致若支护措施不当极易发生坍塌。本文介绍了洞身局部为破碎玄武岩夹凝灰岩夹地层的支护措施。

【关键词】隧道 夹凝灰岩 支护

1.地质特性

滇藏铁路是西部大开发重点基础建设项目，滇藏线起始端云南西南境内地势起伏较大，隧道占据比重大，位于川滇经向构造体系南段、南岭纬向构造体系西段和青藏、滇湎、印尼巨型“歹”字型构造体系的复合部位，处于亚欧板块与印度洋板块碰撞的边缘部位。因其特定的大地构造环境、特殊的区域地球动力学条件和强烈的现代地壳运动，导致地质构造复杂多变，活动断裂发育，新构造运动十分强烈，受褶皱、断裂及岩浆岩入侵活动的影响，岩体整体性多遭受十分严重的破坏。地壳运动剧烈，地震活动主要受洱海深（大）断裂的控制和西洱海断裂、乔巍断裂的影响，洱海西测的苍山逐年升高，洱海东岸相对下沉，现代构造运动仍在进行中。已经修建大理至丽江铁路工程中大部分隧道穿越二叠系玄武岩夹凝灰岩地层，上覆第四系全新统全风化～强风化玄武岩松散土层。由于处于欧亚板块与印度洋板块碰撞的边缘部位和著名的洱源-剑川活动断裂带和强地震带内，隧道内断裂构造极其发育，并与地下水和风化强度大等因素不利组合，形成全隧大范围分布的松散破碎围岩，玄武岩主要是火山喷发液体冷却形成，凝灰岩是火山灰沉积形成，火山的不断喷发覆盖导致凝灰岩分布无规律性，加上地质构造的影响，造成地质复杂的现状。从已建隧道开挖揭示的围岩来看，玄武岩夹凝灰岩几乎贯穿了整个隧道，分布无规律。玄武岩为青灰、黄绿、灰褐色，质地坚硬、破碎；凝灰岩呈青灰色，片状分布，岩质极软，厚度不均匀，遇水软化，自稳能力差，开挖后若支护不及时或者支护措施不当都会诱发坍塌。针对玄武岩的碎裂程度，地下裂隙水的的发育情况，凝灰岩的分布情况等分以下措施进行支护

2.隧道拱部或者局部为破碎玄武岩夹凝灰岩地层的支护措施

图1中L代表凝灰岩的纵向长度，H为凝灰岩的在隧道开挖轮廓线外岩层的厚度。第一种情况凝灰岩主要分布在拱部位置。施工时根据凝灰岩分布情况和玄武岩的破碎情况（W4、W3、W2）进行针对性的支护。分类支护有以下集中情况：凝灰岩长度小于5m、5～10m、大于10m三种情况和玄武岩W4-W3、W3-W2两种情况。

图1 隧道围岩情况示意图

2.1玄武岩为全～强风化（W4～W3）地段

（1）凝灰岩纵向分布长度L小于5m

拱墙采用格栅钢架支护，拱部采用Φ42超前小导管进行支护。格栅钢架的间距为1.0m，小导管的长度为3～5m，确保小导管能够穿越凝灰岩夹层进入玄武岩1.0m以上，小导管环向间距0.4m。施作径向锚杆时，根据钻孔判断凝灰岩的厚度来确定支护参数，当凝灰岩的厚度（H）小于3m时按照设计Ⅴ级围岩初期支护标准参数施工。若根据钻孔判断凝灰岩的厚度（H）大于3m，系统锚杆调整为4～5m的系统锚管，注1：1水泥砂浆，注浆压力1.5～2MPa，注浆量以注浆压力上升到2MPa或者周边小导管里流出浆液为止。注浆加固范围要求在拱部外轮廓线3.0m。注浆后铺挂单层φ8钢筋网片，喷射混凝土封闭。

（2）凝灰岩纵向分布长度（L）为5～10m

采用拱墙格栅钢架及拱部增设Φ60管棚加强支护。拱墙格栅钢架间距1.0m，管棚环向间距0.4m。管棚的长度根据地质超前预报凝灰岩的纵向长度来确定，一般在7～12m，确保管棚进入玄武岩层的长度不小于2.0m。管棚注1：1水泥砂浆，注浆压力1.5～2.0MPa。施作径向锚杆时，若钻孔揭示的凝灰岩厚度（H）小于3.0m时，按照Ⅴ级围岩初期支护标准参数施工。当钻孔揭示的凝灰岩厚度（H）大于3.0m时，系统锚杆调整为4～5m系统锚管并注1：1水泥砂浆，加固范围为拱部轮廓线外3.0m，注浆压力控制在10～1.5MP。注浆后铺挂双层φ8钢筋网片，喷射混凝土封闭。

