高原隧道斜井软岩大变形控制及监测

赖 标

北京铁城工程咨询有限公司 北京 100855

在高原隧道斜井施工中经常会遇到软弱围岩问题，承载力比较差，会对施工安全构成严重威胁。此时就需要采取有针对性的方法和措施进行处理。传统处理方式为锚杆支护，或者是灌浆支护。虽然也可以起到加固围岩的作用，但加固的范围和深度有限，难以实现对软岩大变形的控制。高地应力软岩隧道（辅助坑道）应重视措施的时效性，围岩加固及支护措施应及时施作，初期支护应尽早封闭成环。选取恰当的施工机械，达到“快挖、快支、快封闭 ”的施工目标，减少人员投入，降低安全风险。按照隧道不同地段地质结构条件的不同，采取有针对性的控制措施，是控制软岩大变形的主要方法。高原隧道2号斜井软岩大变形控制中 X2DK0+915～+895 段采用FBXSYⅡ-1 型措施、X2DK0+895～+875段采用FBXSYⅡ-2型措施、X2DK0+875～+855 段采用FBXSYⅡ-3 型措施，取得良好的控制效果，可为类似工程施工建设提供参考和指导。

1 工程概述

高原隧道2号斜井位于线路前进方向左侧，全长1600m，洞口海拔约3650m。高原隧道2号斜井采用双车道无轨运输，净空断面尺寸为7.5m ×7.5m（宽×高），纵坡坡度9.57% ，最大埋深约350m。隧区属构造剥蚀、侵蚀中高山峡谷地貌，地面主要高程为3640～3930m，相对高差为290m。洞口段为第四系全新统残坡积（Q4dl+el ）粉质黏土、角砾土，洞身主要穿越下伏第三系热鲁组（E2-3r ）砖红色、紫红色复成份砾岩、含砾不等粒钙质岩屑砂岩、砂砾岩、砂岩组合。

2 高原隧道斜井的施工条件

就案例工程而言，掌子面里程在X2DK0+920区段内，埋深比较大达到298m，现已掘进680m，通过分析开挖揭示围岩发现本区段内主要为软岩，包括碳质板岩、绢云板岩、千枚岩等。这些软岩有局部存在于破碎的灰岩地层中，受到附近构造的挤压影响，岩体破碎较为严重。在进行掌子面开挖施工中局部出现了严重的掉块现象。按照监控量测的结果，高原隧道2号斜井目前井施作完成的X2DK0+945区段断面边墙最大变形速率为一天54.2mm/d，累计变形收敛值达到85.7mm。而X2DK0+950区段最大变形速率为一天内变形量大的37.5mm/d，累积变形收敛值为117.2mm。该斜井由于长期以来整体受到金沙江东界断裂的影响，使得应力条件比较复杂，岩土破碎。针对目前高原隧道2号斜井掌子面揭示围岩的情况，临界深度达到213m，且当前埋深已大于临界深度，相对变形量达到3%，变形速率则在每天15～30mm之间，因此，本区段围岩存在轻微大变形的情况。

3 软岩大变形控制措施

在进行高原隧道斜井施工中，为降低软岩大变形对施工安全和质量造成不良影响，需要严格遵循“优化轮廓、主动加固、分级控制、强化支护”的原则。通过“快开挖”采用微台阶进行开挖，可有效避免对围岩产生多次扰动；“快支护”开挖完成后，及时封闭岩面并尽快施作喷锚网等支护，以防软岩长时间暴露形成的更大变形，并根据监测数据动态调整支护参数；“快封闭”即支护结构需尽快封闭成环，以便在最短的时间内发挥出支护成效[1]。

在具体施工中，需要结合实际情况合理调整支护方案和技术措施，在施工全过程中需要全面落实“宁强勿弱”的理念，制定出3段（X2DK0+915～855段，总长度为60m）支护措施参数，按照施作后的监控量测数据对支护措施进行有针对性的分析和调整，获得了安全、有效、经济的软岩大变形控制措施[2]。本工程采用的支护措施如下：

X2DK0+915～+895段采用FBXSYⅡ-1型措施：喷射C30早高强纤维混凝土，喷射厚度为27cm，钢架采用全环HW200型钢钢架，每隔0.8m布置一榀。上台阶锁脚每处布置Φ42钢花管（4.0m）×2+Φ25低预应力树脂卷中空注浆锚杆（5.0m）×2，下台阶锁脚每处：Φ42钢花管（4.0m）×2作为大变形支护的锁脚。纵向连接时采用I14 钢架连接，每环设置10处，隧道拱部锚杆采用Φ25低预应力树脂卷中空注浆锚杆（4.0m），边墙锚杆采用Φ25低预应力树脂卷中空注浆锚杆（6.0m），锚杆间距为1.2m×0.8m（环向×纵向），钢筋网采用全环φ8钢筋网（20cm×20cm）。

X2DK0+895～+875段采用FBXSYⅡ-2型措施：喷C30早高强纤维混凝土，喷射厚度为25cm。钢筋采用全环HW175型钢钢架，每隔0.6m布置一榀。锁脚施工方式和FBXSYⅡ-1型控制措施相同，纵向连接时采用Φ22 钢筋内、外侧设置，环向间距1.0m。拱部锚杆采用Φ25 低预应力树脂卷中空注浆锚杆（4.0m），间距为1.2m×0.8m。边墙锚杆采用Φ25低预应力树脂卷中空注浆锚杆（4.0m）+Φ32自进式锚杆（8.0m），间距为1.2m×0.6m。

