勐远隧道软弱围岩收敛变形控制技术研究

任 鹏

（中铁十五局集团第三工程有限公司 四川成都 611731）

1 工程概况

玉磨铁路北起玉溪，南经磨憨进入老挝，是国家“一带一路”战略中线工程的重要组成部分。玉磨铁路工程地质复杂，特别是滇西南地区湿热多雨，岩层风化程度高，沿线地形复杂、构造发育、岩体破碎，工程地质条件差［1］，施工难度大。

勐远隧道进口工区地层岩性为石炭系下统（C1）泥岩夹砂岩，岩质较软且结构面发育，从地表至隧道开挖底面，围岩风化程度分别全风化、强风化，埋深30～54 m，开挖断面位于潜水面附近，隧道内水量受地表降水影响较大（相对于降雨等，表现出一定的滞后性），围岩遇水易软化崩解现象较常见。隧道开挖后，拱顶易掉块，掌子面围岩易发生正面挤出或溜塌，侧壁有时失去稳定。完成初期支护后，沉降及收敛变形较大（局部收敛变形量超过30 cm）且变形持续时间长。

为了避免初支侵限，施工过程中，试验了加大预留变形量、加密格栅钢架等，但仍收效甚微。

2 软弱围岩变形控制技术概述

软弱围岩隧道变形控制是铁路隧道施工的难点，工程技术人员先后试验了多种围岩或初期支护变形控制技术，包括锚、网、梁、喷、注联合支护形式［2］、“圆形断面”隧道施工［3］、双层超前小导管［4］等。以上各类施工技术中，抑制变形围岩变形的主要方法是加强初期支护，进而提高初期支护对围岩变形的抵抗力，即通过“强支硬顶”［5］保持初期支护具有足够的强度。此外，隧道初期支护中，格栅钢架及型钢钢架对围岩收敛变形的约束作用不同［6］，格栅钢架属“柔性支护”，型钢钢架属“钢性支护”。在富水且围岩较软弱的情况下，围岩变形速率较大，应首选型钢架。围岩变形持续时间较长的情况下，可以施作型钢钢架及格栅钢架相结合的套拱抑制围岩及初支变形。

3 方案设计及实施

3.1 方案设计

（1）设计依据

勐远隧道进口工区开挖揭示地层岩性为泥岩夹砂岩，节理裂隙极发育，岩体破碎，岩质软硬不均，岩层间以黏土等充填，胶结性差或无胶结。碴样呈角砾状或土状，硬度较低，手捏即碎，泥岩遇水软化崩解、软化，初期支护表面滴水严重，局部呈线状或串珠状滴落。

为了避免出现大面积的初支侵限，根据施工经验，合理控制超挖量及拱架预留变形量，采用前人经验，根据施工进度及围岩累计收敛量［7］，合理加大拱架尺寸。

较大含量的地下水对隧道施工的影响表现为：①使岩质软化，强度降低；②冲走软弱结构面中的充填物，降低结合程度［8］。故在抑制该隧道围岩收敛变形上，以最大限度地提高围岩的自稳能力为主要原则，变“被动支护”为“主动自稳”，故从以下三方面考虑加强围岩的自稳能力：减少围岩风化程度；固结围岩；减缓初支面背后地下水的流动性。

（2）设计概述

结合该段地层岩性及地下水发育状况，设计了如下抑制围岩变形措施：①施作双层钢筋网片以快速封闭开挖临空面；②围岩易收敛段（根据监控量测数据判断）按1.2 m×1.2m（环×纵）布置径向注浆管并注浆；③合理引排地下水；④测量现场开挖揭示的围岩产状，调整锁脚锚管长度及入岩角度。

3.2 方案实施

该工区围岩以软弱围岩为主，开挖中以机械开挖为主，局部岩质较硬处，以小当量炸药爆破。受地下水影响，若施作完成锚杆、钢支撑后等再施作喷射混凝土，则喷射混凝土与围岩剥落面间的结合程度较差，将影响初支的整体性及受力结构。故开挖排险后，在开挖剥落面铺设φ6钢筋网（网格间距25 cm×25 cm），为了钢筋网较牢固且平整地固定于岩面上，在岩面上打入钢筋头，外露不超过10 cm，钢筋头与钢筋网之间采用焊接的方式连接。铺设完上述第一层φ6钢筋网后，施作C25喷射混凝土，喷射厚度以完全覆盖第一层钢筋网片为宜。在第一层喷射混凝土表面，施作锚杆，锚杆按1.0 m×1.2 m（环×纵）的方式梅花形布置。利用锚末端、锚垫板、钢筋头等点焊铺设第二层钢筋网片，网片规格为φ8钢筋网（网格间距为25 cm×25 cm），网片搭接宽度不小于两个网格间距。施作钢支撑及钢架连接筋后复喷混凝土至设计厚度。

