大断面炭质板岩隧道进洞施工技术研究

王林俊

(中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西西安 710038)

1 前言

为了满足我国交通运输量增长的需要，改善人们的出行条件，我国铁路不断向西南山岭地区发展，需要修建大量的桥梁隧道。在隧道施工中面临着诸如大变形、涌水、偏压、高地应力等各种地质问题[1]，特别是软岩隧道，围岩变形大，支护困难，出现初支变形侵限、溜塌、二衬开裂等危害。本文所述白石头隧道出口为浅埋地段，围岩分布以炭质板岩为主，地表水系发育，施工过程中极易发生上述问题。目前，解决围岩大变形的传统方法主要有增大预留量、加大支护强度和改变开挖方法三类，而采用预应力树脂锚杆可以允许围岩释放一定的压力，同时采用掌子面预加固系统，从而有效控制围岩变形[2]，确保浅埋出口段的施工安全。

2 工程概况

大临铁路位于云南省西南部地区，线路全长202.1 km，白石头隧道位于云县站～头道水站区间，全长9 375 m，最大埋深约310 m，最小埋深约8 m。隧道出口处岩体极破碎，掌子面揭示主要为片岩夹炭质片岩、绿泥石片岩、线路右侧存在炭质板岩等软岩，中层状为主，局部为薄层状，节理裂隙较发育，岩性极为复杂，局部地下水较发育，岩体遇水软化，导致岩体强度降低，易出现围岩大变形。

3 现场施工状况及特征

白石头隧道出口在套拱施作完成后，明暗分界里程为DK167＋038.8，按照设计图纸人工配合机械开挖，揭示掌子面岩体较破碎，节理裂隙发育，呈碎块状，有少量基岩裂隙水渗出。在掌子面进尺10.5 m，中台阶左侧进尺2 m，中台阶右侧未开挖情况下，导向墙右侧突然出现了明显下沉，经测量下沉10.7 cm。在隧道开挖至炭质板岩段初期，由于缺少对炭质板岩的了解，导致隧道初支变形量过大，出现支护侵限现象。经现场分析，利用三台阶法开挖时，初期支护破环呈现出两阶段，首先是中台阶开挖后、下台阶开挖前的破环，主要表现为拱脚位置的喷射混凝土沿纵向出现掉块、开裂现象；其次是下台阶开挖后，边墙、拱顶位置的喷射混凝土出现的破坏现象，同时伴随着岩体破坏程度加大，出现型钢拱架弯曲、破坏现象，隧道变形情况如图1所示。

图1 支护侵限

经研究分析白石头隧道出口炭质板岩变形具有以下特征:(1)变形量大；(2)变形速率快；(3)持续时间长；(4)施工扰动显著；(5)围岩应力分布不均匀，初期支护变形具有不对称性，围岩的变形特征以水平方向的收敛为主，且右侧收敛大于左侧；(6)破坏形式多样，在施工过程中白石头隧道出口在施工期内发生了多次大变形灾害，如初支错动破坏、开裂及掉块、初支侵限、拱架扭曲等。

4 隧道出口大变形控制措施

4.1 加固导向墙

白石头隧道出口导向墙由于洞顶覆盖层为粉质黏土，云南地区雨水较多，仰坡地表局部出现裂缝，雨水进入土层，造成覆盖层饱水，全风化炭质片岩地基承载力降低，导致大管棚承担荷载增大，传递至导向墙基底压力增大，引起导向墙基础下沉，连带初期支护下沉量增大，从而引起初期支护变形，施工中采用4根预加固桩对导向墙基础及水平位移进行加强，导向墙左右拱脚处增加4根φ89钢管，每根长度9 m，并注水泥浆，钢管和拱架进行焊接，同时将地表裂缝用黏土回填，然后施作50 cm宽、10 cm厚的砂浆带覆盖，防止水侵入，造成围岩遇水软化，强度降低，导致大管棚承担荷载增大。

