炭质围岩地层三线大跨隧道出口段支护设计

罗胜利，丁文云

（中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明 650500）

1 引言

随着我国交通基础设施的不断发展与完善，越来越多的隧道将不可避免地修建在复杂软弱地质环境中， 由此引起的隧道开挖变形已成为隧道建设工程中必须克服的工程难题[1-3]。软弱复杂地层中隧道变形具有总量大、持续时间长等特点，开挖过程中极易出现衬砌结构变形过大、支护结构损裂等病害，成为制约隧道安全、高效施工的痛点问题[4-5]。

本文以新建铁路玉溪至磨憨线王岗山隧道出口段为工程背景， 分析了炭质围岩地层中三线大跨隧道围岩及衬砌结构的变形特性。 针对隧道开挖过程中出现的洞内变形过大，初衬发生裂缝等病害状况， 提出了优化的隧道支护设计及施工方案，研究成果以期为相应工程实践提供参考。

2 工程概况

新建铁路玉溪至磨憨线王岗山隧道全长13 508 m，为“一带一路”标志性工程中老铁路的重要组成部分。 本隧位于墨江站—他郎河站区间， 进口里程为D1K144+500， 出口里程为DK158+008，左右线线间距为4.2～5.118 m 隧道洞身最大埋深约520 m，最小埋深约2 m，洞身有2 处浅埋段。

隧道出口DK155+600～DK158+008 段测区上覆第四系全新统坡残积粉质黏土、细角砾土。 下伏基岩为二叠系上统（P2）泥岩、砂岩夹炭质泥岩、泥灰岩、灰岩、煤线；印支期侵入辉绿岩，其地层分布如图1 所示。

图1 王岗山隧道地层岩性分布

3 隧道出口段原支护设计

3.1 设计参数

三线车站段洞身净宽18.2～13.2 m， 洞身净高9.71 m，开挖断面面积达259 m2，属于典型的扁担形超大断面结构。 采用42 mm 注浆小导管（局部采用25 mm 砂浆锚杆）超前预加固围岩，超前导管长3.5～4 m、环向间距40～50 cm、纵向间距2 m或2.4 m、斜插角10°～15°、每环38～62 根。 加强支护采用格栅或工字形钢拱架，支护部位分布在全环或拱墙处，纵向间距为0.6～1.2 m。 铺挂8 mm 钢筋网，根据施作部位及围岩的不同，钢筋网间距为20 cm×20 cm 或25 cm×25 cm，喷射混凝土厚度23～32 cm； 二次衬砌和仰拱均为C35 钢筋混凝土结构，厚50～125 cm。 根据隧道围岩分级的差异，不同里程处隧道支护参数稍有差异，具体支护参数如表1 所示。

表1 隧道洞身支护参数

3.2 洞内变形情况

DK157+915～DK157+926 段初始设计增设单榀竖撑，施工过程中发现变形弯曲（见图2），于是改为双拼I25b 工字钢竖撑， 在不施工的情况下暂时稳定。 洞内围岩监控量测数据显示，DK157+926～DK157+914 段沉降速率为3.3～5 mm/d，日最大沉降值为4.8 mm， 日最大收敛值为3.2 mm。 累计沉降值为446 mm，累计收敛值为62 mm。

图2 工字形钢竖撑压屈变形

正洞衬砌变形情况， 在DK157+926～DK157+938 段9#横通道拱顶右侧1 m 处出现一条长约5.5 m 的裂缝，裂缝朝小里程洞顶中线方向发展，与仰拱呈60°夹角，缝宽约为1 cm，深20 cm， 触摸无错台； 在DK157+937.6 位置出现一条长2.5 m的裂缝，缝宽4 mm，触摸有明显错台，平行于环向施工缝朝拱顶发展。 DK157+938～DK157+926 段仰拱分两次浇筑，施工缝里程为DK157+932， 在仰拱中线右侧6 m 处仰拱填充出现一条长3.1 m，宽3 mm 的裂缝，裂缝与仰拱中线呈约45°夹角，朝线路右侧发展。 图3 为隧道衬砌裂缝及渗漏水情况。

