单线隧道软岩大变形处理技术

刘军成

（中国铁建十六局集团第三工程有限公司,浙江湖州313000）

单线隧道软岩大变形处理技术

刘军成

（中国铁建十六局集团第三工程有限公司,浙江湖州313000）

隧道软岩大变形是隧道施工中的难点，初期支护变形会造成侵限换拱甚至大塌方，对施工单位造成巨大的经济损失。因此，在软岩隧道施工中，控制初支变形尤为重要。以丽香铁路圆宝山隧道3#橫洞工区施工为例，在现场工程实践的基础上，着重对单线铁路隧道软弱围岩地段施工工艺、所采取的技术参数等进行了介绍，并对监控量测及应力数据进行了分析，以期能为今后同类工程提供参考和借鉴。

软岩大变形；换拱；铁路隧道；处理技术

1 工程概况

1.1 设计概况

新建铁路丽江至香格里拉线四标段（站前工程）圆宝山隧道位于虎跳峡站～螺蛳湾站区间，进口里程D K65+776，出口里程D K76+382，全长10 606m。隧道路线纵坡：进口D K65+776～D K76+382全隧道为单面上坡，坡率依次为6‰（564 m长）、21‰（350 m长）、28.1‰（6 750 m长）、28.5‰（1 610 m长）、28.1‰（750 m长）、16‰（350 m长）、1‰（232 m长）上坡。线路平面：除洞身D K66+438.89～D K67+ 391.40段952.389 m位于半径为2 000的右偏曲线上，D K71+494.31～D K73+292.50段1 798.19 m位于半径为1 600的左偏曲线上和D K75+057.10～D K76+055.29段998.19 m位于半径1 600的右偏曲线上外，其余地段为直线。

隧道进口紧邻螺丝湾三线中桥桥台，出口紧邻花椒坡三线中桥桥台，螺丝湾车站伸入隧道进口445 m，花椒坡车站伸入隧道出口端152 m，隧道洞身最大埋深约680 m，最小埋深约40 m。

为解决施工场地、满足施工工期、施工通风、防灾救援及弃渣等需要，全隧共设4座横洞，1号、2号、3号、4号横洞全长分别为692 m、1 742 m、65 0m、1 189 m，除3号横洞采用双车道无轨运输外，其余横洞均采用单车道无轨运输

1.2 地质概况

圆宝山隧道3#横洞工区正洞属剥蚀构造剥蚀深山峡谷地貌，相对最大高差达1 025 m。隧道区地表上覆盖第四系全新人工弃土块石土、滑坡堆积层，崩坡积块石土、泥石流堆积层、冲洪积层漂石头、坡洪积层粉质粘土、粗角砾土，下伏基岩为三迭系上统白云质灰岩夹板岩、下统板岩、千枚岩夹灰、炭质板岩，岩质较软。测区为单斜构造，受区域性构造影响，其间褶曲发育，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，完整性较差。地表水为沟槽水，较发育；地下水主要为基岩裂隙水，特殊岩体为炭质板岩，岩溶弱发育，地下水较不发育，但在灰岩与可溶岩接触处可能存在较大的涌水。隧道通过区岩质较软，节理裂隙发育，岩体破碎，开挖后岩体易产生大变形，初支开裂脱落掉块。

1.3 工程特点

1.3.1 海拔高，气候多变

圆宝山隧道位于冲江河左岸，凹的别沟至侧任河之间。地面高程为2 375～3 400 m，相对高差1 025 m。隧区斜坡较陡峻，植被发育，以灌木丛，松树林为主，次为杂树林，低缓凹地及沟谷地带多垦为旱地。由于特殊的地理环境，悬殊的地貌差异，因而构成独特的“一山分四季”的立体气候。

1.3.2 山高沟深，施工难度大

隧区泥石流只要为隧道进口前凹的别泥石流沟，横洞口与公路高差近400 m的高差，沿线多为悬崖峭壁，便道施工难度非常大。隧道弃渣运距大，需投入的机械、材料、人工也要增加，施工成本增大，安全风险点也增多，管理协调难度大。

