云桂铁路对门山隧道富水软岩大变形段掘进施工技术研究

才泳

摘要： 文章结合云桂铁路对门山隧道穿越强风化软质粉砂岩地层出现的大变形问题，在现场地质调查、研究及监控量测数据分析的基础上，提出了针对性的变形控制措施。在对门山隧道施工过程中，通过选择合理的开挖方式、合理优化支护措施、采用可调整式钢拱架、设置超前导洞及超前钻孔释放应力、加大变形预留量等措施有效地控制了围岩变形。本隧道所采取的变形控制技术措施达到了有效控制软岩大变形的目标。

Abstract： Combined with the large deformation problem when the Duimenshan Tunnel of Yungui Railway throughout the strong weathering soft siltstone strata， the paper puts forward the targeted deformation control measures on the basis of the analysis of the field geological survey， research and monitoring measurement data analysis. In the construction process of the Duimenshan tunnel， through the measures of selecting reasonable excavation methods， reasonably optimizing the support measures， using adjustable steel arch， setting the lead hole and the leading hole release stress， and increasing the amount of deformation reserve， the deformation of the surrounding rock is effectively controlled. The deformation control technology measures achieve the goal of effective control of soft rock deformation.

关键词： 铁路隧道；软质围岩；大变形；控制措施；监控量测

Key words： railway tunnel；soft surrounding rock；large deformation；control measure；monitoring measurement

中圖分类号：U455.49 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0100-03

0 引言

随着我国在基础建设方面的迅猛发展，公路、铁路及地铁等工程建设项目遍地开花，并伴随着西南部大开发的加速推进，越来越多长大隧道工程及地下工程建设于西南部地区。西南部地区位于亚欧板块与印度洋板块碰撞地带，地壳运动活跃，山体断裂发育、地质构造复杂，隧洞工程常需穿越高应力软弱围岩地段，高应力及软弱岩体常使隧洞工程出现围岩大变形。围岩大变形使隧洞洞身及支护、衬砌等结构出现变形开裂、塌方、超限等具有极大危害的地质灾害。因此，掌握高应力软弱围岩情况下的隧道开挖技术及措施，确保施工的顺利进行及隧道结构物安全正常使用，具有非常重要的现实意义。

1 工程概况

云桂铁路对门山隧道位于丘北县新店乡、冲头乡境内，隧道设计为单面下坡。进口里程DK588+058，出口里程DK597+636，全长为9578m，最大埋深约680m，隧址区属构造侵蚀中山地貌，地形起伏较大。测区地面高程1185～1929m，洞身段高程一般在1300～1500m，相对高差200～700m，自然坡度一般20°～40°，局部可达60°。测区内基岩零星出露，表层有第四系坡残积粉质粘土覆盖，坡体植被发育，多为杂木，局部平缓处被肯为旱地。隧道进出口地段均为冲沟及斜坡地。

测区地表上覆坡残积（Q）粉质粘土。隧道穿越地层主要为三叠系上统鸟格组（T3n）地层，岩性为灰、黄灰色薄至中厚层状泥岩、砂质泥岩、钙质粉细岩；三叠系中统法郎组B段（T2fb）地层，岩性为黄灰色、绿灰色薄至中厚层状泥岩、砂泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩，该地层普遍含钙质。

测区构造以华夏系、新华夏系为主体构造系。区内构造活动强烈，具继承性和多期复活的特点，以新裂构造为主，褶曲构造也较为发育，地层走向北东向，北北东向，测区构造复杂程度属复杂。

2 施工中遇到围岩大变形的地质问题

隧道施工至DK592+065断面时，初支的C25喷射混凝土在施作后30h时，进行隧道收敛变形监控量测的技术人员发现喷射的混凝土出现龟裂及斜裂缝等现象。48h时，支护喷射混凝土的裂缝变大，支护呈现向明显的膨胀变形，同时隧底有隆起迹象。4d后I20b工字钢拱架呈现局部扭曲变形，钢拱架局部与喷混脱离，同时隧底隆起更为明显。