4.2 地表注浆加固

滇西地区雨水丰沛，出口地段由于埋深较浅，开挖导致地表出现裂缝，雨水渗入地下并沿陡倾节理面下渗，导致围岩承载力及稳定性降低，在软弱带处变形增大。为降低雨水对地表围岩及开挖后围岩松动圈的浸泡及扰动[3]，在隧道顶部开挖线以下1 m至以上5 m范围进行围岩注浆固结，加固区域如图2所示，加固长度根据现场地表裂缝范围而定，加固宽度为24.69 m。加固区按孔间距1.5 m×1.5 m梅花形布置。注浆采用双液浆，为保证注浆效果，加固区必须采用双液浆对冒浆点进行封堵，具体加入时间和量要根据注浆过程中冒浆情况而定。

图2 加固横断面示意

钻孔深度均为进入基岩1 m，加固区注浆范围为从拱顶开挖线上5 m至孔底，拱顶开挖线5 m以上至地表注浆管设止浆段(注浆管不打孔)。拱顶注浆孔打至距拱顶开挖轮廓线50 cm；开挖轮廓线两侧两排注浆管钻孔离开开挖轮廓线50 cm；隧底加固注浆在开挖仰拱前进行，在洞内施作。

4.3 优化开挖工法

隧道出口段掌子面掘进过程中，采用三台阶加临时仰拱法开挖，采用 22b工字钢，间距0.6 m。在掘进10 m后，初支完成段累计最大变形量173 cm，最大变形速率为11 cm/d，C25喷射混凝土开裂失效，22b型钢、φ300螺旋管竖撑变形扭曲。在围岩承受扰动能力小的大断面车站段，上台阶的开挖对围岩扰动范围和程度增大，导致拱顶围岩产生松弛，对初支作用力增大[4]。采用三台阶加临时仰拱法没能有效控制局部收敛和拱顶下沉的系统支护，简单的竖向支撑，不能与临时仰拱和支护型钢形成一个整体的受力系统，从而不能有效控制变形。为了能有效控制变形，采用如图3所示的滇西地区软岩大断面隧道CRD施工工法施工，临时仰拱和临时中隔壁将车站大断面分割成4个封闭成环的小空间，达到了少扰动、早封闭、早成环的目的，有效控制了大变形。

4.4 优化设计参数

根据白石头隧道出口变形特征及数据分析结果，从4个方面对原支护设计方案进行了优化。

(1)施作径向预应力树脂锚杆

采用预应力树脂锚杆加强支护可以有效控制隧道拱顶沉降和水平收敛[5]，锚杆的控制效果随着锚杆长度的增加而增加。在白石头隧道出口大变形段，虽然9 m锚杆控制变形优于6 m锚杆，但是由于隧道施作受CRD工法限制，隧道空间有限，因此选择6 m锚杆进行现场施作。

由于白石头隧道出口大变形具有不对称性，围岩变形以水平收敛为主，且右侧变形远大于左侧，因此，在施工过程中采用R25L中空自钻式锚杆，锚杆长度6 m，公称直径φ25，极限抗拉力为180 kN(设计要求锚固力达到151 kN)。锚固剂类型为超快速CKb，采用端头锚固，锚固长度1.5 m。预应力树脂锚杆非对称布置[6]，对围岩薄弱部位进行加强，以拱顶为分界线，右侧锚杆环向间距1 m，左侧环向间距为2 m，采用长短预应力树脂锚杆组合形成群锚效应，通过预应力树脂锚杆的应用，隧道围岩周边收敛和拱顶下沉均呈现出明显的下降，其中，在施作预应力树脂锚杆段，拱顶最大沉降量较无锚杆段下降10.2%，拱脚最大水平收敛值较无锚杆段下降16.4%。

(2)差异预留拱架变形量

由于出口段的变形具有变形速率快、变形量大、变形不对称性等特点[7]，通常设置预留变形量为一个统一数值，势必造成上、中、下台阶拱架连接不平顺，出现开口现象，对拱架受力将极大的减弱，最终造成变形侵限。在现场施工过程中，采用渐变预留变形量的方式，根据现场监控量测数据，动态调整预留变形量，加工异性型钢拱架。

(3)优化钢拱架结构

炭质板岩隧道在岩体开挖后，围岩向临空面发生较大的变形[8]，但喷射混凝土在施作初期支护能力有限，不能有效抵抗围岩变形，为防止炭质板岩进一步发生变形，需采用在短时间内提供较大支护抗力的支护措施，而型钢拱架恰能满足这一要求。通过对不同类型的型钢拱架变形进行监测，优化型钢断面结构，详见表1。

