大埋深高地应力硬脆性围岩隧道施工工艺研究

陶 琦，丁云飞，李 慧，王 鹏，王 敏

(1.中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214028；2.淮阴工学院 交通工程学院，江苏 淮安 223003；3.南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 211816)

0 前 言

国内学者针对大埋深高地应力硬脆性围岩大变形开展了一系列研究，梁宁等[1]采用钻孔电视和单轴抗压试验，研究了大埋深高地应力隧道硬脆性闪长岩开挖过程中，地应力巨变产生变形破坏的可能性；李建兴等[2]通过对米仓山隧道的现场调查和数值模拟，发现掌子面结构破坏导致隧道失稳坍塌的主要原因是高地应力过大超过岩体所能承受的最大承受力；陈秀义[3]通过对关山隧道地区地质研究分析，对硬质性碎裂围岩破坏机理和特征有了更加直观的解释；钟志彬等[4]通过对天然节理的流纹岩进行双轴压缩试验，分析了硬脆性隧道隧道围岩的破裂机理。以上研究成果在为大埋深高地应力硬脆性围岩隧道控制变形提供了丰富的理论基础和试验指导的同时，也对相关隧道施工提供了实际的指导作用，具有重要意义。

本文依托天平铁路关山隧道，为控制隧道变形、加快施工进度并降低施工安全风险，提出大埋深高地应力硬脆性围岩隧道变形控制支护技术。采用大曲率边墙、优化结构断面，合理调整台阶高度、步长及仰拱施作时机，采用钢架、喷锚网、径向注浆及注浆时机等不同支护形式的合理支护参数，有效解决了大埋深高地应力硬脆性围岩大变形的隧道施工技术难题。

1 工程概况

关山隧道是天平铁路重点工程项目之一，隧道全长15 600 m，埋深600～800 m。关山特长隧道地处关山褶皱带，地层岩体多为闪长岩，岩体组成包括斜长角闪岩、长石等，岩石坚硬，具有发达的节理和微裂隙，且岩体破碎，属于破碎围岩结构类型。

2 工艺原理

隧道施工掘进过程中，在大埋深和高地应力的作用下通常会产生大变形，边墙部位变形尤其明显。高地应力是导致隧道发生大变形的主要原因，尤其对隧道拱脚、拱腰所受应力的影响最大。在隧道多种应力作用下，圆形隧道开挖面抑制隧道变形效果最好，开挖过程中开挖面应尽可能地近似圆形。同时可以通过改变初期支护边墙的曲率来改善结构的应力状态和变形特性。

隧道开挖过程中会严重干扰隧道原有受力情况，从而会导致隧道突发围岩变形。随着支护结构的施工完成，隧道变形情况将趋于稳定，且支撑结构上开挖过程中所承受的各种应力和压力都将减小直至趋于稳定。因此，施工中隧道下台阶的开挖长度应尽可能地缩小与仰拱之间的距离，从而使支护结构尽快闭合。

从支撑结构的受力情况来看，隧道拱顶附近的围岩、初期支护钢架、混凝土初期支护以及二次衬砌钢筋应力均远大于隧道两侧侧壁的应力，从而隧道拱部支护强度需增强。增加的初期支撑厚度只能在很小的程度上减小洞室围岩变形、受力和围岩塑性区的范围，当初期支撑厚度增加到30 cm后，围岩变形和塑性区范围都将不再降低。由此可见，增加初期支护的厚度不能提高隧道结构的稳定性，建议初期支撑的厚度定为30 cm。注浆锚杆对高地应力破碎性围岩隧道大变形具有明显的抑制作用。注浆锚栓应为4 m，并布置在上台阶和中台阶上，下台阶可适当减少锚栓的数量或不采用锚栓[5]。

根据工程实际情况，可采用不同方式封闭隧道掌子面围岩、小导管超前注浆、少分部的短台阶法(减小进尺、保证支护封闭时间)和合理优化断面形状(尤其是边墙曲率)、4 m系统注浆加固围岩(下台阶锚杆数量可减少或不施作)和变形监测与信息反馈等措施[6-9]，从而确保隧道施工过程中及隧道运营期间安全。

