杏子山隧道软弱围岩大变形控制技术研究

张洪生

摘要：在杏子山隧道掘进施工时对软弱围岩大变形的控制技术进行了探索、研究，采取超前导洞或泄压孔对围岩地应力进行了释放;设置锚杆、喷射砼封闭、预留核心土保持掌子面稳定;设置锁脚锚管、临时仰拱、扩大拱脚等措施避免下台阶落底开挖时坍塌;按柔性支护理念进行初支设计及施工等综合控制措施，确保了软弱大变形围岩隧道的安全、顺利掘进，达到了规范及设计的质量要求。

Abstract： In the excavation construction of Xingzishan tunnel， the control technology of large deformation of weak surrounding rock was explored and studied. The stress of surrounding rock was released by using the leading hole or pressure relief hole. The anchor rod， jet raft closure and pre-installation core soil were set to maintain the stability of the face; the locking anchor pipe， the temporary inverted arch， the enlarged arch and other measures are provided to avoid the collapse of the lower step bottom excavation; the comprehensive control measures such as initial design and construction are carried out according to the flexible support concept. It ensures the safety and smooth excavation of the weak and large deformation surrounding rock tunnel and meets the quality requirements of specifications and design.

關键词：铁路隧道;软弱大变形围岩;控制措施;柔性支护理念

Key words： railway tunnel;weak and large deformation surrounding rock;control measures;flexible support concept

中图分类号：U45                                           文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）10-0145-03

0  引言

随着我国铁路路网的逐渐完善，隧道的建设规模、设计理念及施工技术水平也得到了极大的提高。但路网的完善及建设规模的扩大，使得大量隧道建设于地质复杂的地区，故施工中常常遇到软弱围岩大变形隧道。而软弱围岩隧道掘进时，因地质条件差，外界条件复杂多变，导致时常出现隧道坍塌、工期延后、人员伤亡等事故，损失巨大，教训深刻。隧道建设的安全及质量现状与目前的发展形式无法相适应，因此，解决软弱大变形围岩隧道建设中的施工安全和质量问题无疑迫在眉睫。

1  工程简介

新建大理至临沧铁路杏子山隧道起讫里程为DK80+183～DK89+050，全长8867m，进口端819m为车站双线隧道，其余段为单线隧道。隧道位于云南省西部横断山系纵谷区，云岭余脉-无量山、哀牢山结合部，属高中山侵蚀、剥蚀地貌，地形起伏大，冲沟深切发育，呈“V”型，隧道最大埋深726m，最小埋深12m。隧区存在顺层偏压、岩溶、断层破碎带、软弱膨胀围岩、高地应力、高地温、有害气体、围岩落石等不良地质现象。

隧区经历了多期地质构造运动，造成破碎带复杂，节理密集，岩体被切割成非常破碎的状态。故围岩自稳能力差，遇水软化变形，在施工期间发生了掌子面坍塌、初支及衬砌变形破坏等事故，不仅造成了很大的经济损失，还严重拖延了施工进度，因此，急需科学有效地解决杏子山隧道软弱大变形围岩的施工问题，以确保安全、顺利地完成施工任务。

2  杏子山隧道围岩大变形特征及原因分析

①经现场勘测及试验分析，本隧道发生大变形处围岩为粉砂岩，岩体较为破碎，取样的粉砂岩单轴饱和抗压强度（Rc）处于11.0～13.6MPa区间范围内，平均值为12.1MPa。在隧道开挖后，掌子面自稳能力差，需采取加固措施，方可确保裸露围岩的稳定。围岩变形在初期速率快，变形量大，需设置超前支护及加强初期支护方可使变形收敛。按铁路隧道软弱围岩等级划分建议表的规定，划分为软岩。杏子山隧道围岩的类型及产状决定了其具有易形变的特征。

②隧道埋深大，设计单位检测DK88+665断面（隧道埋深约629m）处围岩初始地应力值为σmax=2.73MPa，则岩石强度及应力比Rc/σmax=12.1/2.73=4.4。按《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）的评估标准进行评估，为高应力围岩。因此，隧道掘进过程中，软弱围岩在初始高地应力的作用下有显著的变形位移，且变形持续时间长，围岩自稳能力差，成洞困难。

③围岩地下水发育，在富水条件下，高地应力的软弱围岩对地下水的影响非常敏感，遇水呈显著软化及泥化作用，围岩强度降低，产生大变形。

3  软弱围岩大变形控制措施

控制围岩大变形的支护技术主要有容许变形的柔性支护设计和刚性支护设计两种完全相反的理念，因本隧道变形量大，刚性支护时支护结构承受围岩变形压力非常大，满足施工要求的刚性支护系统无疑工程量大，造价高。为此，本项目采取柔性支护设计的理念进行围岩大变形的控制，施工过程采取了如下综合控制措施。

