复杂地质环境软岩大变形的快速施工技术

郭永发

经济发展形势的不断转变，人们交通运输需求的多元化发展，使得铁路工程的施工技术逐步优化。现阶段，随着铁路建设向西南地区推进，软弱围岩大变形的问题一直困扰着铁路建设。为推进铁路交通运输体系的建设与完善，保证在复杂施工环境中的工程质量，针对隧道工程常见大变形问题，施工单位应结合地质环境特征，合理选择深埋单线交通铁路建设项目施工技术，根据铁路单线建设与运行的技术标准，综合考虑建设条件、成本与安全性等条件，规范深埋铁路隧道快速施工流程，预防、控制软岩大变形的影响，全面提升铁路工程的安全性与效率性。

当前阶段，我国铁路隧道建设规模、难度大幅度提升，铁路的建设标准化、规范化管理成为控制工程质量的重要保障。单线铁路深埋隧道建设项目管理，应适用于环境较为复杂的建设地区，以降低软岩层产生的大变形影响。在此基础上，本文从工程实际案例出发，通过对深埋铁道地区的复杂地质构造进行调查、分析，提出两台阶带仰拱同步施工技术，对地应力高、软岩层等深部岩体地区的铁路隧道快速施工要点进行系统的探究。

一、软岩大变形的类型与特征

1.炭质系围岩大变形

炭质系围岩的变形情况主要发生在页岩、板岩层，由于岩质较软，呈薄层状，在岩层中裂隙发育，松散、破碎，受地下水影响节理面泥化进一步降低岩体力学性能，导致铁路隧道围岩在开挖时，塑性区范围大，围岩存在滑移、剪切破坏，引发隧道初期支护大变形问题。

2.滇中红层变形

云南地区滇中红层分布范围较为广泛，作为软岩弱围岩的一种，具有特殊的工程施工特性，属于易滑地层，在铁路隧道施工中，容易引发大变形灾害。滇中红层主要由砂岩、泥岩、泥灰岩等构成，透水性较弱，抗风化能力弱，在隧道开挖施工时，容易出现破碎、塑变、遇水软化等问题，影响围岩的结构稳定性。

3.软岩大变形的特征

大变形发生的主要地区包括泥质砂岩、页岩以及泥灰岩等构造为主的沉积岩及变质岩分布地区，这些软弱围岩在区域构造应力作用下，整体地质结构稳定性差，遇水加剧软化过程。又因爆破作业对周边围岩及掌子面前方地质条件影响较大，导致掌子面前方围岩初始松动及后方围岩松动圈进一步扩大，加剧了已有初期支护上的应力作用，引发支护位移、破坏等问题。软岩大变形不仅会对工程建设质量与进度产生影响，严重情况下还会带来较大的安全威胁。

二、工程案例

为有效探讨软岩地区深埋单线运输铁路隧道工程的技术应用特点，本文选择处于应力作用强、属于软岩地质条件的工程案例，对铁路工程的施工实况进行分析。该地区由于岩体整体性受到侵入活动影响，地应力平均值相对较高。施工阶段洞内实测最大地应力5.16-12.70MPa，线路走向与区域构造线大致平行，最大主应力近似垂直于线路走向，在开展深埋铁路施工时，容易受到偏压顺层影响，导致隧道工程出现大变形问题。

通过铁路工程实地勘测情况来看，建设地区的围岩性质相对复杂，岩体被多期地震影响而碎裂，铁路隧道工程容易出现大变形问题。同时，岩体受深埋开挖工程的影响，将会导致松动圈的影响范围达到5-6m以上。为此，隧道如果采用三台阶法施工，围岩受开挖扰动次数多，刚架接头连接差，导致受力不合理，钢架作用大大减弱。往往钢架接头附近导致初期支护侵限。采用三台阶法初期支护封闭周期长，支护结构的承载力低，从建设安全与支护效果来说，无法达到快封闭的目的。与此同时，由于单线铁路相对于其他道路工程的跨度更大，选择直墙结构不利于水平方向的收敛控制。根据相关工程实践调查与测量参数分析结果，铁路隧道受地应力影响初期支护出现位移、破坏的频次较高，实际测量的下沉量偏低，工序变换过程中容易发生变形速率变化，主要控制水平向变形，通过快速封闭初期支护来实现。