1.3.3 隧道工程地质复杂，施工风险高

本线位于印度板块俯冲欧亚板块的缝合带、青藏高原南东缘之横断山脉中段，区域地质比较复杂，广泛发育滑坡、岩溶、岩堆、危岩落石、泥石流、高地应力、有害气体等不良地质；可溶岩分布广泛，岩溶对隧道影响最大。深大活动断裂极为发育，新构造运动、地震活动强烈，岩体破碎疏松，滑坡、崩塌、错落体等不良地质密集、范围大，具成群分布，泥石流、岩溶、高地应力等不良地质问题十分突出。圆宝山隧道风险等级为I级风险隧道。

2 大变形段设计情况

2.1 设计参数

圆宝山隧道3#横洞工区正洞D1K72+420～D1K72+450段采用“大变形II型衬砌断面图”，隧道内轮廓不变，参照丽香随变附01-07（H≥2 500 m），预留变形量40 c m，开挖轮廓线边墙曲率加大。全环采用I20b钢架，间距0.5 m/榀，钢架间纵向连接钢筋采用25钢筋，“Z”形布置，设于钢架内侧（靠二衬侧），钢筋纵向接头应相互错开,锁脚采用42锁脚锚管，4 m每根，与钢架焊接牢固；同时加强各台阶底部钢架纵向垫槽钢的施工工艺，确保钢架系统整体稳定性；拱部设42超前小导管，每根长3.5 m，环向间距0.4 m，纵向间距2 m，系统锚杆拱部组合中空锚杆，边墙采用药包锚杆，长度4.0 m，非对称性施工。

2.2 施工工法

圆宝山隧道3#橫洞工区D1K72+420～D1K72+ 450段施工按台阶法组织施工，以两台阶为主，必要时采用三台阶，由于岩体较软弱、破碎，为了防止减少大爆破对围岩的扰动，开挖方法挖掘机带破碎头开挖为主，弱爆破为辅的开挖方法。开挖进尺控制在1榀拱架间距之内（即50 c m）。为保证初支及时闭合成环，下台阶初支和仰拱初支一起施工，单次施工钢架2榀。

2.3 自主加强参数

当初支收敛较大，设计参数不能满足初支变形时，可采用下列几种加固措施。

2.3.1 横撑加固

对初支开裂及脱落部位进行横撑加固，采用I25b双排钢架，上下排距2 m，纵向间距1.5 m，采用22连接筋，间距1 m。

2.3.2 径向注浆加固

2.3.3 锚筋桩加固

变形较大时采用锚筋桩进行加固，锚孔采用高压压注砂浆后，插入32砂浆锚杆，锚杆长度9 m，垫板采用20 c m×20 c m钢板，固定于钢架处。

2.4 施工情况

圆宝山隧道3#橫洞工区大变形段于2016年7月1日开始施工，8月25日，由于变形较大，初支开裂严重，预留变形量已经不能满足收敛变化规律，于是同时采取了横撑加固、径向注浆加固及锚筋桩加固等措施，施工至2016年8月31日，施工里程起讫里程D1K72+420～D1K72+462，累计42 m。

3 收敛变形及应力情况

3.1 收敛变形情况

初支由施工上台阶开始变形过大，集中侵限于中台阶，故目前施工参数无法确保初期支护不侵限。

从总体上看，留抵税额大部分集中在进项税倒挂的企业和前期投入较大的企业。这些企业迫切希望政策的放宽。另外，5月增值税新政革新后，运输公司出具的是10%的进项税发票，但是物流公司出具的是6%的销项税发票，这就引致了留抵税额的产生。再者，各个区域发展的不均衡也会出现这类问题，东部地区物产丰富，资源储备完整，但是中西部地区各基础设施及其资源相对比较薄弱，二者的差距就造成了企业间的税负不均匀，西部欠发达地区更加容易发生留抵税额。

