雁门关隧道富水段软弱围岩初期支护开裂变形控制技术

邓伯科

(中铁十二局集团第二工程有限公司，太原 030032)

1 工程概况

北同蒲铁路取直线雁门关隧道位于山西省朔州市境内，隧道起讫里程DK110+855～DK124+940，全长14.085 km。最大埋深约820 m。为单洞双线铁路隧道，隧道以直线通过，线路纵坡为人字坡，上坡坡度为7‰，DK120+980以后下坡坡度为3‰。洞身净宽12.06 m，净高8.15 m。线路主要技术标准为:Ⅰ级铁路、电力牵引、双线、线间距4.4 m，旅客列车行车速度160 km/h，预留 200 km/h。

2 地质特点

雁门关隧道围岩为古老的变质岩地层，岩性复杂多变，洞身穿越的岩性主要以片麻岩为主，部分段落分布黑云母变粒岩。变质岩虽为硬质岩石，但岩性变化大，岩体受到层理、片理、暗色超基性和中基性岩脉的穿插以及花岗岩的注入式混合岩化的影响，岩体破碎，受构造、蚀变和风化作用，岩体软硬不均，夹有软质团块和软层。断层、层面和构造节理发育，多见层间摩擦面和岩脉穿插。隧道正洞发育19条断层破碎带，断层破碎带内充填角砾及断层泥，岩层破碎，基本无胶结。

隧区内地下水以裂隙水为主，地下水赋存条件较好，隧道最大涌水量达29 800 m3/d，根据设计地质钻孔资料，05-ZD-894钻孔在83.6 m基岩面(土石分界)处见地下水，稳定水位43.3 m，承压高度40.3 m，具承压性。

3 施工地质揭示情况及围岩与初期支护开裂变形原因分析

3.1 施工地质揭示情况

雁门关隧道富水段软弱围岩(DK111+745～DK112+180)施工地质揭示情况:全风化黑云母变粒岩(图1)，岩体强度极低，手捏成粉末状，遇水成泥，地下水呈先弱后强趋势，自稳能力差，极易发生坍塌掉块。

图1 全风化黑云母变粒岩

3.2 围岩与初期支护开裂变形情况

图2 环、纵向开裂及喷射混凝土剥落

图3 钢架连接板变形

3.3 初期支护变形开裂原因分析

在弹性介质和水压力作用下，开挖后隧道周边的最大主应力是初始应力的2倍。而且整个周边围岩都处在受压状态，根据现场围岩状况、监控量测数据及应力计量测数据反映出:由于围岩无自稳能力，开挖后周边围岩松散范围大，但围岩压力相对小，分析初期支护为整体下沉，且拱顶下沉值是上台阶拱脚部位的2倍左右，施工中采用锁脚钢管能起到一定的抑制作用。正拱顶下沉曲线见图4，两侧拱脚下沉曲线见图5，围岩水平收敛曲线见图6，围岩压力曲线见图7。

现场监控量测数据:在初期支护施工后1～5 d时间内变形值大，拱顶下沉值最大为363 mm，收敛值最大为145 mm。

(1)由于围岩差，加之在地下水的作用下，围岩间的粘结力下降，松散半径扩大，不能形成承载拱，是造成初期支护开裂变形的主要原因。

(2)由于地下水作用，造成开挖轮廓不圆顺，局部超挖值超标。虽然钢架背后采取了引水管，但由于地下水量大且出水点多，仍较难保证喷射混凝土密实度的有效控制。

图4 正拱顶下沉曲线

图5 两侧拱脚下沉曲线

图6 围岩水平收敛曲线

图7 围岩压力曲线

(3)由于地下水作用，造成拱脚部位地基承载力下降。

(4)初期支护全环闭合时间较长，延长了变形时间，在初支全部封闭成环后，围岩变形呈递减趋势。

4 变形控制施工技术

严格控制开挖进尺，首先针对其围岩特性采取注浆加固处理，掌子面采用超前注浆，拱部及边墙部位采用径向注浆;开挖后及时对掌子面喷射混凝土封闭;拱架连接板处增设槽钢，增强拱脚基底承载力;锁脚锚管采用加固新工艺，控制下沉;仰拱二衬紧跟，确保安全步距满足规范要求;及时进行围岩量测，以指导施工作业。

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4.1 对围岩进行注浆加固

针对此围岩的特性，首先采取超前预注浆加固围岩，注浆时水灰比为0.45∶1～0.5∶1，注浆压力控制在0.5～2 MPa，注浆量根据设计注浆量及注浆压力双重控制。通过注浆增强围岩自稳能力，减少围岩松散半径及时形成承载拱。

