浅析山岭铁路隧道构造复杂区软岩大变形施工控制技术

谭 勇

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

成兰铁路区域范围内受强烈新构造运动的影响，地质条件非常复杂，部分隧道在施工过程中均遇到了软岩大变形问题，给施工带来了挑战。其中德胜隧道需要穿越炭质千枚岩夹粉砂岩地层，这些地层在施工之前受到高强度地应力影响均出现了严重变形。围岩变形原因和过程异常复杂。本文以新建成兰铁路成都至川主寺段德胜隧道施工为背景，对山岭地区铁路隧道建设中遭遇的构造复杂区软岩大变形施工的控制技术进行分析研究。

1 工程概况

德胜隧道位于松潘县境内，正洞全长22.943km，洞身最大埋深约750m，地处龙门山断裂带、西秦岭褶皱带、岷江断裂带构成的“A”形断裂块中。这3条断裂带均为区域性活动断裂，均具有强震发震历史，是我国青藏高原东部地区重要的活动断裂带，其中岷江活动断裂带距线路左侧仅为0.5~3.5km，特殊的地形地质条件呈现出典型的“四极三高”特征（即地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著；高地壳应力、高地震烈度和高地质灾害风险）。隧道围岩多为软弱破碎的炭质千枚岩、炭质板岩、千枚岩等，受复杂活跃的构造带影响，岩体表现出强烈的揉皱扭曲和挤压破碎，风化程度严重，软岩破碎岩体条件下施工环境极差。

2 软岩大变形施工现状

德胜隧道岩体强度普遍低于3MPa，根据水压致裂法测试结果可知隧址区最大水平主应力约25.8MPa，侧压力系数为1.25，根据围岩强度应力比判定大变形等级为轻微~严重。施工过程中隧道最大拱顶沉降和水平收敛分别达到1115.2mm和2674.0mm，变形速率最大可达95.2mm/d，且变形持续时间长，出现严重的混凝土开裂剥落、钢架折断失效等灾害现象，支护结构破坏现场如图1所示。

图1 支护结构破坏现场图

3 隧道大变形影响因素

施工中遇到的软岩隧道大变形通常为多种因素叠加作用的结果。为了更好地了解掌握软岩隧道大变形影响因素[1]，以成兰铁路德胜软岩隧道为例开展岩石力学试验以及施工因素方面的综合分析。

3.1 高地应力

地应力强弱是决定隧道围岩是否发生变形的根本性因素，如果围岩地应力较高，围岩容易发生饼化现象，即容易发生变形。德胜隧道围岩在开挖之前具有非常高的初始地应力，主要以构造应力为主，当原始平衡状态被破坏后则发生挤压变形。隧道变形程度主要取决于最大水平主应力与隧道轴线之间的关系，如果最大水平主应力与隧道轴线之间交角较小，即两者方向基本一致，则有助于保持围岩稳定性。

3.2 地层岩性

不同岩性具有不同的矿物成分和结构稳定性，因此岩性也会对隧道围岩变形产生显著影响。德胜隧道围岩以千枚岩为主，其矿物成分包括云母、石英以及绿泥石等，同时容易发育节理裂缝，这从根本上决定了千枚岩单轴抗压强度较小，通常不足3MPa，千枚岩还具有良好的可塑性、崩解性以及遇水软化性，这些均容易导致其在应力作用下发生变形。

3.3 地质构造

德胜隧道位于岷江断裂带，施工区域范围内发育多条断裂，复杂构造带中地应力赋存条件复杂，导致局部区域往往存在极高地应力。在隧道开挖过程中，一方面岩体会向着隧道净空方向发生形变，另一方面原本挤密的破碎岩体内部会发生各种剪切以及滑移等，也容易导致围岩形变[2]。

3.4 工程扰动

工程扰动是影响隧道围岩变形的主要外部因素，在隧道开挖之前围岩整体保持良好的平衡状态，受到爆破振动、施工用水浸湿等扰动将打破围岩初始平衡应力状态，导致围岩应力重新分布，部分地应力转移到围岩深部，部分地应力以形变能形式释放，导致裂纹快速扩展并连通，岩样整体弱化。