（3）凝灰岩纵向分布长度（L）大于10m

采取拱墙格栅钢架及拱部增设Φ60管棚加强支护。管棚设在凝灰岩部位，拱墙格栅钢架间距为1.0m，管棚环向间距0.4m，縱向6m/环，单根管棚的长度为8m，纵向搭接长度为2m，注1：1水泥砂浆，注浆压力1.5～2.0MPa。施作径向锚杆时，若钻孔揭示的凝灰岩厚度（H）小于3.0m，按照Ⅴ级围岩初期支护标准参数施工。若钻孔揭示的凝灰岩厚度（H）大于3.0m，系统锚杆调整为长度为4～5m的系统锚管注1：1水泥砂浆，加固范围为拱部外轮廓线3.0m。注浆压力1.0～1.5MPa。注浆后铺挂双层φ8钢筋网片，喷射混凝土封闭。

2.2 玄武岩为强风化～弱风化（W3～W2）地段

（1）凝灰岩纵向分布长度L小于5m

凝灰岩出露部分拱部设置格栅钢架支护，拱部设置一环Φ42超前小导管进行加强支护。格栅钢架的间距为1.2m，钢架嵌入玄武岩1.0m以上，并打设锁脚锚杆，每侧两根，单根长3.0m。小导管的长度为3～5m，确保小导管能够穿越凝灰岩夹层进入玄武岩层1.0m以上，小导管环向间距0.4m，小导管布满凝灰岩部分即可。施作径向锚杆时，根据钻孔判断凝灰岩的厚度来确定支护参数，当凝灰岩厚度（H）小于3m时按照设计Ⅳ级围岩初期支护标准参数施工。若根据钻孔判断凝灰岩的厚度（H）大于3m，系统锚杆调整为4～5m的系统锚管，锚杆的参数等同于Ⅳ级围岩加强段，锚管注1：1水泥砂浆，注浆压力1.0～1.5MPa。注浆量以注浆压力上升到1.5MPa或者周边小导管里流出浆液为止。注浆加固范围为拱部轮廓线外3.0m。注浆后铺挂双层φ8钢筋网片，喷射混凝土封闭。

（2）凝灰岩纵向分布长度（L）为5～10m

凝灰岩出露部分采取拱部格栅钢架及一环拱部Φ60的管棚加强支护。拱墙格栅钢架的间距1.2m，钢架两侧嵌入玄武岩不小于1.0m，并增设锁脚锚杆，每侧两根，单根长3.0m。管棚环向间距0.4m，管棚的长度根据地质超前预报凝灰岩的纵向长度来确定，一般在7～12m进行，确保管棚能进入玄武岩层的长度不小于2.0m，注1：1水泥砂浆，注浆压力1.5～2.0MPa。施作径向锚杆时，若钻孔揭示的凝灰岩厚度（H）小于3.0m时，按照Ⅳ级围岩初期支护标准参数施工。当钻孔揭示的凝灰岩厚度（H）大于3.0m时系统锚杆调整为长度4～5m的系统锚管注1：1水泥砂浆，加固范围为拱部轮廓线外3.0m。注浆压力1.0～1.5MPa。注浆后铺挂双层φ8钢筋网片，喷射混凝土封闭。

（3）凝灰岩的纵向分布长度（L）大于10m

采取拱墙格栅钢架及拱部增设Φ60管棚加强支护。管棚设置在凝灰岩范围，拱墙格栅钢架间距为1.0m，管棚环向间距0.4m，纵向6m/环，单根管棚的长度为8m，纵向搭接长度为2m，注1：1水泥砂浆，注浆压力1.5～2.0MPa。施作径向锚杆时，若钻孔揭示凝灰岩厚度（H）小于3.0m时，按照Ⅳ级围岩初期支护标准参数进行施工。当钻孔揭示凝灰岩厚度（H）大于3.0m时系统锚杆调整为长度4～5m的系统锚管注1：1水泥砂浆，加固范围为拱部轮廓线外3.0m，注浆压力1.0～1.5MPa。注浆后铺挂双层φ8钢筋网片，喷射混凝土封闭。

3.洞身边墙局部为凝灰岩夹层的支护措施

图中L代表凝灰岩的纵长分布长度，H为在隧道开挖轮廓线外凝灰岩岩层的厚度。凝灰岩主要分布在边墙位置。根据玄武岩的破碎程度和凝灰岩的分布情况进行针对性的加强支护。凝灰岩的分布厚度按照小于3m，3～5m，大于5m三种情况和玄武岩的破碎情况（W4、W3、W2）进行支护。