经进行监控量测，隧道变形速率在12d以内较大。水平收敛变形速率最大值为15.23mm/d，累计水平收敛量达532.52mm；拱顶下沉的最大速率为12.67mm/d，累计拱顶下沉量达427.26mm；洞底隆起量达227.15mm。

发生隧道围岩严重变形后，经设计单位进行现场实勘察、检测及分析。本断面处隧道埋深约为563m，隧道围岩为软质粉砂岩，且地下水渗流较大。隧道横截面内的最大围岩初始应力（σ）为12.78MPa，隧道水平应力的最大初始值为13.78MPa，粉质砂岩的单轴抗压强度（Rc）为19.6MPa，岩石强度比Rc/σmax=1.42<4。按《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2005）分级标准，属于极高应力，即隧道围岩存在高应力，软质岩在开挖时变形极为显著，且持续时间长，成洞性差。endprint

3 对门山隧道高应力变形控制措施

3.1 总体施工原则

根据对门山隧道软弱围岩的特点、地下高应力分布的规律及隧道的外轮廓形状，并结合其它项目施工时，在高应力软弱围岩大变形的处理及控制方面的经验及技术总结。总体上按照“先柔后刚，先放后抗”的基本原则进行大变形的控制。

“先柔后刚，先放后抗”指初支采取钢筋网喷射混凝土、可调整的钢拱架（且型号由原来I20b工字钢加大至I22b工字钢）及锚杆等柔性结构，在较大程度上允许围岩释放大部分变形，达到设计预留量后；采用较大刚性的二次衬砌，即提高二衬混凝土标号，增加厚度等措施，以抵抗围岩压力，避免洞身变形及破坏。

3.2 变形控制技术措施

按照以上基本原则，本项目采取了如下主要变形控制的技术措施：

3.2.1 选择合理的开挖方式

采取预留核心土的三台阶七步法施工（如图1所示），且遵循仰拱及时封闭成环，二衬紧跟的原则。以达到控制荷载释放速度，降低对围岩的扰动，从而减少大变形带来的危害。

以机械开挖为主，必要时辅以爆破，在施工中注重对施工方法及工艺进行优化研究。

核心土长度宜为3～5m，宽度为隧道宽度的1/3～1/2。循环进尺依钢架间距确定，且控制1.5m内，左、右侧台阶错开2～3m，各台阶长度控制在7m以内，仰拱距下台阶不大于15m，以使初期支护及早封闭成环。

3.2.2 合理优化支护措施

对门山隧道大变形段超前支护采用？准42mm小导管，长度为4.5m，布置范围为拱部150°范围内，纵向每3m设置一环。小导管环向间距设为30cm，小导管内注浆。小导管纵向钻眼角度以10～15°上仰角。小导管外露部分与刚架及锚杆焊接牢固，形成承載整体。

采用6～9m系统长锚杆，按1.0m×1.0m布设。25cm厚钢纤维喷射混凝土。

3.2.3 设置超前导洞及超前钻孔释放应力

在隧道中部设置一处超前导洞（见图2），利用超前导洞释放围岩应力，导洞设置于隧洞上部，导洞超前掌子面25m以上，导洞开挖断面面积为30m2，提前12d以上进行围岩应力及变形释放。监控量测数据表明，导洞两侧洞壁的收剑变形值于190～280mm范围内。隧道洞身开挖支护后的收敛变形值于210～330mm范围内。超前导洞可使围岩提前释放了35～52%变形量，极大地降低围岩作用于支期支护的压力。表1为典型断面的超前导洞释放变形量测数据表。