图3 隧道衬砌裂缝及渗漏水

3.3 变形原因分析

综合该段洞身地表基岩露头、地表横坡的连续性、洞内外变形特征及开挖揭示岩性等分析， 洞内外变形主要原因为：王岗山隧道出口段埋深浅，属三线大跨段，隧道经历了多期次大规模构造作用，断裂构造极其发育。 如图4 所示，印支期侵入辉绿岩呈多股脉状侵入沉积岩二叠系上统（P2）泥岩、砂岩夹炭质页岩、炭质泥岩地层内，侵入岩与沉积岩的相互穿插、交错，为混杂带，岩体破碎，炭质岩类软弱、易滑，侵入接触带地下水发育，局部见少量滴状或线状渗水。 隧道掘进过程中采用全断面三台阶法开挖，掌子面处软弱炭质围岩暴露时间过长，遇水软化，从而导致在隧道施工过程中洞内初期支护变形严重。

图4 掌子面处炭质围岩分布

4 优化设计方案及变形监测数据

4.1 优化设计方案

鉴于正洞内地层岩性较差，结合现场变形发展规律，为减小沉降开挖工法考虑减小分部开挖的断面尺寸， 工法调整为双侧壁导坑法，以解决工序转换钢架沉降问题。 超前支护采用长管棚形式控制拱顶沉降及防止拱顶塌方， 并根据裂缝特征检核衬砌结构安全。 如图5 所示为调整后的隧道支护设计方案。

图5 调整后隧道支护设计方案

开挖工法从DK157+903 处开始调整为双侧壁导坑法，二衬结构采用车站D 段复合衬砌， 根据检算资料拱墙二次衬砌主筋采用双肢钢筋。 全环设置I25b 型钢钢架（或HW200×200型）加强支护，间距0.5～0.6 m。 超前支护采用89 mm 管棚，每根长12 m，纵向间距9 m，环向间距0.4 m，每环62 根；拱部另设42 mm 小导管（外插角45°）超前支护，纵向间距2.0 m，每根长3.5 m，环向间距0.4 m，每环62 根。 另外，锁脚采用76 mm锁脚钢管，每处2 根，每根长5 m。 临时横、竖撑采用22#工字形型钢架进行隧道加强支护。

4.2 优化后隧道变形监测数据

先前采用三台阶加临时仰拱工法时相同围岩情况下日最大沉降值为16.5 mm，日最大收敛值为9.05 mm，个别断面累计沉降值达570 mm，累计收敛值为224 mm。采用双侧壁导坑法后日最大沉降值降为7.1 mm， 日最大收敛值为14.14 mm。根据连续观测结果，该段二衬裂缝发展已完全稳定，且洞身防水层未被破坏，裂缝周边未发现渗漏水现象。 这表明采用双侧壁导坑法后拱架变形、 扭曲程度较三台阶加临时仰拱时有较大转变； 同时较强的支护参数确保了初期支护混凝土无明显开裂，拱架无明显变形，可满足炭质围岩地层中大跨隧道变形控制要求。

5 结论

以新建铁路玉溪至磨憨线王岗山隧道出口段为工程背景， 介绍了炭质围岩地层中三线大跨隧道围岩及衬砌结构大变形情况，分析了其产生原因及机制，并提出了相应的优化设计方法，得到以下几点结论：

1）王岗山隧道出口段埋深浅，属三线大跨段，场地经历了多期次大规模构造作用，断裂构造极其发育，炭质岩类软弱、易滑，侵入接触带地下水发育，遇水软化，导致在隧道施工过程中洞内初期支护变形严重；

2）炭质围岩地层中大断面隧道，采用三台阶加临时仰拱工法进行隧道开挖，围岩暴露时间过长、暴露范围大，软弱围岩变形速率大且持续时间长，使得初期支护开裂、拱架扭曲变形严重；

3）采用双侧壁导坑法、大管棚和小导管综合超前支护、二衬支护加强等措施后拱架变形、 扭曲程度较三台阶加临时仰拱时有较大转变， 可有效解决炭质围岩隧道开挖大变形难题。