3 施工工艺及要点

3.1 施工工艺流程

大埋深高地应力硬脆性围岩隧道施工工艺流程包括：施工准备→超前支护→台阶法开挖→系统锚杆(管)→钢筋网→钢拱架→初支→结构防排水。

3.2 施工要点

3.2.1 超前支护

高地应力段范围内均采用长度为4 m的φ42超前小导管和3.5 mm壁厚的热轧无缝钢管设置超前支护，环向和纵向间距分别为30 cm、2.4 m，外插角为5°～10°。小导管注浆工艺流程如图1所示。

图1 小导管注浆施工工艺流程图

3.2.2 台阶法开挖

台阶法开挖采用大曲率边墙，优化结结构断面，改善了隧道结构受力。开挖长度要适当，宜采用短台阶(5～30 m)。

3.2.3 系统锚杆(管)

系统锚杆(管)布置采用Φ42无缝钢管，锚杆长度应为4 m，隧道下台阶可根据实际情况减少或不布置锚杆。注浆小导管呈梅花形布置。使用支护台车或风动凿岩机严格按照设计要求钻出小导管孔。

3.2.4 钢筋网

根据设计要求使用经过测试合格且经过除锈和净化处理的钢筋加工成钢筋网，在初次喷涂混凝土和锚杆完工后进行安装铺设。施工过程中网片必须靠近喷涂的主要表面，且喷涂混凝土保护层的厚度必须符合设计要求。钢筋节点和锚杆通过电焊牢固焊接，网片用铁丝固定或焊接；喷涂过程中勿四处走动；钢丝网的铺设与混凝土的初次喷涂表面起伏，并与墙体表面接触；重新喷涂混凝土后，将钢筋网完全覆盖，钢筋网不得裸露，并且必须有2～4 cm厚的保护层。重新喷涂后，喷涂的混凝土表面应平整。

3.2.5 钢拱架

钢拱架按照设计要求在隧道洞外制作钢拱架，在混凝土初次喷射后进洞与定位系筋和锚杆连接安装，钢拱架安装工艺流程如图2所示。

图2 钢拱架安装工艺流程图

3.2.6 初 支

初支采用C25素喷混凝土湿喷，喷射厚度控制在30 cm。混凝土由洞穴外部的混凝土搅拌站进行搅拌，物料通过输送机被送入洞中，风压由空气压缩机供应。为了确保混凝土的厚度和质量，喷射分两次完成，即初次喷射和复喷。喷涂前，必须修整岩石表面；喷射顺序应从下到上对称喷射。首先填充钢架和围岩之间的间隙，并用喷浆覆盖钢架，保护层应不少于4 cm。喷射前，将喷射表面的凹口调平，然后将喷嘴缓慢均匀地呈螺旋状移动，按压每个圆圈的前半部分，绕圈的直径约为30 cm，确保喷涂表面平整光滑。喷射后进行洒水养护。

3.2.7 结构防排水

防排水板的拼装与铺设防水板铺设工艺流程如图3所示。

图3 防水板铺设施工工艺流程图

3.2.8 二 衬

结构防排水施工完成后应及时施作二次衬砌，二次衬砌施工工艺如图4所示。

图4 二次衬砌施工工艺流程图

4 工艺应用效益

4.1 经济效益

通过试验研究及方案比选采用调整曲率的试验参数较好地解决了隧道初支变形及开裂情况，控制了隧道塌方，保证了施工安全，进度和工程质量，进度较前期提高38天，节约项目管理成本132万元，随着工程的进展，效益会进一步增加。

4.2 社会效益

1)对高地应力下碎裂围岩大变形的施工难题，采取先放散后加固的办法，解决了高地应力碎裂围岩隧道大变形的施工难题，保证天平铁路工程的顺利实施。

2)研究成果为高地应力支护参数的设计及施工提供了依据和指导，在工程的施工中得到了推广和应用，促进我国铁路隧道建设的进步与发展。

5 结论与建议

1)大埋深高地应力硬脆性围岩隧道应采用大曲率边墙，优化结构断面，改善隧道结构受力。

2)施工过程中，要合理调整台阶高度、步长及仰拱施作时机，有效控制施工工序对变形的影响。

3)合理采用钢架、喷锚网、径向注浆及注浆时机等不同支护形式的支护参数。

4)本工法有效解决了大埋深高地应力硬脆性围岩大变形隧道施工技术难题，确保了施工安全，取得了显著的经济、社会效益，可供类似工程借鉴。

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