图2隧道围岩情况示意图

3.1玄武岩为全～强风化（W4～W3）地段

（1）凝灰岩的分布厚度（H）小于3m

采取Ⅴ级围岩初期支护标准参数进行施工，钢架间距可以根据现场实际情况进行调整，间距控制在0.8～1.2m之间。若遇到凝灰岩松散，地下水发育时，将凝灰岩层处的系统锚杆改成4～5m的系统锚管，对边墙轮廓线外3m范围内进行注浆加固，注1：1水泥砂浆，注浆压力1.0～1.5MPa，固结完毕后可使用地质钻取岩芯分析注浆效果。

（2）凝灰岩分布厚度（H）为3～5m

采取Ⅴ级围岩初期支护标准参数进行施工，钢架间距可以根据现场实际情况进行调整，间距0.8～1.2m，并将Ⅴ级围支护参数里的系统锚杆的长度增加至5.0m，锚杆的纵、环向间距均为0.8m。凝灰岩出现一侧的边墙上增设单层φ10钢筋网，网片间距为20×20cm。若遇到凝灰岩破碎，地下水发育时将凝灰岩层处的系统锚杆改成4～5m的系统锚管，对边墙轮廓线外3m范围内进行注浆加固，注1：1水泥砂浆，注浆压力1.0～1.5MPa，也可根据注完浆取岩芯分析注浆效果来调整注浆压力。

（3）凝灰岩分布厚度（H）大于5m

采取Ⅴ级围岩初期支护标准参数进行施工，钢架间距可以根据现场实际情况进行调整，间距0.8～1.2m。并将Ⅴ级围支护参数里的系统锚杆调整成系统锚管，锚管的长度为5.0m，锚管的纵、环向间距都为1.0m，注1：1水泥砂浆。在凝灰岩出现一侧的边墙上增设单层φ10的钢筋网，网格间距为20×20cm。

3.2玄武岩为强风化～弱风化（W3～W2）地段

（1）凝灰岩分布厚度（H）小于3m

采取Ⅳ级围岩初期支护标准参数（贰隧参（04）DDFP140-15）进行施工，严格根據Ⅳ级围岩的支护参数进行，若遇到凝灰岩破碎，地下水发育时，将凝灰岩层处的系统锚杆改为系统锚管，对边墙轮廓线外3m范围内的凝灰岩注1：1水泥砂浆加固，，注浆压力1.0～1.5MPa，固结完毕后可使用地质钻取岩芯分析注浆效果。

（2）凝灰岩分布厚度（H）为3～5m

采取Ⅳ级围岩初期支护标准参数进行施工，并将Ⅳ级围支护参数里的系统锚杆的长度增加至5.0m，锚杆的环、纵向间距均为0.8m。边墙增设单层φ10钢筋网，网片间距为20×20cm。若遇到凝灰岩破碎，地下水发育时，将凝灰岩层处的系统锚杆改成系统锚管，对边墙轮廓线外3m范围内的凝灰岩注1：1水泥浆加固，注浆压力1.0～1.5MPa，也可以根据注完浆取岩芯分析注浆效果来调整注浆压力。

（3）凝灰岩分布厚度（H）大于5m

采取Ⅳ级围岩初期支护标准参数（贰隧参（04）DDFP140-15）进行施工。并将Ⅳ级围支护参数里的系统锚杆调整成Φ42系统锚管，锚管的长度为5.0m，锚管的纵、环向间距均为1.0m，注1：1水泥砂浆，注浆压力1.0～1.5MPa。边墙上增设单层φ10钢筋网片，网格间距为20×20cm。

5.结束语

滇藏铁路线的起始端云南西南高原地区地质情况极为复杂，特定的大地构造环境、特殊的区地球动力学条件和强烈的现代地壳运动，活动断裂发育，受褶皱、断裂及岩浆岩入侵活动的影响，岩体整体性多遭受十分严重的破坏，导致地质构造复杂多变。破碎玄武岩夹凝灰岩地层是滇藏铁路云南西南地区隧道建设过程中比较常见的地质情况，加之破碎玄武岩层地下裂隙水发育，给隧道的施工带来极大风险和困难。本文通过对玄武岩的破碎程度及凝灰岩层的分布情况，并结合现场实践经验总结了隧道洞身穿越碎裂玄武岩夹凝灰岩地层的开挖支护措施，为今后修建类似的隧道提供经验参考。

参考文献：

【1】阚荣举，张四昌，晏凤桐，俞林胜.我国西南地区现代构造应力场与现代构造活动特征的探讨[J].地球物理学报，1977 ，（5）

【2】TB 10003-2005，铁路隧道设计规范.北京

【3】TB10204-2002铁路隧道施工规范.北京

【4】王树英，阳军生，李习平.高地应力凝灰岩地层铁路隧道支护结构大变形的原因及其整治[J]. 北京.中国铁道科学，2014，（5）