软弱破碎围岩隧道施工技术探讨

马兴林

（中铁二十二局集团第五工程有限公司，重庆 400000）

1 工程概述

新建铁路玉溪至磨憨线橄榄坝3号隧道位于西双版纳州景洪市橄榄坝境内，全长1970m。隧道测区最大地表水为澜沧江，澜沧江于线路右侧相傍而行，最近相距约320m；其次为沟水、塘水、地表水，均由大气降水补给。地下水类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶水。第四系孔隙潜水不甚发育，水量较小，仅隧道进出口冲沟内土层中含量丰富；下伏基岩岩体破碎，基岩裂隙水较发育；岩溶水主要分布于P1q+m地层中，水量较大。地下水主要由大气降水及地表水补给。经综合分析，雨季最大涌水量Qmax=19000m3/d，现场如图1所示。

图1 工程现场照片

2 软弱破碎围岩隧道工程的施工难点

2.1 软弱破碎围岩的特征

软弱围岩通常情况下分为地质软岩以及工程软岩，地质软岩指的是强度低、空隙大、胶结程度差，受结构面切割及风化作用影响较大的岩层，或是含有大量膨胀性黏土矿物的松软岩层；工程软岩指的是在工程中对岩体产生影响，导致岩体显现出与地质软岩相同的特征的岩层。

软弱破碎围岩的突出特征为软、弱、松、散，工程软岩揭示了软岩的相对性实质，即当工程力固定时，强度高于工程力水平的岩体表现为硬岩的力学性质，相反则表现出软岩性质。

2.2 软弱破碎围岩施工的难点

（1）受隧道开挖地区向斜影响，软弱破碎围岩基本为缓斜或几乎水平的成岩，围岩性质变化较为频繁，细层理及交错层理维持较高发育水平，层面内胶结度极低，节理发育，岩体极不稳定。隧道开挖跨度较大，实际施工中容易造成隧道崩塌。（2）隧道施工往往会在顶部形成大平板，不易成拱。虽然建设隧道应用的石材质地较为坚硬，不可完成变形，但石层间的结合物较少且质地软弱，通过交错层理切割，容易产生顶部大范围平板掉落[1]。（3）软弱破碎围岩隧道工程路段内易出现大范围断裂构造。在断裂位置及受影响区段，断层内的角砾、泥土及破碎带合在一起构成了断层，断层及周围区域的地层都非常软弱，同时施工路段地下水含量丰富，地下水作用导致地层极不稳定，有较大可能造成工程塌方。（4）部分施工段存有大量泥岩，泥岩微膨胀的性质导致围岩层更加软弱，在开展软弱破碎围岩隧道施工时，地应力的提升会加快，围岩层的稳定性将降低。在施工路段地下水的作用下，围岩层稳定性会进一步降低，给施工安全带来隐患。

3 软弱破碎围岩隧道工程施工技术的应用

3.1 软弱破碎围岩加固及支护技术

在隧道开挖过程中，围岩稳定性骤降，且自身没有加固能力，因此要在隧道工程开始前，做好围岩加固工作，以改善围岩力学特征，提升稳定性。参考预加固对周围岩层加固的原理，围岩的加固措施可分为地层改良及支护法。地层改良能够提升隧道开挖处地层的力学特征，包括静压注浆、排水固结等方法；支护法就是在隧道开挖前在隧道开挖线路上提前做好支护工作，在隧道拱处搭建起支护保护网，在保证安全的前提下开展施工。通常情况下，围岩隧道内测的结构承压较大，同时围岩裂缝不断扩大发育，围岩强度较低，结构易发生变形。当围岩层内夹杂黏土等软物质时，围岩受力大小又与变形速率相关，所以有明显的时间依赖性，处于平衡状态的软弱破碎岩体在开挖后平衡被打破，在应力作用下，围岩产生形变[2]。

注浆加固是改善围岩内部胶结性质，提升围岩一体性及承压能力的重要手段，可以减少支护的加设，同时与支护配合，提高支护效益。原理是将填充液充入围岩岩层的裂缝处，使破碎、软弱的岩石黏结到一起，提升岩层整体强度和稳定性。将注浆工艺与支护相结合，改善围岩应力分布，同时减少形变，改善整体受力情况，确保施工安全。依据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016），支护用混凝土轴心抗拉强度标准如表1所示。

