铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践

肖广智

(中国铁路总公司工程管理中心, 北京 100844)

0 引言

目前，在隧道施工中普遍重视、强调初期支护和衬砌的作用，而对加固围岩、充分发挥围岩自身承载能力方面重视不够，或施作不到位，致使在软弱围岩施工时开挖分部较多，总变形量较大，在高地应力软岩、硬质破碎岩隧道施工时发生大变形[1]，超过正常施工预留变形量，而必须拆换初期支护，不但大大降低施工工效，也造成了较大的施工安全隐患。产生这一问题的原因为： 1)对控制变形的机制认识不足； 2)未配备相应施工设备; 3)未掌握相应施工工艺。

针对隧道变形控制的问题，国内已有大量的研究。肖广智[1]、关宝树[2]、张梅等[3]、赵勇[4]对软弱围岩隧道变形机制与控制技术进行了全面且系统的探讨； 刘钦[5]、王云龙[6]、李磊等[7]、李波[8]从机制和变形控制方面对不同岩性的隧道进行了研究；史克臣[9]、万明富等[10]分析了大断面、大跨隧道开挖变形特征，并制定了相应的变形控制方法。

黄林伟等[11]通过数值计算优化开挖工法和支护参数，以实现对软岩隧道大变形的施工控制；丁远振等[12]通过对成兰柿子园隧道进行现场监测，得到了软岩大变形隧道的支护应力特征与变形特征；邹翀等[13]以木寨岭隧道为例，通过现场试验研究分析高地应力、软岩隧道变形控制方法；彭峰等[14]、孙洋等[15]分别研究了核心土加固和施作加长锚杆等措施来控制软岩变形的效果； Pietro Lunardi[16]针对软弱破碎地质，采取预约束和加固掌子面控制隧道变形实现全断面开挖。

然而,以上研究成果均未明确提出主动控制变形的概念，也未系统形成具有普遍适用性的主动控制变形技术。本文通过相关工程调研，结合近年来部分铁路隧道的实践和工程试验，提出主动控制变形的理念，简要介绍主动控制变形关键技术，以期推动隧道设计施工技术的发展。

1 主动控制变形技术调研

1.1 主动控制变形概念

钢拱架和喷射混凝土组成的初期支护、二次衬砌通常被称为被动支护，锚杆、锚索以及注浆加固地层因充分发挥围岩自身承载能力，被称为主动支护，采用主动支护措施控制围岩变形通常称为主动控制变形[17-19]。

1.2 煤矿行业主动控制变形技术

煤矿行业20世纪70年代初期在岩巷推广应用锚杆支护技术，90年代初期淘汰金属钢架支护，推广应用锚杆支护技术，巷道主动支护技术的核心在“锚”，锚杆发挥了巨大作用。兖矿集团经过多年的技术积累，在遵循《锚杆喷射混凝土支护技术规范》等国家标准、《煤矿巷道锚杆支护技术规范》等行业标准的基本原则下，形成《兖矿集团煤巷锚杆支护技术规范》《煤巷锚杆支护材料标准》等企业标准，涵盖了锚杆支护技术管理体制、地质力学评估及煤巷围岩稳定性分类、锚杆设计、支护材料、锚杆施工、支护监测和质量检测等环节，对树脂锚杆螺纹钢杆体、扭矩螺母、锚固剂和钢筋网提出了明确的技术要求。

1)树脂锚杆杆体采用高强度、高延伸率的热轧左旋螺纹钢和精轧连续螺纹钢，由钢厂定制生产，适应煤矿巷道地应力高、变形大的特点； 扭矩螺母有阻尼式、销钉式(见图1)和压片式(见图2)； 锚固剂由树脂胶泥和固化剂2部分分隔包装成卷形，由工厂生产，施工时装入锚杆孔混合后3～5 min将锚杆和岩体锚固在一起，初始锚固力在40 kN以上； 锚杆端头采用扭矩螺母和垫片施加预应力，将钢筋网片等锚固达到主动支护的目的，锚杆端头设置让压环，当锚杆抗拔力达到一定程度时，让压环压缩变形，达到围岩应力释放的目的。

(a) (b)