表1 不同型钢变形情况统计

由以上分析说明围岩最终变形量随着拱架强度的提高而减低，且拱架强度提高到一定量值后对围岩变形控制效果将降低，在解决软岩大变形问题中，单纯地提高初期支护强度，并不能有效解决围岩变形问题[9]，应充分研判围岩特性，从围岩自身稳定性出发，以提高围岩的自稳能力为出发点，才是解决问题的关键。

因此，综合围岩变形分析可知，就控制围岩变形来说，炭质板岩隧道的最优型钢拱架型号为 25b。同时如图4、图5所示，对刚拱架结构及连接方式进行优化，一是优化断面轮廓，将轮廓优化为近圆形，改善受力结构；二是将连接板面积较原设计增加40%，同时将螺栓数量由4颗增加至6颗；三是将设计接头的加劲角钢改为加劲钢板；四是设置纵向连接器，将原有的纵向连接方式优化成型钢连接，采用 18工字钢作为纵向连接器进行纵向连接，减少初期支护结构整环相对错动及边墙位置钢架扭曲变形，提高初期支护结构的稳定性。

图4 初支钢架接头优化

图5 设置纵向连接器

(4)掌子面预加固技术

受地质岩性、地质构造及施工干扰等因素的影响，白石头隧道出口段在围岩沉降及收敛变形显著段落，采取了上述施工措施，并对支护变形起到了较好的抑制作用，但在隧道围岩变形严重段落，虽然采取了上述措施，但依然难以抑制初期支护大变形、侵限等情况的发生。为有效控制围岩变形，借鉴新意法施工理念[10]，对方案进行了优化。

针对白石头出口炭质板岩大变形变形严重段落的实际情况，采取了掌子面玻璃纤维锚杆预加固[11]为核心，超前大管棚、预应力树脂锚杆、钢拱架和锁脚锚杆等联合变形控制技术，对玻璃纤维锚杆加固密度和加固长度进行了优化分析，确定了玻璃纤维锚杆间距设置0.6 m，每一环施作锚杆不超过6 m，搭接长度不超过3 m的合理布置方式，如图6所示。该方法对于控制掌子面挤出变形效果明显，能较好地控制炭质板岩大变形段落的初支变形问题。

图6 白石头隧道掌子面预加固示意

由于白石头出口炭质板岩破碎，卸载引起的扩容现象明显，在洞内施工时，通过增设超前大管棚，利用大管棚对掌子面及前方拱部以上围岩施加预支护，从而减小围岩卸载范围，提高围岩承载能力(见图7)。

图7 采用预加固措施后初支变形情况

5 结束语

本文以大临铁路白石头隧道出口炭质板岩段施工为依据，对其施工中出现的大变形隧道支护控制措施进行了研究。总结了软岩大变形中的支护方式和控制措施，着重对超前支护措施、开挖工法、差异性预留变形量、型钢拱架型号优化、预应力树脂锚杆、掌子面预加固等措施进行了总结，结论如下:

(1)在该隧道地表注浆施工中，按区段、区域施工，采用复合注浆方法，效果显著。

(2)采用“滇西地区软岩大断面隧道CRD施工工法”进行施工，能有效控制变形，杜绝了侵限换拱和安全事故的发生，同时，提高了施工工效，从而节约成本，减轻工期压力。

(3)径向预应力树脂锚杆能够锚固围岩，使得初期支护和围岩变形协调一致，共同受力，同时通过长短布置的方式，能有效解决隧道围岩变形不对称问题，对白石头隧道出口段大变形控制效果明显。

(4)通过对不同拱架型号对比分析，并结合现场情况，采用 25钢拱架时，支护能力最佳，能有效控制围岩变形，同时加强支护结构的强度及刚度是控制破碎炭质板岩隧道大变形最直接有效的措施。

(5)对于炭质板岩大变形特别显著地段，单纯提高初期支护强度和刚度无法有效控制白石头隧道破碎炭质板岩段的变形，借鉴新意法理念实施掌子面预加固技术对控制该区段的变形具有较为明显的作用。