3.5 地下水影响

地下水对岩石具有一定的软化和崩解作用，通常来说在高地应力条件下千枚岩的含水率非常低，岩石力学性质稳定，但是在开挖之后会形成过水通道，地下水会逐渐向隧道内汇聚，特别是在雨季这种现象更为明显，导致千枚岩中的含水率升高，力学性质下降。

总的来说，洞室开挖卸荷后，洞周径向应力的减小和切向应力的增大使得应力差增大，当岩体所受应力超过起裂应力时，内部裂纹进一步贯通，加剧了松动圈快速发展，德胜隧道大变形的产生机理是碎胀效应和挤压效应的叠加结果。

4 软岩隧道大变形施工控制技术

德胜隧道施工过程中针对可能出现的围岩大变形，以“控制变形”为前提，施工过程中遵循“控制进尺、分步预留、锚撑结合、加强措施、快速封闭、动态调整”的大变形处理原则，是确保施工顺利的关键。

4.1 软岩大变形的预测

首先应该对掌子面揭示围岩状态进行了解，采取基于地质雷达测试、声波法测试、多点位移计测试相结合的判定方法，然后采取针对性防控措施[3]。软岩大变形围岩典型特征：岩性主要为炭质千枚岩、炭质板岩、千枚岩，呈现薄层状，构造发育揉皱扭曲，节理裂隙极为发育，岩石结构散体破碎状，开挖后自稳能力差。

4.2 动态调整预留变形量

基于变形强烈的严重大变形地段，第一层预留变形量设置为30～40cm，第二层预留变形量设置为60～70cm，对各分步台阶设置不等预留变形量，吻合变形发展规律，另外可以结合隧道两侧围岩不同的软硬强度，适时调整隧道开挖中线与线路轴线的偏离值，更好控制形变。

4.3 三台阶预留核心土法开挖施工

三台阶分部开挖减小断面开挖面积，有效控制掌子面掉块、溜塌，上部核心土留置考虑上台阶和先行侧中台阶，核心土面积宜大，控制掌子面变形和溜塌，中、下台阶不留核心土，仅于后行侧中、下台阶留置岩柱。上、中、下台阶断面高度分别为4.5m、4m和3m，隧道初支封闭成环空间跨度上距离掌子面不能超过30m，时间跨度上不大于25d。

4.4 强化超前支护控制

对于轻微、中等大变形段采用Φ42mm 超前小导管支护，对于严重大变形段采用超前管棚支护，给隧道拱顶形成了良好伞形保护结构，有效防止拱顶围岩坍塌。其中超前管棚为Φ108mm、壁厚6mm 的热轧无缝钢管，单根长度8m，环向间距40cm，纵向有效搭接长度≥3m，拱部120°范围设置。

4.5 初支拱架安装

全环设置HW200型钢钢架，纵向0.6m/榀，Φ8钢筋网片20cm×20cm，钢架之间通过I20b 型钢进行纵向连接，全面提升钢架整体强度，严重大变形洞段第二层初期支护根据监测实时数据施作，当一支未封闭成环变形量就超过初支预留变形量的50%时，及时施作二次支护，未超过50%且初支无明显破坏特征则在一支封闭成环后施作。针对HW200 钢拱架重、整体工作量大以及安装速度慢等问题，在进行双层拱架安装时通过专门的钢架安装机进行安装，保障了施工效率和质量，也有助于保障施工安全[4]。

4.6 长短锚杆组合体系

松动圈测试表明德胜隧道拱顶及仰拱部位松动圈均较小，基于此在隧道拱部和边墙区域分别通过短锚杆和长锚杆进行支护，锚杆类型采用Φ25组合中空锚杆及Φ 32自进式锚杆，短锚杆长度分别为4m、6m，长锚杆长度10m，对于严重大变形段为了提升支护能力在仰拱部位增设额外5m 短锚杆，在系统锚杆钻孔作业中选择锚杆台车或三臂凿岩台车，满足钻孔深度和钻孔角度要求。

