高原铁路隧道软岩大变形施工技术研究

高云龙 GAO Yun-long

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

高原隧道因其海拔高、地质条件差的特点，在洞身开挖过程中，极易出现高地应力软岩大变形，如果处理不当，则会出现初期支护变形、二衬开裂等问题，严重影响施工安全、质量及进度，增加施工成本。根据诸多大变形隧道施工所造成的安全、质量教训，在隧道建造各阶段，均应妥善处理隧道软岩大变形问题，并应通过合理的施工技术措施安全度过大变形段落施工。[1]

本文依托高原地区高原铁路某隧道，对高地应力软岩大变形施工技术进行研究，并重点分析了主要施工工艺，形成了一套综合施工技术，可为今后类似工程的施工提供一定的参考和经验。[2]

1 工程概况

高原铁路某隧道最大埋深1185m，正洞7960m存在大变形（轻微2940m+中等3170m+强烈1750m+极强烈100m）；贯通平导6648m存在大变形（轻微1970m+中等2828m+强烈1750m+极强烈100m），1号横洞610m存在大变形（轻微510m+中等100m），2号横洞670m存在大变形（轻微170m+中等400m+强烈100m）。

2 变形等级划分

结合设计图纸说明，综合相关规范及铁路施工经验，暂将软岩大变形分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级等四个等级，见表1。施工阶段根据掌子面围岩特性及变形特征调整，并对支护体系的适应性进一步评判，动态调整设计。[3]

表1 软岩变形等级划分标准

3 主要施工技术[4-5]

大变形地段采用微台阶法（辅助坑道或大型机械化配套作业面）、台阶法开挖（大型机械化配套作业面或基本机械化配套作业面）、三台阶法开挖（基本机械化配套作业面），采用玻璃纤维锚杆、掌子面喷射混凝土加固掌子面，洞内中管棚、超前小导管进行超前支护。开挖后及时采取加大锚杆密度、施做长锚杆、注浆等措施，加固围岩使加固圈形成自然拱，提高整体强度；增大预留变形量，配合平导超前等辅助方案，达到允许变形、控制变形、利用变形的目的。当以上方法不能控制控制围岩变形时，考虑双层拱架支护，通过试验段确定支护参数。

3.1 掌子面预加固

掌子面喷射厚度为3cm的混凝土进行封闭，上半断面采用Φ25全螺纹玻璃纤维中空注浆锚杆加固，锚杆长度9m，循环搭接长度不小于3m。锚杆间距为1.2m×1.2m（1.8m×1.8m），梅花型布设，布置在上台阶，掌子面支护示意图见图1。

图1 掌子面支护示意图

3.2 超前加固

3.2.1 中管棚加固

中管棚采用Φ89、76、60热轧无缝钢管，壁厚5mm，长度9m，每5.4m/6m施做一循环，搭接长度不小于3m，施做范围144°，环向间距0.4m，外插角一般不大于10°，根据实际情况作调整，超前中管棚施工示意图见图2。

图2 超前中管棚施工示意图

3.2.2 小导管

小导管采用42无缝热轧钢管制成，在前部钻注浆孔，孔径6～8mm，孔间距10～20cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于30cm，作为不钻孔的止浆段。注浆压力一般不大于1MPa，具体浆液配合比和注浆压力由现场实验确定。当单排小导管不能满足施工要求时，考虑采用双层小导管。长度为3～5m。具体支护方式通过参建各方现场确定。

3.3 开挖方法

3.3.1 微台阶法开挖

经超前预加固措施后，采用微台阶法施工。上台阶长度3～5m。一次开挖进尺一榀钢架间距。仰拱一次开挖进尺不大于3m，微台阶法施工工序见图3。

图3 微台阶法施工工序

3.3.2 台阶法开挖

隧道两台阶法施工台阶长度及高度应根据掌子面自稳能力合理确定，台阶长度宜为3～8m，上台阶高度宜为设计断面高度的1/2～2/3；开挖时应根据围岩自稳能力控制循环进尺；采用控制爆破、弱爆破（或机械开挖），并控制一次同时起爆的炸药量，减小爆破振动对围岩的影响；台阶形成后，各部位可同步推进，隧底宜与下台阶同步施工，实现初期支护尽早封闭成环；宜配置大型专业施工机械设备，提高设备配套水平。