图2 压片式扭矩螺母Fig. 2 Sheet type torque nut

2)由专业化加工厂生产锚杆杆体、钢筋网片、菱形金属网和经纬金属网等(见图3—6)。杆体专用钢材、树脂锚固剂、扭矩螺母、垫片和让压环等统一采购； 每批锚杆等成品在出厂前进行检验，合格后签发产品合格证，包装好后按规定存储。

图3 磨平杆体螺纹Fig. 3 Screw thread planishing of anchor body

图4 锚杆滚丝安装螺母Fig. 4 Nut installation on anchor

图5 锚垫板Fig. 5 Anchor gasket

图6 菱形编网Fig. 6 Rhombic net

3)采用单体风动锚杆钻机或液压锚杆钻机成孔、人工插入锚固剂、钻孔顶入杆体、气动扳手紧固扭矩螺母的施工工艺。巷道爆破开挖完成后，即可安装钢筋网片，然后锚杆钻机钻孔，人工塞入树脂锚固剂，锚杆钻机顶入锚杆，气动扳手带动扭矩螺母旋转杆体，将锚固剂中的树脂胶泥和固化剂充分混合、固化，当锚固达到一定强度时扭矩螺母中的销钉脱落，螺母通过垫片将钢筋网锚固于围岩。锚杆长度在3 m左右时，单根锚杆的施工时间为7～15 min。边墙锚网和拱部锚网如图7和图8所示。

图7 边墙锚网Fig. 7 Sidewall anchor net

图8 拱部锚网Fig. 8 Arch anchor net

1.3 国外主动控制变形技术

挪威和瑞典是使用喷锚衬砌较早的国家。挪威约有长160 km的干线公路隧道采用喷射混凝土或钢纤维喷射混凝土作为永久衬砌；瑞典的斯德哥尔摩地铁区间及地铁车站亦大量使用单层锚喷衬砌技术(如图9所示)；瑞士修建的费尔艾那隧道约有97%的支护都采用单层锚喷衬砌技术。

(a)

(b)

Fig. 9 Single-layered sprayed lining structure of Stockholm Metro Station

日本非常重视锚杆对围岩的加固和控制变形的作用，对锚杆的施工工艺要求非常严格(如图10—12所示)。例如： 为了保证设置的锚杆位置居中，采用金属构件固定锚杆，确保锚杆居中和注浆效果； 为了保护防水板，在锚头上设置泡沫保护衬垫，防止防水层被锚头划破等。

图10 锚杆整齐排列、编号Fig. 10 Arranging and numbering of anchor bolt

图11 锚杆卡Fig. 11 Anchor bolt clip

图12 锚杆后泡沫保护盖Fig. 12 Bubble protection cap

2 铁路隧道主动控制变形技术

在以往的铁路隧道施工中由于缺乏施工设备，锚杆施作普遍不到位，未充分发挥锚杆的作用，继而对锚杆的作用还存在争论。近年来，部分铁路隧道在主动控制变形技术的支撑下实现了大断面机械化快速施工、特大断面安全施工，在高地应力软岩大变形隧道施工中有效控制了围岩变形，保证了施工安全，加快了施工进度。

2.1 大断面机械化快速施工

郑万铁路设置试验段，采用涨壳式注浆锚杆稳定围岩，采用主动控制变形技术，实现了Ⅳ、Ⅴ级围岩全断面机械化快速施工。

2.1.1 涨壳式注浆锚杆稳定围岩机制

通过旋紧螺母使锚杆前端涨壳头涨开，与围岩有效接触，给锚杆施加一定的初始张拉力，第一时间对围岩的松弛和变形进行约束；通过便捷快速的注浆工序，使锚杆杆体注浆饱满，使锚杆与孔壁粘结牢固，形成摩擦阻力阻止围岩发生位移；最终形成应力拱效应，使围岩成为承载体而不是施载体。

2.1.2 涨壳式注浆锚杆工装及机具配置

包括三臂凿岩台车、注浆组合车、气动扳手、孔口测力计、频率读数仪和锚杆索检测仪等。

2.1.3 涨壳式注浆锚杆施工工艺现场试验

锚杆工序(含钻孔、锚杆推送、施加初始张拉力和注浆等)用时5 min 左右，是传统锚杆用时的1/3，大大节约了工序时间；可以施加40 kN 以上的初始张拉力，第一时间对围岩的松弛和变形进行约束；注浆水灰比控制在0.3～0.4，注浆压力控制在0.5～1.2 MPa，能够确保锚杆杆体注浆饱满。

