广大线祥和隧道围岩大变形、坍塌处理技术研究

李新荔

摘要：广大线祥和隧道围岩复杂多变，施工中遇到软岩大变形地带，不良地质引发多起初支变形开裂、失稳破坏、超限、坍塌等问题。通过对隧道软弱围岩变形的原理及特征进行分析及总结后，施工时采取增强支护体系刚度、设置超前导洞、预留合理变形量、设置长锚杆、超短三台阶法开挖和二砌紧跟等系列综合技术措施控制了围岩的变形，确保了隧道结构安全和施工顺利进行。

Abstract： The surrounding rock of Xianghe tunnel in Guangtong-Dali Railway is complex and changeable. The soft rock large deformation zone is encountered during construction， and the bad geological conditions cause many problems such as initial deformation， cracking， instability， failure， overrun and collapse. After analyzing and summarizing the principle and characteristics of the deformation of the weak surrounding rock of the tunnel， a series of integrated technical measures are taken， such as， enhancing the rigidity of support system， setting the advanced pilot hole， reserving the reasonable amount of deformation， setting the long bolt， using the ultra-short three-step excavation method， and so on， so that the deformation of the surrounding rock is controlled and the safety of the tunnel structure and the smooth construction are ensured.

关键词：铁路隧道；软岩大变形；导洞释压；超短三台阶法；长锚杆

Key words： railway tunnel；large deformation of soft rock；pressure relief of pilot hole；ultra-short three-step method；long bolt

中图分类号：U451.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0112-03

0 引言

当铁路或是公路隧道穿越高压应力地层或是遇到软弱大变形围岩时，常出现初支或衬砌变形超限、开裂，甚至引起隧道围岩坍塌等地质灾害，不仅危及隧道的结构安全和施工安全，且施工处理难度大，成本高，工期长，成为了困扰地下工程施工的重大难题。

随着我国基础建筑的迅猛发展，更多的隧道等地下工程修建于地质条件复杂的地带，且隧道更趋于长大、深埋。故隧道施工时常常遭遇软弱大变形围岩。如何在确保造价及工期的基础上有效控制软弱围岩大变形等地质灾害，成为广大工程技术人员所需面对和解决的难题。

1 工程概况

广大铁路祥和隧道起訖里程D1K149+274～D1K159+494，全长10220m，为双线隧道，最大埋深约705m。全隧除D1K148+648～D1K149+695、D1K157+771～D1K159+494段分别位于半径R=5004.5和R=2804.53的右偏曲线外，其余地段均为直线；线路纵坡为人字坡，分别为5.0‰上坡和4.8‰下坡。

祥和隧道属Ⅰ级风险隧道，该隧断层影响带长度共1880m；侵入岩接触带长度共1280m；可溶岩与非可溶岩接触带510m；极软弱、极破碎、岩溶强烈发育或富水岩体的V级异常段470m，风险段落总长4140m，占隧道总长的40.5%。存在的主要安全风险有软岩大变形、塌方、突水涌泥，次生风险有环境和工期风险。

2 软弱围岩变形情况

祥和隧道2013年3月开工至2013年11月底，出现大变形段落达到980m，大型塌方20次，小型塌方不断，围岩极软弱，褶曲严重，层间挤压剧烈，产状凌乱，在开挖后正洞最大收敛达到2.2m。部分段落初支变形超限、开裂（如图1所示）。正洞D1K156+617因变形过大，发生坍塌（如图2所示）。为了处理以上地质灾害，不仅投入了大量的成本，且严重地影响到了工期，给隧道的施工造成极大困难。因此，研究软弱围隧道变形的特征及处理措施，对于确保隧道的顺利建设及降低工程造价有着重要的意义。

3 软弱围岩变形原因及特征

经对上述软弱围岩变形地段进行勘测和对监控量测的数据进行分析研究，并提请地质专家进行地质调查，得出祥和隧道变形的原因及基本特征：

①出现大变形地段的围岩为强度较低的软质岩及侵入岩，且含有膨胀性的岩石，为出现变形提供了物理及化学方面的基础。②变形地段隧道埋深约250～700m。围岩本身具有较高地应力。且围岩抗压强度较低，故应力强度比较高，膨胀变形风险大。③隧道沿线地下水丰富，水对软岩的软化影响为围岩发生大变形起到了重要的促进作用。岩石的变形类型基本为塑性流动及弯曲变形。④围岩变形持续时间较长，且变形量大。变形量15d内达到总变形量的80%，在随后2个月时间内，变形量基本全部完成。