在初期支护喷射混凝土施工完后，及时打设径向注浆钢管，实施径向注浆，注浆参数同超前预注浆。径向注浆能有效地将围岩与初期支护间的空隙、围岩自身间的裂隙充填满，充分发挥了初期支护的支护能力。

通过超前预注浆及径向注浆(图8)，对地下水进行了有效阻截。在实施超前和径向注浆后，打设部分泄水孔，对地下水进行集中引排，防止地下水浸泡拱脚部位，造成拱脚失稳。

图8 超前预注浆及径向注浆

4.2 严格控制开挖进尺

每循环开挖进尺不超过60 cm。采取三台阶七步开挖时，每个台阶长度控制在3～5 m，左右侧中下台阶错开长度不少于2 m。

4.3 钢拱架锁脚锚管创新新工艺

为有效控制钢架变形，在每榀上、中、下台阶钢架拱脚部位焊接1～2块250 mm×450 mm×16 mm的钢板，每块钢板设2个50 mm宽锚管定位孔，并将锁脚锚管穿入孔中打设，锚管尾端采用“L”形φ22 mm螺纹钢与钢架焊接牢固，钢拱架锁脚锚管工艺见图9。

4.4 增设拱脚处槽钢，增强拱脚基底承载力

在钢架拱脚连接板处增设槽钢作为垫板，既防止连接板变形弯曲，又增强了拱脚受力。

4.5 确保喷射混凝土密实度

开挖后及时进行初喷。在复喷射混凝土时，严格按照喷射混凝土施工工艺要求施作，确保喷射混凝土与围岩之间密实。超挖部分采用同强度等级混凝土回填密实。

图9 钢拱架锁脚锚管工艺(单位:mm)

4.6 仰拱及时闭合，二衬紧跟，确保施工及结构安全

加强工序衔接，严格控制台阶长度，三台阶整体推进，及早闭合仰拱成环。仰拱闭合时间控制在10 d以内，仰拱离掌子面距离控制在25 m以内，仰拱每次开挖长度控制在3 m，二衬离掌子面距离控制在50 m以内。

4.7 加强监控量测，及时反馈量测结果指导施工

及时进行围岩量测，量测点每个断面布设不少于5个点，围岩量测布设见图10。布设间距不大于5 m(根据实际情况可适当加密)，并根据围岩量测结果及时调整支护参数，合理调整其预留变形量，确保初期支护不侵限。

图10 围岩量测布设

围岩量测是隧道开挖、支护的依据，开挖支护参数的选择是根据围岩量测确定的，因此围岩量测必须及时准确。当拱顶下沉、水平收敛速率大于5 mm/d或位移累计大于100 mm时应暂停掘进开挖，并及时分析原因，采取处理措施。

5 施工注意事项

(1)在实施钢架锁脚锚管施工时，锁脚锚管下插角控制在30°～45°。

(2)在实施超前及径向注浆作业时，针对围岩破碎造成的难成孔现象，宜采用自进式注浆锚杆加固处理。自进式锚杆是集注液管、钻杆、锚杆为一体的长锚杆，可有效解决塌孔造成注浆管施工长度不足。

(3)加强施工管理，确保施工正常有序，通过强化施工过程控制，突出掌子面责任控制，从方案制定到方案实施、从施工到监控，从组织到分工协作，提高各种生产要素的效率，确保隧道施工安全、质量、进度有序可控。

6 取得的效果

(1)经过注浆加固，围岩间裂隙全部充填满浆液，围岩状况得到改善，地下水得到有效控制。

(2)初期支护变形值减小，拱顶下沉值由363 mm减小为175 mm，收敛值由145 mm减小为67 mm，变形得到有效控制。采取此措施在后续施工中，初期支护喷射混凝土开裂现象减少了，未出现钢架扭曲及接头板变形现象。

(3)初期支护开裂变形得到了有效控制，提高了施工质量，保证了施工安全。

(4)采取此措施后，既保证了安全、质量，又加快了施工进度，创造了良好的经济效益:既减少了开挖量(预留变形量引起的超挖量)，又减少了初期支护变形开裂处理费用。

7 结语

通过北同蒲取直线雁门关隧道软弱围岩初期支护开裂变形控制施工实践，在施工环节中通过现场实际情况调查、原因分析及有针对性的控制技术措施，形成了一套行之有效的富水段软弱围岩初期支护开裂变形控制技术，确保了施工安全及隧道结构安全，对类似工程有借鉴参考价值。

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