2.2 特大断面安全施工

京张高铁八达岭长城站大跨段为花岗岩地层，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，开挖跨度32.7 m，开挖面积509.98 m2，是目前世界上最大的暗挖交通隧道，采用主动控制变形技术，建立刚柔并济、多重防护的围岩自承载体系，改变了传统的被动支护模式。刚柔并济、多重防护的围岩自承载体系是采用普通锚杆、预应力锚杆、预应力锚索、格栅钢架和喷射混凝土等柔性支护结构对围岩进行加固，形成围岩承载拱，承担围岩全部荷载；刚性的二次衬砌结构作为安全储备，满足围岩自承载圈长期稳定性的要求。八达岭车站支护如图13和图14所示。

施工期间大跨段围岩变形监测结果表明，最大值仅12.8 mm，满足预控要求，确保了施工安全和结构安全。

2.3 高地应力软岩隧道变形控制

在高地应力软岩隧道施工中，采用锚杆、长锚杆和锚索等主动控制变形的措施是有效控制变形的关键。

图13 八达岭车站支护断面Fig. 13 Cross-section of support of Badaling Station

图14 八达岭车站现场施工照片Fig. 14 Construction site photo of Badaling Station

2.3.1 部分铁路隧道案例

南昆铁路家竹箐隧道[20]软岩大变形段采用了8 m长的系统锚杆加固地层主动控制围岩变形，辅以改善隧道形状、加大边墙曲率等措施。兰武二线乌鞘岭隧道[21]F7断层软岩大变形段采用了长(6 m)、短(4 m)锚杆结合主动控制围岩变形，辅以双层初期支护等措施。兰渝铁路木寨岭隧道岭脊段采用长、中、短相结合的3种锚固体系： 1)长。预应力锚索，每侧5根，纵向间距1.4 m，长18 m。2)中。自进式锚杆，每榀钢架10根，作为锁固锚杆，长8 m。3)短。径向注浆小导管，环纵向间距1.2 m×1.2 m，长4 m。

2.3.2 成兰铁路隧道工程试验

成兰铁路对软岩大变形隧道开展了系统的科研和现场工程试验，试验前期主要强调“先柔后刚”、“先放后抗”，采取钢架+喷混凝土支护措施，对于锚杆的变形控制效果认识不足，对于如何发挥围岩承载的针对性不强。通过对茂县、杨家坪、跃龙门和云吞堡等隧道的研究、试验后逐步认识到，隧道开挖后围岩塑性变形破坏是产生围岩压力的原因，支护的目的就是为了限制塑性区的发展，发挥围岩自承能力。支护措施应从如何减少围岩塑性破坏出发，主动加固围岩，因此课题组提出了变形主动控制理念，形成了“加深地质，主动控制，强化锚杆，工法配合，优化工艺”的变形控制施工技术。其主动控制变形关键技术要点如下。

1)强化锚杆，强调锚杆施工效率及锚固力发挥的及时性:

①合理选择锚杆类型。对于锚杆钻孔后一定时间内围岩能够自稳、不会立刻发生塌孔缩孔的，选用普通中空锚杆；对于锚杆钻孔后孔壁易发生塌孔、无法在钻杆拔出后送入杆体的，选用自钻式中空锚杆(见图15)。中空锚杆从锚固端部返浆，注浆质量容易控制。

(a) 自钻式中空注浆锚杆示意

(b) 中空锚杆实物

②配置专用机械设备。人工机具打设锚杆，角度受限，施工进度慢，质量不易保证，大变形地段应配置高效率的专业锚杆钻机或凿岩台车，可以实现全角度锚杆施工， 8～10 m长的锚杆施作时间可控制在10～20 min，现场采用的钻机如图16所示。

(a)

(b)

③优化锚杆参数。采用地质雷达、声波测试法等方法探明松动区，明确不同等级、不同断面的隧道围岩松动圈，为确定锚杆参数提供依据。

④长短锚杆结合，形成群锚效应。短锚杆施作便捷快速，用于初期变形控制，限制浅部围岩松弛的发展，为长锚杆创造施作时机； 长锚杆锚入弹性区，将组合拱支护结构悬吊于深部稳定岩体，使浅部围岩和深部围岩共同作用，协调变形。长短锚杆合理组合，形成群锚效应，可以有效限制隧道围岩的塑性区发展，约束围岩变形速率，保证隧道施工安全,见图17。