3.1 应力释放试验

由于本隧部分地段地应力高，隧道掘进后围岩应力释放及应力重新分布的过程中使得围岩变形过大，隧道水平收敛通常为30～70cm，最大值甚至达到了93.2cm。即使按柔性理念进行设计的初支系统的允许形变上限值低于围岩形变值而出现破坏。因此，本隧拟采取设置超前导洞或是超前泄压孔使部分围岩地应力超前释放，减轻施做初支时围岩的地应力及变形值，确保初支稳固安全。

超前导洞采用圆形截面，设置于隧道断面偏上处（如图1所示），导洞断面面积约18m2，超前于掌子面40m，并分别于超前导洞断面、隧道全断面的底部设置超前30m的？准150mm泄水孔，泄水孔采用水平地质钻机钻设，兼做地质勘察。为了避免导洞坍塌，根据情况不同施做简单锚喷支护。对比试验测试表明，超前导洞可提前释放变形量的25～60%，控制变形的效果非常明显。

因超前导洞施做工期较长，造价较高，故部分围岩状况较好，变形量较小的段落在隧道上部钻设？准250mm超前泄压孔进行应力释放（如图2所示）泄压孔超前掌子面30m以上，经对比试验测试，可提前释放变形量的20～45%，控制变形的效果较超前导洞要差，但具有施工简单、快速的优势，适用于本项目工期较紧的情况。

3.2 确保掌子面变形过大坍塌的技术措施

软弱大变形围岩隧道的掌子面通常因变形过大而发生坍塌事故，造成施工人員伤及施工机具损失，故在施工中需引起高度重视。

①超前支护。超前支护为“先支后挖”的技术措施，对隧道掌子面前方围岩的变形具有良好的控制效果，是避免掌子面坍塌的重要措施。通常采用的超前支护为：超前大管棚、超前小导管及超前锚杆等几种类型。本隧根据围岩情况及施工条件，主要采用超前小导管的支护形式，其施工参数如下：

超前小导管采用？准42热轧无缝钢管，长度为6m，搭接不得小于1.0m，沿隧道掘进轮廓线外布设，间距为80cm，支护范围为拱部120°，外插角按1～2°设置。

超前小导管施工时需按严格设计参数施打和压浆;为确保超前小导管与支护钢架形成联合支护效果，小导管的外露端头焊接固定于型钢拱架上，以真正达到加固围岩的作用。

②掌子面设置锚杆。因项目工期较紧，为确保施工进度，在掌子面打入锚杆，以控制围岩开挖后的先行变形和掌子面变形，为后续进行大断面开挖创造条件。

掌子面设置的锚杆采用易于切割的玻璃纤维锚杆，有利于后续的掘进，锚杆长度根据具体现场情况及施工条件的不同，选用10m、15m、20m等三种类型。

③喷射砼封闭掌子面。掌子面开挖后立即喷射厚度10cm砼进行封闭，避免围岩裸露加速风化而变形膨胀，以维持掌子面的稳定。

④开挖预留核心土。隧道掘进时掌子面预留核心土。以往施工经验表明，此措施是防水掌子面失稳坍塌的有效方法，且施工简单、经济可行，在本项目中运用较多。

3.3 控制下台阶落底开挖时坍塌的技术措施

为确保施工进度，在采取上述的防护措施后，通常采用上、下台阶法开挖。台阶法的下台阶落底开挖时，围岩坍塌风险极高。因为落底时上台阶的初支基础处于悬空状态，无支撑着力点，容易引起围岩及初支失稳而坍塌。为此，下台阶开挖时安全保障的关键在于为上台阶的初支结构提供一个稳固的支撑基础来控制初支拱脚下沉。本隧采取如下措施：

①锁脚锚管技术措施。在上台阶型钢拱架的拱脚处设置锁脚锚管，将上台阶初支压力传递至围岩上，锚管设置方向尽量平行于拱脚的切线方向，以提高承载能力。

每个拱脚处设置4根长7m锁脚锚管。

②临时仰拱技术措施。设置临时仰拱，让上台阶的初支封闭成环，能有效地控制上台阶初支的沉降变形，确保下台阶的安全掘进。

③扩大拱脚的技术措施。扩大上台阶拱脚的基础宽度，以降低地基压强，实现上台阶初支稳固。

上台阶初支基础需要有足够的宽度来分散压力，通常为0.8～1.0m，宽度不足时，初支沉降过大，达不到安全要求。为了确保基底支承力，扩大拱架斜撑设置钢板支垫。扩大拱脚设置如图3所示。