三、两台阶带仰拱同步施工技术控制要点

1.工程设计

根据现代铁路施工技术研究，隧道支护工程在实际设计过程中，应充分考虑建设地区围岩结构，计算支护结构承载力与围岩作用。在软岩地区建设铁路隧道时，一方面，应结合铁道深埋的施工技术标准，对围岩塑性变形情况进行分析，保证围岩弹性势能作用处于技术标准内；另一方面，应控制围岩变形，避免岩土层过于松动，计算准确的支护阻力，为工程提供专业性的设计指导。由于深埋工程技术中，三台阶法开挖闭合时间长，尤其是仰拱单独挖作为一个步序，导致初期支护闭合存在滞后性，不能及时阻止变形的发展。当大变形灾害发生过程中，钢拱架难以完成闭合，支护结构受非线性影响，引发换拱频繁现象，施工整体进度被拖延。因此，施工单位结合软岩隧道建设项目的技术要求与建设地区和水文地质条件，采用了两台阶带仰拱同步隧道建设技术。

2.变形控制施工要点

两台阶带仰拱同步技术的施工步骤包括：首先，隧道上阶、下阶带仰拱应同时进行作业，保证钻进、爆破、通风与排险、扒碴施工作业，在上台阶进行初期支护，下台阶进行出碴。然后，在上台阶开展超前支护作业，在下台阶上装设立架，最后进行喷射混凝土施工。上下台阶带仰拱同步施工在大变形控制方面具有以下几方面的优势：一是保证开挖、支护工程的同步性，工序安排紧凑，工程推进的速率快；二是仰拱支护稳定性高。在隧道开挖后，及时采用喷锚支护技术，尤其应重视初喷封闭地下水渗入通道的作用，延缓地下水渗入时间，能够改善围岩力学性能与受力状况，可以有效提升隧道围岩的实际承载力，提升工程稳定性，控制隧道变形情况。初期支护的实际闭环周期短，可以有效控制非线性影响；三是隧道施工安全性高，对爆破作业控制严格，仰拱二衬同步性强。

四、质量控制对策

1.完善安全施工制度，优化施工流程

在实际施工过程中，为保证同步施工进度的有效协调，应加强平行作业的规范管理。具体来讲，施工队伍应合理利用打钻施工对锚杆进行装设，保证锚杆注浆的质量，实现上导立架、下层出碴的施工目标，统一上台阶仰拱的平行作业。与此同时，软岩大变形受爆破振动的影响，采取减少振动的措施，可降低围岩扰动，更符合新奥法原理。在超前地质预报工作中，应充分利用超前水平探孔、地质雷达、红外探水、TSP等超前预报手段，整合施工信息，提升工程安全管理水平。此外，还应设置动态量测系统，对围岩变形状况进行实时观测，及时反馈动态测量数据，为现场施工提供专业性的指导，优化施工流程。

2.科学控制施工进度，加强支护管理

为保证初期支护封闭速率，两台阶同步开挖、支护工程中，应科学控制施工进度，在确保钢架稳定连接的基础上，确保二衬仰拱有效跟进、同步施工，降低换拱频次，动态控制铁路隧道安全风险。需要注意的是，在软岩大变形灾害控制的过程中，应加强超前支护施工的管理。一方面，应对超前导管质量进行检测，保证导管装设的规范性。同时，拱架间采用工字钢相连接，下导拱架加密超前导管防止垮塌；另一方面，边墙与隧道拱部在锚杆作业时，应结合设计方案选择锚杆类型与尺寸。通常情况下，每孔锚杆数量应根据锚杆长度确定，然后进行注浆，按照实际要求装设槽钢后，加设锚垫板，提升支护结构的稳定性。

3.严格落实铁路工程施工规范，注重现场施工质量控制

铁路隧道单线深埋工程的现场管理是铁路整体施工质量的重要保障。在实际工程建设阶段，由于铁道建设与隧道开挖的工程量较大、施工影响因素较多。因此，在工程施工现场管理阶段，首先，需要加强安全施工宣传，做好技术交底，帮助作业人员深入、全面掌握技术规范，做到有序、高效施工；其次，在设备管理方面，应在施工前对设备进行调试，合理规划设备运输、装设，同时，安排专业的操作、维修团队，保证设备的高效、平稳运行；第三，合理配置铁路施工建设资源，注重对材料质量的标准化监测工作。结合施工设计与实际工程建设情况，对隧道不同位置的施工进度进行统筹，采用机械化配套，有效落实快速施工目标。

五、结语

受限于地质地层情况及机械化水平，使得现阶段铁路隧道施工的工程技术难度显著提升。软弱围岩深埋单线铁路隧道大变形问题制约了铁路建设，导致工期和投资不可控。为有效控制软岩大变形、地应力高等问题对铁路工程建设的影响，施工单位应在充分、全面掌握建设地区地质条件的基础上，优化深埋单线铁路施工组织，加强施工管理，合理运用两台阶带仰拱同步施工法，实现隧道的软弱围岩大变形“快封闭”的控制目标。