3.3.3 三台阶开挖

开挖过程中地质特别差，自稳时间短，支护变形快、变形大、变形时间长。针对这一难点，结合隧道断面大小、形状，一般选择三台阶法，三台阶施工工艺示意图见图4。

图4 三台阶法施工工艺图

3.4 型钢拱架强支护、锁脚锚管加强

初期支护按照设计要求采用工字钢或H型钢进行加强支护。结合设计等级，根据超前地质预报结果及围岩量测情况，通过施做试验段，确定支护和工艺参数。拱架间距0.5～1.0m。拱脚设置长锚杆（管）加强支护，锁脚锚管设置一般采用4～5m长、直径Φ42mm无缝钢管；锁脚锚管也可采用Φ32自进式锚杆，锚杆长度6～8m；增加锁脚数量，可每各拱脚设置2组（4根）不同角度、不同深度、不同形式的锁脚锚杆（管），锁脚锚管采用锁脚环与钢架连接。

通过施工过程的围岩量测，结合设计支护参数，在加强原有单层支护无法满足支护变形控制要求时，可采用双层钢架支护形式进行支护，钢架间距0.6m，第一层钢架采用I22b型钢钢架，第二层钢架采用I20b型钢钢架。上台阶开挖后根据量测数据结果及时施工第一层钢架，并设置临时横撑，临时横撑采用I18型钢。

3.5 让压锚杆

在严重大变形段采用让压锚杆对围岩进行支护，让压锚杆长度8～10m。在保持支护结构稳定、能提供其较高支护约束变形能力的条件下，允许其随围岩变形产生一定的位移量以释放大部分围岩压力，待让压量释放完成后，支护结构可随变形而持续承载、直至变形收敛。让压锚杆见图5。

图5 让压锚杆

3.6 径向注浆补强

支护成环后，对周边围岩进行注浆加固。加固注浆采用后设径向钻孔进行，钻孔深度1.5～5m，注浆材料采用水泥，径向注浆补强见图6。

图6 径向注浆补强

3.7 增设吸能橡胶板缓冲层

在初支与防水板之间设5cm厚吸能橡胶板，防止二衬混凝土在形成强度前承受压力造成破坏，吸能橡胶板缓冲层见图7。

图7 吸能橡胶板缓冲层

3.8 合理的二衬施作时机

二次衬砌对于控制高地应力软岩隧道变形具有明显的作用，从控制变形角度来说，二次衬砌施作越早，对控制变形越有利，但同时二次衬砌受力也越大，易导致二次衬砌开裂破坏。软岩隧道变形具有变形大、变形持续时间长等特点，根据软岩具体变形特点，确定合理的二次衬砌施作时机对软岩大变形隧道至关重要，既要围岩释放一部分自由变形，防止围岩压力过大破坏二次衬砌，又要控制变形过大导致支护失稳破坏。施工过程中，依据监控量测为依据，反馈设计院，由设计院确定试验段，通过试验段，合理确定二衬在不同工况下的施作时间。

3.9 超前地质预报

由于本风险段地质复杂，施工存在软岩大变形。对地质进行超前探测，作出准确的预报是施工的重点及关键。隧道施工过程的地质超前预报预测，主要是根据地表和已经开挖的隧道的地质调查和各种探测方法取得的资料，以及地质推断法预测开挖工作面前方一定长度范围内围岩的工程地质条件，本风险段采取地质调查法、物探和钻探方法。

4 结论与建议

遵循“主动加固、分级控制、强化支护”的基本原则，“快开挖、快支护、快封闭”的理念，“快支护”开挖后及时封闭岩面，尽快施作喷锚网等支护措施，防止高地应力软岩长时间暴露产生更大变形，并根据监测数据动态调整支护参数。“快封闭”支护结构尽快封闭成环，在最短的时间发挥最有效的作用。

针对隧道不良地质实施专项设计，通过采用优化洞形、长锚杆（索）主洞支护（或长短锚杆结合）、高性能（钢）纤维混凝土、钢架配合、大断面施工、专用机械配套等措施，实现施工的“快挖、快支、快封闭”，达到有效控制变形的目标。