X2DK0+875～+855段采用FBXSYⅡ-3型措施：喷C30早高强钢纤维砼，喷射厚度为25cm 。钢架采用全环HW175型钢钢架，按照每隔0.6m的间距布置一榀，上台阶锁脚采用Φ42 钢花管（5.0m）×2+Φ25 低预应力树脂卷中空注浆锚杆（5.0m）×2；下台阶锁脚采用Φ42钢花管（5.0m）×2，纵向连接时采用Φ22 钢筋内、外侧设置，环向间距1.0m；隧道拱部锚杆采用Φ25低预应力树脂卷中空注浆锚杆（4.0m）；边墙锚杆采用Φ25低预应力树脂卷中空注浆锚杆（6.0m），间距 1.2m×0.8m（环×纵）。

4 高原隧道斜井软岩大变形监控量测方法

4.1 净空变形监控量测

净空变形监控量测是高原隧道斜井软岩大变形监控量测的主要内容，监控量测的效果直接关系到整个隧道工程的总体施工效果。为保证隧道斜井净空变形量测的准确性，需要将测点及时布置，测点初始读数需要从开挖后的12h内来读取。本工程斜井净空变形量测断面间距如表1所示。

表1 隧道斜井净空变形监控量测断面间距表

每个测点都应布置牢固，且容易识别进行妥善保管，隧道拱顶量测后视测点需要埋设在稳定的岩面之上，同时还要和隧道内部水准点之间建立起关联。在每个测点量测中要选择精度经过检定，性能可靠，使用便捷的测量仪器设备。比如在进行拱顶下沉量测施工中，每个断面上都要布置1～3个监测点，采用水准仪+水准尺+挂钩钢尺的方法进行联合检测，在条件允许的情况下，周边位移可采用非接触监测仪进行量测。在进行锚杆、围岩内部变形量测中可采用单点、多点式锚头联合传递杆进行量测[3]。为降低监控量测难度，提升精度，应保证隧道拱顶下沉测点、净空变化测点、围岩内位移测点布置在同一个断面中，具体的监控量测断面布置图如图1所示。

图1 变形监测断面测点、测线示意图

净空变形监控频率需要严格按照表2中的规定来执行，并且应不低于《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR9218-2015）中的相关规定，具体如表2所示。

表2 按位移速度确定的监控量测频率表

4.2 隧道围岩深部位移监测

为更加有效的掌握高地应力软岩大变形地段隧道衬砌结构的变形规律，需要先了解和掌握隧道周边深部围岩的变形随着时间和空间的发展变化规律。主要在全部满足基本监控量测要求的基础上，对隧道周边深部围岩进行有针对性的监控量测，从而全面掌握深部围岩变形随着时间和空间变化的规律，得到隧道斜井结构变形和围岩深部变形之间的内在联系，为初期支护、二次衬砌等提供真实有效的决策。为保证监控量测结果的准确性，不同变形等级围岩深部变形监测孔深度需要按照15m来考虑，而位移监测点则可以按照5m来布置，具体的检测孔深度、间距、个数等可按照隧道斜井的实际变形量进行有针对性的调整，本工程监控量测断面按照图2所示进行布置。

图2 围岩深部变形监测断面测点、测线示意图

在进行隧道斜井围岩松动圈测试中，可采用双孔监测法，每组布置2个钻孔，但要保证两个钻孔相对平行，一个钻孔内安装发射传感器，另一个钻孔内在相应的深度位置安装接受传感器。钻孔的深度需要按照所测区域的实际进行合理调整，但深度必须保证大于围岩松动圈，按照类似工程施工成功的经验，钻孔长度取8m，每组两个钻孔之间的间距控制在50cm左右，边墙位置钻孔需要向下适当倾斜2°～3°。

4.3 隧道斜井支护体系力学行为监测

隧道斜井支护体系力学行为监测的主要内容是在软岩大变形地段隧道施工中，对支护结构体系的相对稳定状态进行监测，以便充分了解和掌握支护结构体系的可靠性，最大限度上确保隧道施工的安全性，以及隧道整体结构的长期稳定性。隧道斜井支护体系力学行为监测的结果，可为大变形隧道初期支护、二次衬砌施工提供有针对性的参数，进而更好的优化设计方案，同时也是实现软岩大变形地段隧道信息化设计和施工的主要工序。进行隧道斜井支护体系力学行为监测中，受力监测断面测点布置图如图3所示。

图3 受力监测断面测点示意图

各种传感器线路应沿环形架构（钢筋）等设施，设定在侧沟槽附近的出口位置。若是在断面线缆接头数量较多时，推荐将其延续至相邻断面之后，沿着钢架构（钢筋）的下方，直到侧沟槽位置显露。在同一区域应设置明显且不易损坏的标记，为各类传感器的接头线缆进行区分。需在接头处做好不同类型传感器线缆颜色的明显标记，并设立牢固的标签。在施工期间，应对出露的线路设备进行固定箱盒的保护，在工程竣工后，可以将其放入侧沟电缆槽内。

5 结语

综上，高原隧道斜井软岩质地柔软，承载力差，低于变形的能力低。在进行软岩区段隧道施工中需要对大变形情况进行严格控制，并采取有效的监测手段和方法，才能实时掌握隧道变形情况，为隧道支护、衬砌等环节的施工提供有针对性的数据支撑。在案例工程施工中，结合现场施工条件，不同区段采用不同的的大变形控制方法，并加强隧道净空、围岩深部位移、支护体系力学行为进行监测，可实现对隧道斜井大变形的有效控制，为正式施工提供良好的条件，确保施工任务的顺利完成，可为同类工程提供借鉴指导。