4 隧道软弱围岩大变形的施工控制技术

4.1 应力释放试验成果

在高地应力情况下，如果仅一味地提高支护强度以抵制变形，不仅会使施工成本大幅增加，同时也严重影响了施工进度，本隧道采取了设置超前导洞进行应力及变形释放的技术，即通过设置超前导洞释放围岩应力，超前导洞在压应力作用下充分变形，初支前释放了部分围岩应力及形变，地应力得以重新分布，形成适应新结构的平衡状态，从而大幅减少了初支后围岩压力及变形值。

导洞大小为6m宽×4.5m高的曲墙断面，导洞中心线与正洞中心线重合，导洞拱顶距正洞拱顶2.0m，导洞掌子面超前正洞掌子面30m。

导洞采取全断面开挖，导洞初支在考虑结构安全的情况下尽量柔性设计，以使围岩充分释放地应力及变形，导洞初期支护参数如下：钢架采用I18b工字钢，按间距为1.0m布设，喷24cm厚网喷砼，增设长2.5m的？准系统锚杆，环向及纵向间距均为1.5m，并设长5m？准42超前小导管。

平均拱顶下沉值由54.3mm降为26.3mm，减少了51.6%。平均水平收敛值由240.23mm降为166.94mm，减少了30.5%。

分析结果表明，设置超前导洞后，正洞扩挖后的变形值大幅减小。说明超前导洞有效释放地应力，加快了围岩变形，大幅降低了初支后的变形幅度。

4.2 提高初支整体刚度及承载能力

为了以抵制地应力及地层的变形，本隧道不仅增强钢架、喷射砼等支护本身的刚度以提高初支刚度和承载能力。还通过设置锚杆及注浆等加固措施使支护结构与围岩联系成稳定的承载系统，采取的措施有：

墙身及拱部原间距为1.5m（纵、环向）的？准32中空注浆锚杆，加密为1.5m（纵）×1.0（环），长度由原4m加长至8m，锚杆采取体内及体外结合注浆，浆液水灰比控制在0.6左右；将原间距0.6m的I20b工字钢钢架，调整成间距0.6m的双层HW175型钢钢架，呈品字形布置，并在每榀钢架上、中、下台阶拱脚各设置2根9mΦ75中管棚锁脚，钢管尾端50cm加工成尖型，尾部1m范围开设注浆孔眼，打设位置在接头钢板以上30cm处，锁脚采用双液浆注浆，水灰比控制在0.5左右，为保证浆液流动性，加入适量的减水剂。

初支设置双层钢筋网，拱架施做完成后，第一层钢筋网在拱架外沿与连接钢筋相连，喷射砼至一半厚度左右。在钢架外沿翼板内侧铺设第二层钢筋网，待下一循环施工时补喷到位。采用？准8钢筋网片，第一层网眼尺寸15×15cm，第二层网眼尺寸20×20cm。

超前支护采用？准42小导管，长6m，每环39根，环向间距30cm，搭接长度1.5m。为减小掌子面前方拱部掉块，掘进开挖时尽量保证掌子面垂直度，拱架与掌子面密贴，减小临空面，避免坍塌。拱架与掌子面不能密贴时，采用连接筋顶至掌子面并布设网片。距离大时，小导管上方铺设？准6钢筋网片，网片网眼间距15×15cm。在喷射砼时将前沿部分网片外侧喷12～15cm砼，将网片包裹。遇有坍塌空腔时，喷射砼前预埋注浆管，在下循环喷砼完成后注浆。

4.3 采用超短三台阶法掘进

采用超短三台阶法掘进，上、中台阶长度5m，仰拱距下阶15～20m，二次衬砌距，仰拱前端不得超过50m，各工序间距见图4。

人工风镐配合挖掘机掘时，必要时辅以弱爆破。

挖掘机或是弱爆破开挖下部斷面，人工用风镐开挖及整修成轮廓。开挖后立即喷砼4～6cm封闭开挖面，随后喷锚网、型钢架立等初支的作业。及时浇筑仰拱砼，紧跟衬砌模注砼。

4.4 预留合适的变形量

对监控量测的数据进行分析，随时掌握围岩变形情况，并研究确定预留变形量的基准值。通过适当加大预留变形值，使围岩在高应力情况下蕴含的变形势能得到充分释放后，再进行强支护，不仅确保了支护系统的安全性，且可有效降低支护所需强度，从而节约了施工成本。