4.7 大直径锁脚锚管

在钢架节段连接处施作Ф89×6m锚管，下插角45°（必要时管内增设HRB400φ18四肢箍钢筋笼，增强锚管的整体抗弯刚度），采用20mm钢板定位卡具，将大直径锁脚锚管、钢架翼缘、钢板相互间焊接牢固，管内注浆固结管周一定范围内松散岩体，形成扩大基桩，以分散和传递初期支护体系应力至未受洞室开挖扰动的岩体中，有效控制初期支护体系的整体下沉。

4.8 拱架背后补偿注浆

可以减弱岩体内部产生裂隙后端部的应力集中效应，从而将岩体由裂隙拓展破坏转变成为剪切或拉伸破坏，提高初期支护整体的刚度和稳定性，有利于隧道承载和控制变形。采用Φ42×5m 钢花管，间距为1.2m×1.0m（环×纵），在垂直结构面打设钢花管，选用水泥浆进行注浆。基于地段含水性确定注浆液参数，对于常规地段水泥浆液水灰比为0.6∶1，对于含水较高地段选择水泥-水玻璃双浆液，两者之间比例为1∶1.27。注浆压力控制在0.5~2MPa区间范围，并采用由下往上、由少水到水多的注浆顺序。

4.9 隧底加固微型桩

为了预防仰拱上浮，在仰拱设置微型桩，微型桩间距1.2m×1.8m（横×纵），桩长20m，钻孔采用Ф146跟管钻进，钢筋束由4根Ф25钢筋和φ42连接钢管组成，钢筋与连接钢管采用焊接，连接钢管单节长5cm，间隔1m设置一处。钢筋束长20m，安装时内设Ф20 聚乙烯注浆管。注浆材料采用M35水泥砂浆。仰拱填充底部1.8m范围与仰拱衬砌整体配筋，微型桩钢筋伸入整体仰拱内锚固。

4.10 监控量测与断面检测

在德胜隧道开工之后，软岩大变形地段变形发展非常快，虽然可以通过监测方式来获取相关的形变数据，但是通常来说监测数据及时性较差，并且与实际形变之间存在较大差异。针对该问题，有必要在隧道开挖施工中通过三维激光扫描仪非接触式断面扫描仪等进行断面检测，可以获得更为准确有效的形变数据[5]，为后续作业提供依据。

5 软岩大变形控制效果

德胜隧道通过上述措施，规避了常规分部开挖导致的复杂工序交接，规避了临时支护的安装和拆除，有助于后续机械化作业，同时还可以有效降低工作量和工程费用。采取措施前后变形情况对比如图2所示，从中可以看到拱顶累计沉降降低36%，水平收敛减少34%。同时大变形段一般沉降速率为3~15mm/d，收敛速率为3～20mm/d，最大沉降速率为24.3mm/d，最大收敛速率为25.9mm/d；一般累计变形为300~350mm，收敛趋于稳定时间一般为40~60d，最长可达3个月。德胜隧道围岩变形问题得到有效控制，施工效率显著提升，平均月进度为20m，最大月进尺达到26m。

图2 采取措施前后变形情况对比

6 结束语

新建成兰铁路成都至川主寺段德胜隧道在施工过程中遭遇的由于高地应力引起的大变形问题，针对其变形特性以及变形影响因素，以“控制变形”为前提，施工过程中遵循“控制进尺、分步预留、锚撑结合、加强措施、快速封闭、动态调整”的大变形处理原则，采用合理有效的隧道大变形施工方法与控制措施，有效地解决了初期支护变形失效，软岩松动圈扩大问题，降低了施工安全风险系数，提升了工效与工程质量，为今后山岭深埋区域隧道软岩大变形施工提供了参考作用，同时也对隧道洞口顺层偏压施工及浅埋段施工有一定的借鉴意义。