3.2 应力监测情况

D1K72+440断面各个位置应力监测情况见图1～图3。

图1 D1K72+440围岩压力分布图

图2 D1K72+440钢架应力分布图

图3 D1K72+440锚杆轴力分布图

通过以上D1K72+440处围岩压力、钢架应力及锚杆轴力分布图显示：

（1）围岩压力最大测点出现在拱顶（1.223M P a）、右拱腰（0.422 MPa）及左拱腰（0.089 MPa），8月19日以后，拱顶压力逐渐减弱，左拱腰受力较小。

（2）钢架应力最大测点出现在拱顶上（-85.93M P a）、右拱腰下（60.03 MPa）、拱顶下（-40.94 MPa）及左拱腰下（35.99 MPa），数据显示，前期应力上升较快，三天后大部分呈下降趋势。

（3）锚杆轴力最大测点出现在右拱腰2（22.82 k N）、右拱腰3（22.66 k N）)、拱顶4（20.86 k N）及右拱腰1（19.49 k N），后期除左拱腰1表现为压应力外，其余均表现为拉应力，并有缓慢增加的趋势。

综上分析，D1K72+440段受力前期上升较快，后期变化较为平缓。

3.3 结果分析

在安装钢架钢筋计并进行初期支护后的初始时刻，接触应力值接近于零值，或呈微小负值，表示尚未形成终凝强度的混凝土喷层与钢架之间处在非挤压状态。随着隧道开挖的向前进行，喷射混凝土达到终凝强度，开挖空间增大和围岩向隧道内位移，使拱顶及拱腰接触应力上升。应力上升较快主要集中在埋设后的15 d内，后期相对稳定。

4 实验数据资料整理

土压力（围岩压力）：“+”受压。

应力计（钢架内力）：“-1”表示钢拱架内侧，即靠近围岩侧，“-2”表示钢拱架外侧，即远离围岩侧；监测结果“-”为受压，“+”为受拉。

钢筋计（锚杆轴力）：“-1～-4”表示从围岩里到外的顺序，监测结果“-”为受压，“+”为受拉。

圆宝山隧道3#横洞工区D1K72+440断面大变形监测情况如下：

（1）围岩压力3组监测结果显示：最大压力出现在拱顶及右拱腰，数据为1.223 MPa、0.422 MPa；最小压力出现在左拱腰，最大压力0.089 MPa。

（2）钢架应力6组监测结果显示：最大压力出现在拱顶上、右拱腰下和拱顶下，数值为60.03 MPa、35.99 MPa；最大拉力出现在拱顶上和拱顶下，数值为-85.93 MPa、-40.94 MPa；左拱腰上受力相对较小，最大值为12.96 MPa。

（3）锚杆轴力12组监测结果显示：最大拉力出现在右拱腰2、右拱腰3及拱顶4，数值为22.82 k N、22.66 k N及20.86 k N；最小应变出现在左拱腰1，数据为-0.5 k N。

5 结论

5.1 原因分析

根据圆宝山隧道3#橫洞工区试验段施工情况，目前仍然变形较大，存在初支开裂现象，主要原因：

（1）隧道通过区岩质较软，节理裂隙发育，岩体破碎，开挖后存在股状涌水，岩体遇水易产生大变形。

（2）在下台阶钢架支护时，上台阶或中台阶钢架已发生变形，上下连接钢板不能密贴，拱架不够顺直。

（3）锁脚施工施做不到位，锚孔过小，注浆扩散范围较小，固结力较差。

（4）超前和锁脚注浆效果差，无压力、且导致围岩遇水后，软化加剧。

5.2 技术总结

初支在围岩、钢架、锚杆及喷混凝土等相互作用下达到受力平衡体系，当累计收敛达到一定程度，受力平衡被打破，表现为急剧收敛，产生钢架扭曲、断裂及塌方现象。

初支锚筋桩属于主动约束，既能有效控制初支前期变形又能有效抑制初支后期变形，防止二衬变形开裂。

径向注浆及临时横撑能起到阻止变形加剧的作用，径向注浆能对周边围岩起到固结，能有效抑制初支后期变形。临时横撑对急剧变形起到较好的阻止作用。

U455.49

B

1009-7716（2017）06-0217-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.064

2017-03-06

刘军成（1980-），男，山东鄄城人，工程师，从事项目施工管理工作。