目前，软弱隧道围岩支护多采用大管棚支护技术，该技术已有将近20年的使用历史，虽缺乏创新和先进性，但应用成熟广泛。其支护原理：一是梁效应，即在挖掘前进行预埋，在钢管支撑下形成梁式结构，预防隧道工程坍塌；二是加强效应，即在插入钢管后注入泥浆，使围岩硬度提升。具体应用方法：应用管棚钻孔装置在隧道开挖的外部轮廓上打入大直径钢管，同时将钢管进行横向连接，成为一个整体。

表1 混凝土轴心抗拉强度标准值 单位：N/mm2

3.2 隧道洞口处开挖、施工技术及选择

隧道洞口处的开挖方法由施工条件、围岩类型、埋置深度、断面情况、破面情况及环境条件等决定，同时还要考虑安全、效益等要素实现最终选择。选择施工方法时要以施工安全为前提，全面考虑施工区域的地质条件、湿度条件、断面大小、挖掘设备参数等要素，当隧道施工对周边环境产生较为严重的影响时，还要考虑周边环境的可修复性，尽量减少对周边环境的破坏。隧道口处施工方法多样，结合隧道挖掘区域的地质、水文情况，认定台阶法及分部开挖两种方法最为合适。

施工时以安全为首要原则，优先布置好安全措施，在此基础上再进行洞口开挖。开挖技术优先选用少部分开挖形式，以减少施工工序，为系统化的机械施工奠定良好基础，优化施工环境，保障施工安全。在隧道口地质变化较大的情况下，应以应对围岩地质不稳定性为重点选择施工方法，尽量避免因变更施工策略或频繁变更施工方法使工序混乱，影响工期、工程安全和工程效益。引入新技术、新设备时，应保证技术成熟稳定，在确保安全的基础上积极创新，提升综合施工水平，提高施工效益。隧道口工程开挖后要尽快施作锚杆、喷射混凝土、铺设钢筋及支撑物，保证工程安全。应用复合衬砌，要加强初期支护使用的锚杆、混凝土的等级，预防围岩严重变质。根据地质情况，配合小导管注浆技术、锚杆加固技术等开展施工。精准选择开挖及支护工艺对施工质量、效率起到决定作用，能够提升施工安全性，减少工程投入，降低围岩层变质概率和程度，有效预防投入使用后地质灾害的发生，减少运营投入。与此同时，将施工方法设计的各要素进行比较并记录，如表2所示。根据结果可以看出，围岩稳定性良好的单线隧道口可以应用短台阶法，在不考虑渗流问题时，台阶法最大沉降位移值为18.2mm，考虑渗流情况，沉降值最大为10.7mm，并考虑渗流围岩变形集中于隧道拱顶位置，最大沉降位移也在此处。应用短台阶法可以节省支护投入，但要避免应用全断面开挖，以避免影响围岩稳定性，增大坍塌概率。软弱破碎围岩施工可应用超短台阶法，如果不考虑工期，可应用留核心土工艺。如果地质条件极差，则应首选留核心土法，断面较大时，应采用中隔壁法[3]。

表2 施工方法对比

3.3 支护后的围岩稳定性测量技术

传统的围岩稳定性测量技术因模型建设工程量大、一致性差，很难适用于隧道围岩质量模拟。虽然应用数值仿真分析判断塑性区、裂缝区、破损区的方法或结合应力场、变形场的测量技术已逐渐进入推广使用阶段，但与施工数据监测相比，其便利性、准确性、直观性都较差，因此围岩变形数据监测才是主流的测量技术。主要的监测方法有两种，一种是通过经验总结进行判断，另一种则是根据相关的规范、章程、建议等文本记载进行比对。两种方法应用广泛，但都存在缺陷。如果使用经验判断法测量洞穴坍塌原因，发现围岩变形到一定程度会引发坍塌，根据普适理论得出失稳变形、跨度、高度、承压强度之间的关系式，此方法忽视了埋深以及围岩变形模量两个重要因素。而规范化的方法普适性较强，但可变性交叉，使用条件苛刻，大多数场景不适用。无论选择哪种测量方法，都要注意变形模量、强度、埋深等要素，根据稳定性的基本要求，基于隧道弹塑性推断出临界沉降公式如下。

式中：r为岩层容重，也是洞径；H为高度；G为勃聚力；Φ为内摩擦角。

4 总结

综上，要加快山区铁路建设，必须从建设安全着手，做好软弱破碎围岩隧道支护、注浆等环节的技术选择，以此保证安全、缩短工期、提升质量，保证隧道施工效益，才能更好地推动我国山区铁路建设。