本项目拱墙预留变形量不同，通常拱顶预留变形值60cm，水平收敛预留变形值80cm，并根据不同段落围岩及地下水发育情况实行动态控制，防止初支超限。

4.5 尽量减少对围岩的扰动

监测量测数据表明，采用爆破掘的强振动为加剧围岩变形的不利影响，为了控制围岩的变形发展，采取如下措施控制掘进：①对于围岩破碎段落，尽量采用机械配合人工开挖，以避免爆破产生的振动影响。②部分围岩较为完整地段，挖掘机难以挖掘时，尽量采用铣挖机进行铣挖，以避免爆破开挖。③如果需爆破开挖时，严格控制爆破参数，循环进尺控制在0.5～1m范围内，减少齐爆装药量，并采取减弱振动的控爆技术及措施。

4.6 选择浇筑二次衬砌的时机，有效控制大变形

《铁路隧道施工及验收规范》规定，当隧道变形及收敛速率小于0.2mm/d后方可进行二次衬砌的浇筑。但作为对于围岩大变形隧道，其变形总量大，持续时间长，在变形及收敛速率还远超0.2mm/d时，初支就已因变形过大而破坏，因此本隧道施工时根据实际变形控制要求及变形监测值进行回归分析后，认为祥和隧道变形速率小于3mm/d为浇筑衬砌的较佳时机，能在确保衬砌结构稳定的前提下，还可以有效减少变形的最终值。

4.7 采用长锚杆控制围岩大变形

以往工程实践表明，长锚杆能够有效控制隧道软岩围岩的变形，因为长锚杆外端能够穿过软弱围岩的塑性区而锚固在坚固的基岩上，使得锚杆可以承受较大的围岩变形应力。祥和隧道软弱围岩的塑性区厚度经计算，在4～6m之间。根据以上计算结果，将原4m长的系统锚杆加长，拱部为长8m？准32中空注浆锚杆，边墙为长8m？准32砂浆锚杆。

5 加强监控量测，动态控制施工

因祥和隧道地质情况复杂多变，在施工时科学组织监控量测、加强地质超前预报，对围岩变形进行了动态控制的工作显得尤为重要。

在祥和隧道施工时，采取水平地质钻孔、TSP203地质预报系统及地质雷达等技术方法进行地质预报工作，能够较准确地掌握隧道前方的地质情况，从而为提前制订针对性的施工控制措施及方法提供了依据。

施工期间，按照规范及设计要求，持续对拱顶沉降、边墙水平变形收敛进行了监控量测。同时对锚杆轴力、拱架应力、衬砌应力等进行监测。以上工作由专门的监控量测小组按规程要求进行，保障了监测工作的及时性和量测数据的准确性。

采用专门的软件对数据进行回归分析、变形及回归曲线绘制和数理统计，确保了数据处理工作高效、结果即时可得、科学预测、分析准确。使得施工现场能够根据数据处理结果及时进行了支护参数的调整，预先采取科学有效的控制措施、合理适当的预留变形量和衬砌浇筑时机，达到了有效控制变形、保证结构安全、加快施工进度的目的。

6 结束语

根据祥和隧道软弱围岩大变形的特性及规律，以新奥法思想作为指导，提高支护体系的刚度，并设置长锚杆使初支与围岩形成承载共同体，从而确保隧道结构整体抵制变形的能力。同时设置导洞对围岩进行部分卸压及变形释放。采用超短台阶法掘进、低振动控制爆破及机械开挖等施工技术，以减少对围岩的扰动。最终成功达到了控制围岩隧道变形的目的，对隧道施工技术的发展进步起一些积极作用。

盡管经过祥和隧道的施工，在围岩大变形控制措施及技术方面取得了一些技术成果，但地质情况及围岩变形机理非常复杂，控制围岩大变形的施工方案及方法仍然处于一个不断认识及提高的阶段，实际施工时要根据具体情况对控制变形方案、措施及方法进行调整、优化。

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