在部分地段采用了超前钻孔进行压力释放，通常孔径越大，压力释放的效果更好，但需根据既有设备情况、技术能力及进行经济成本考虑后确定孔径，本项目的超前钻孔直径为20cm。超前掌子面约30m。监测量测的结果表明，本项目超前钻孔释放应力后的洞身总变形量为未钻设超前钻孔76～89%范围内，虽具有一定的效果，但较超前导洞而言，提前释放的变形量要小许多。故本项目施工时，主要采用超前导洞释放变形量。

3.2.4 加大变形预留量

设计预留变形量按照25cm考虑。本隧道施工时加大了变形预留量，防止初支超限。一般预留拱顶下沉量40cm，预留水平收敛30cm，并根据不同隧道段的围岩情况进行适当调整。

3.2.5 探索二次衬砌合理施作时间

施工时，实测软岩变形数据，并进行变形数据的初步分析，以确认实测数据的有效性，对有效数据进行位移时程曲线、变形速率时程曲线的绘制，随后进行变形数据曲线的回归分析（如图3所示）。按照二次衬砌所允许的变形量及变形收敛速率的控制值，通地回归分析曲线计算二衬施作的时间，在确定的二衬施作时间再对监测数据进行分析，满足要求后，进行二衬的施作。

3.2.6 提高初支及模注砼衬砌的刚度

通过加大初支钢拱架工字钢型号、提高衬砌结构的强度、加大衬砌厚度等方式提高模注砼衬砌的刚度。①初支的钢架型号由原来I20b工字钢加大至I22b工字钢。 ②衬砌厚度由原来的50cm加大至55cm。③将衬砌结构的钢筋混凝土强度由原来的C35提高至C40。

3.2.7 提高监控量测的频率

监控量测作为确保隧道施工安全及施工质量的一项重要技术手段，作为高应力大变形隧道施工，做好监控量测尤为重要。

通过监控量测以掌握隧道围岩及支护结构的动态信息，并将分析结构及时反馈，以指导现场施工作业。同时，通过监控量测以了解隧道围岩在所采取的技术控制措施下的表现情况及反映的一些规律、特点，为所采用的工法、技术措施效果进行鉴定、评估，为处理大变形提供科学依据。

普通围岩隧道的监测频率通常为1～2次/d，但本项目将频率提高到4次/d，遇到特殊情况及围岩地质极差的情况下，适时提高监测频率。

为了快速进行监测数据的分析及反馈。在手提电脑中编制了计算软件，输入数据后，即时自动绘制出位移—时间等各类直观曲线；自动进行曲线回归分析并计算、显示出相应参数，能够及时准确地掌握隧道围岩及支护的动态状况。

4 高应软岩变形控制技术评估

按照上述大变形综合控制措施及支护参数进行施作后，围岩变形得到很好的控制，收敛变形在通常12d内趋于稳定，虽然局部围岩变形相对较大，但喷射混凝土表面基本没产生裂缝，钢架没有出现整体扭曲变形现象，仅钢架连接处型钢垫板及型钢出现轻微扭曲变形现象，但整体性较完好，焊缝完整，进行了处理后，变形稳定。

本项目选取了4个较为典型断面的拱顶下沉、水平收敛达到稳定时的天数，及施作二衬时的变形速率列表如表2所示。

从表中2可看出，断面在12d内均达到了变形稳定阶段，最大拱顶下沉值190mm；最大累计水平收敛值306mm，较未采用有效措施前小了许多。

5 结束语

软弱围岩且存在高地应力，是使隧道洞身出现大变形的两个主要成因。虽然地应力无法减少，但可加强初支及二衬以抵抗高压应力。故本项目加强了初支参数及提高了二衬的刚度作为抵抗高地应力的主要手段。但控制大变形的宜先放后抗，本项目采取了设置超前导洞或超前钻孔进行部分应力的释放，达到了事半功倍的效果。另外，开挖轮廓要预留足够变形空间，避免变形超限。最后要运用成熟、快捷的计算软件进行回归分析及预测，为下一步施工工艺及支护参数的调整提供信息，以确保施工安全。

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