图17 长短锚杆结合Fig. 17 Long and short anchor bolts

跃龙门隧道3号斜井工区严重变形段，采用双层支护+长短锚杆结合的措施(见图18)，二次支护施作完成后基本控制了围岩变形，围岩变形最大速率在0.4 mm/d以内。

在跃龙门隧道3号斜井工区进行了不同工程措施控制变形对比试验，见表1。从表1可以看出，H175+长短锚杆结合的支护方式，其变形控制较其他措施更为有效。

⑤快锚固，早承载。早期短锚杆可采用药包水泥、树脂锚固剂等快速锚固尽快形成承载力；中后期长锚杆采用快凝水泥砂浆。快凝水泥砂浆锚杆现场试验表明早强锚杆使边墙围岩压力减小56%，使拱架拱部应力减小36%，拱顶下沉和边墙位移分别减小47.2%、41.8%。

表1跃龙门隧道3号斜井试验段(按正洞断面)最终变形量控制对比

Table 1 Comparison of final deformation control amount of test section of inclined No. 3 of Yuelongmen Tunnel (in main tunnel cross-section)

里程埋深/m截至2016年6月最终变形量/mm拱顶下沉上台阶中台阶下台阶采取的主要措施+255424.77484.6471.6427.5415.8格栅+工20b+8 m砂浆锚杆+235432.92500.6520.4744.1430.2双层工20b+8 m砂浆锚杆+225438.72396.7397.9526.8315.5H175+8 m自进式锚杆+215446.02158319.9489.8155.8H175+长短锚杆结合

2)优化工法，尽量少分步，实现大断面开挖，尽早封闭仰拱成环:

①掌子面自稳性差时，采用微台阶施工，初期支护尽快封闭成环。

②掌子面自稳性较好时，采用台阶法施工，尽量少分台阶，尽可能减少钢架接头等工序衔接薄弱环节。下台阶尽量带仰拱一次开挖成型，初期支护尽快封闭形成整体。

跃龙门隧道开挖方法由三台阶优化为二台阶，减少了开挖步数，减小了对围岩的扰动，使初期支护早封闭，控制围岩压力和拱架应力，有效控制隧道变形，同时还提高了施工进度和施工效率，见图19。三台阶法与二台阶法施工综合对比见表2。

(a) 三台阶

(b) 二台阶

Table 2 Comparison between three-bench method and two-bench method

3)优化工艺，主动控制变形：

①优化超前支护布置。围岩在未开挖掌子面前已发生变形，大变形段尤其如此，因此，根据围岩稳定性条件，扩大超前加固的范围。

②加强钢架纵向连接。大变形段变形发展迅速，前后施工钢架即可能存在较大的变形差异，通过加强纵向连接增加其整体性，如图 20所示。

图20 加强钢架纵向连接Fig. 20 Longitudinal connection of reinforced steel frame

③优化钢架锁脚。大变形段应加强锁脚锚固能力，宜采用树脂锚杆等快锚锁脚；将以控制钢架基脚沉降为主的锁脚调整为控制收敛为主；在钢架接头上下均布置多组锁脚锚杆。

3 结论与建议

3.1 结论

1)在隧道施工中，主动控制围岩变形，充分发挥、调动围岩的自承载作用，是隧道现代修建技术的核心理念。

2)采用主动控制围岩变形技术，可实现软弱围岩大断面机械化快速施工，解决超大断面设计施工技术难题，有效控制高地应力软岩隧道变形，避免大变形的发生，保证施工安全和进度。

3)锚杆、锚索以及注浆加固地层等是主动控制围岩变形的关键技术措施，必须配置大型机械设备，掌握成套施工工艺，确保锚固的及时性和有效性。

3.2 建议

1)进一步研究软弱围岩的蠕变特性、长期变形及围岩压力变化规律。

2)进一步研究软岩大变形隧道初期支护变形控制标准、二次衬砌施作时机及二次衬砌受力演化和防开裂措施。

3)推广、普及锚杆施工专用设备，完善锚杆配套施工工艺。