喷射混凝土强度达到设计强度的40%后（24 h后），在初支面上施作φ42注浆管（管壁上钻设溢浆孔，孔径6～8mm，孔间距10～20 cm），注浆管单根长2～3 m，布置间距1.2 m×1.2 m（环×纵）且呈梅花形布置。注浆材料为1∶1水泥浆，注浆压力为0.5～1.0 MPa。为减轻地下水对初支的水头压力，且减少因地下水流动而对基岩填充物的冲刷，对初支面湿润或滴水处，改为“水玻璃＋水泥浆”的双液注浆。

当上述双液浆仍不能起到有效的隔水作用以便抑制地下水流动性时，则在滴水处施作泄水孔，使初支背后的基岩裂隙水及时排出，并定向引排，使地下水形成固定泄水通道，降低初支背后的水头压力对初支的影响［9］。

锁脚锚管打设角度是影响其控制钢拱架下沉效果的重要参数［10］，通常情况下，锁脚锚管入岩角度与水平方向呈20°～40°，但因施工人员施工习惯、施工难度等，锁脚锚管入岩角度通常情况下小于20°，故在本试验方案中，为了更加有效地发挥锁脚锚管对拱架内收的抑制作用，对锁脚锚杆的长度及入岩角度分以下两种情况调整：（1）岩层倾角较小时，增加锁脚锚管长度（6 m），减小锁脚锚管入岩角度（20°左右）；（2）岩层倾角较大时，减小锁脚锚管长度（3 m），增大入岩角度（30°以上）。

4 试验效果

施工现场通过前后各10 m的对比试验检验该隧道围岩收敛变形控制方案是否有效。其中DK442＋003（不含）～DK442＋013（含）段为对比里程段，未对围岩采取设计以外的加固措施；DK442＋013（不含）～DK442＋023（含）按前文所述措施加固围岩。比较前后两个里程段内以下各项参数：拱顶最大累计沉降、拱腰最大累计收敛、拱墙最大累计收敛、变形持续时间（见表1）。其中单日变形量在3 mm以下认为持续变形结束，围岩趋于稳定。

表1_围岩加固效果对比

为了更加清晰地表述出DK442＋006拱顶沉降规律，自开挖之日（2017年8月19日）起，计算每5日内的平均日沉降量，并绘制曲线图（见图1）。同理，绘制DK442＋018拱顶沉降规律曲线图（见图2）。

图1 DK442＋006拱顶日均沉降量曲线

图2 DK442＋018拱顶日均沉降量曲线

从图1中可看出，围岩在开挖支护后，围岩变形渐变的收敛趋势不明显，日均变化曲线呈现出较强的上下波动性，表明围岩收敛不稳定，围岩应力释放不均衡，围岩基本稳定且具备施作二次衬砌条件时，围岩累计变形量约33 cm，故预留变形量设置为35 cm；经本方案设计的方法对围岩加固后，围岩变形趋势稳定，围岩变形曲线符合相关技术规程［11］，围岩在基本稳定后的累计变形量约10 cm，为了避免局部里程段围岩变形过大而导致初支侵限的现象，故后续施工中预留变形量调整为15 cm。

5 结束语

软弱围岩隧道施工中的围岩变形控制应从地层岩性判识、超前支护、开挖、支护等多方面综合研究，总的来说，应遵循“管超前、严注浆、强支护、勤测量、早封闭”的软弱围岩施工原则［12］。本次结合勐远隧道软弱围岩变形控制的实例，整理出一整套的软弱围岩变形控制技术，取得以下成效：

（1）双层钢筋网片施工技术在快速封闭开挖临空面，防止围岩短时间内快速风化崩解方面效果明显，其中，贴近岩面的钢筋网片能加强开挖面与混凝土的紧致度，提高初支结构的受力强度。

（2）径向注浆在围岩结构面较发育带，对围岩的加固作用明显，能在支护背后形成有效的加固圈。

（3）软弱围岩带，在及时引排地下水的同时，应减小初支背后的基岩裂隙水的流动性，围岩开挖中，对初支背后的围岩具有一定的扰动性，径向注浆能形成有效的隔水层，进而减小基岩裂隙水流动性。

（4）锁脚锚管的受力程度受围岩产状的影响，应根据围岩产状动态调整入岩角度及锁脚锚管长度。