3.4 开挖方法及初支方案

①开挖方法。因工期紧，在情况允许的条件下通常采用进度较快的二台阶法。部分地质较差的Ⅴ、Ⅵ围岩地段，也适当采用了CRD法、三台阶七步法施工，掘进方案的选择以确保安全为首要考虑因素。

②初期支护方案。开挖后，立即对开挖面喷射5cm厚度的钢纤维砼封闭围岩，避免围岩暴露加速风化及变形，引起坍塌。

加强钢拱架等初支承压能力，采用I20b工字钢钢拱架，设置间距加密为60cm。因为围岩地应力和变形量大，钢拱架需承受巨大的围岩压力，常出现初支变形破坏情况。为此，在钢拱架的边墙两侧各安置了一个可收缩接头，使钢拱架长度可收缩30cm，收缩接头的设置使得钢拱架更为柔性地随围岩形变，从而降低围岩对钢拱架的压力。初支喷射钢纤维砼，厚度增加至30cm。

上台阶设置扩大拱脚，在拱架每处拱脚处设置锁脚锚管，锚管与钢架焊接牢固。系统锚杆采用1.0m×1.0m间距，梅花型布置的？准25自进式中空注浆锚杆。

同时按3.0m×3.0m间距，梅花型布置的？准42注浆管进行围岩注浆，长度6m，通过注入浆液，将破碎围岩包裹、联结成整体，避免地下水软化围岩，减低围岩变形值。

大变形段隧道初期支护设计参数如图4所示。

③仰拱及衬砌。仰拱及时跟进施做，尽量紧跟掌子面，且滞后不得超过30m，使支护封闭成环，提高支护的承压能力。同时衬砌施做也要及时，但不能一味求快，需在围岩地应力及变形充分释放后，即围岩收敛变形趋于稳定后再及时浇筑衬砌，以避免衬砌承压过大，在围岩压力下破损。

4  围岩变形加固控制效果

选取了采取以上大变形綜合控制措施的DK88+530、DK88+580、DK88+630典型断面与采用原支护设计参数施工的DK88+365类似围岩断面，进行围岩收敛变形量的对比试验，试验结果如表1所示。

从表1可看出，采取了以上大变形综合控制措施的3个断面的拱顶下沉及水平收敛值均较对比断面大幅降低，变形值处于可控范围内。表明本项目所采取的综合措施对于控制围岩大变形是科学有效的，确保了施工安全及隧道结构安全。

5  软弱围岩大变形控制的其他技术措施

5.1 加强超前地质预报

由于地质勘察技术的发展水平所限及地质勘察点位难以覆盖全段落，现场施工所揭示的实际地质情况与设计勘察所提供资料间存在差异，需根据地质情况的不同，对超前支护、施工及初支的技术参数作相应的调整及修改，以确保施工安全及施工质量。本隧在施工时建立了由5人组成的地质超前预报及监控量测小组，专门进行地质的超前预报技术工作。

5.2 加强监控量测

本隧施工时还高度重视监控量测等信息化手段的应用。进行的监控量测主要包含水平收敛、拱顶下沉，浅埋隧道段还设置地表沉降观测量点。

隧道收敛采用人员持尺量测耗时、耗力、干扰大，本项目应用了全站仪加贴片反射法进行变形及位移的量测，并配备手提电脑对数据进行软件处理及分析。能够将变形及位移的量测数据及分析结果以最快的时间反馈与施工现场，确保了软弱大变形围岩隧道施工的安全、顺利进行。

6  结束语

软弱围岩隧道施工的质量事故、安全事故时有发生，造成了财产损失、人员伤亡和巨大的社会影响，故进行软弱围岩大变形隧道施工时，要认清软弱围岩发生变形的原因及发展规律，采取针对性的有效控制措施，严格进行工序操作、超前地质勘察及监控量测，可完全避免软弱围岩大变形隧道质量及安全事故的发生，确保施工人员生命及隧道结构的安全。

参考文献：

[1]TB10003-2016，铁路隧道设计规范[S].

[2]毕树琦.软弱围岩隧道施工技术研究[J].科技创新与应用，2014（10）.

[3]陆俊伟.浅谈富水软弱围岩大变形隧道施工技术[J].建筑学研究前沿，2017（1）.