软弱围岩隧道施工技术探讨

郭王义

(太原铁路局建设管理处，山西太原 030012)

北同蒲铁路沿线有丰富的煤炭资源，占大秦线集运约50%的煤炭运量，但既有北同蒲铁路修建年代较早，技术标准低、行车速度慢、通过能力小，已经不能适应客货运输要求。北同蒲线山阴至原平取直线(以下简称:北同蒲取直线)工程建成后，将使北同蒲既有铁路近期释放1.4亿t、远期释放1.7亿t的煤炭运输能力，对保证我国的能源安全具有重要的战略意义，同时对促进沿线地区的社会经济发展和提高当地群众的生活质量也是十分必要的。雁门关隧道是北同蒲取直线铁路工程唯一的隧道，也是全线的重点控制性工程，该隧道施工正洞穿越多条断层破碎带，地质条件极其复杂，地下水极为丰富，属极高(Ⅰ级:特别严重)风险隧道。隧道建设过程中，不可预见因素多，施工安全很难保证。在施工前方案制定时，对工程难度进行了详细分析，并制定了行之有效的可靠措施。雁门关隧道于2007年11月18日正式开工，在施工过程中，严格落实审批通过的各项措施，狠抓施工现场管理，克服了地下水丰富、围岩软弱、断层破碎带等种种不利因素，于2013年4月30日顺利贯通，在整个施工过程中实现了“一人未伤”的安全预期目标，为全线早日通车奠定了基础。

1 工程概述

北同蒲取直线雁门关隧道，设计为单洞双线隧道，起讫里程DK110+855～DK124+940，隧道全长14 085 m。隧道穿越以恒山山脉为主干的构造侵蚀、剥蚀基岩山区地貌，地面山高谷深，群峰连绵，最大埋深约820 m。隧道围岩为古老的变质岩地层，岩性复杂多变，断层、层面和构造节理发育，多见层间摩擦面和岩脉穿插，燕山期多次的地质构造变动，使区内生成了一系列断裂构造。隧道正洞穿越19条断层破碎带，地下水极为丰富，设计最大涌水量达29 800 m3/d，且具有承压性，由于特殊的地理、气候和构造条件，隧址区水文地质条件极为复杂，工程施工难度非常大，为极高(Ⅰ级:特别严重)风险隧道。

2 工程重难点分析

1)地下水蕴藏丰富，围岩节理发育，开挖时容易发生涌水、突泥等灾害;2)隧道地质构造复杂，正洞穿越断层破碎带达19处，围岩破碎、自稳性差，易诱发塌方等安全事故，造成人员伤亡和财产设备损失;3)围岩地应力大，容易发生岩爆和初支、二衬变形开裂等问题;4)该隧道为全线重点控制性工程，工期压力非常大。

3 主要施工技术措施

3.1 重视防排水措施是关键

1)减少洞顶地表水下渗。施工前，对隧道中线走向的山体地形等现状进行详细调查，及时封堵山体地表裂缝，对地形坑洼地段进行回填，并疏导山体自然排水系统，尽量减少地表水的下渗。

2)注浆防水。注浆防水施工应根据现场的围岩状况、出水量大小等实际情况制定合理的方案，并按照现场试验进行参数调整和工艺完善，保证注浆效果。在富水地段或软弱地层，水压和涌水量较大，且围岩自稳能力差的地段，采用全断面预注浆进行堵水;涌水量较大，但水压不大，且围岩有一定自稳能力的地段，采用帷幕注浆进行堵水，加固范围均扩大至开挖轮廓线外3 m～8 m。

3)及时抽排隧道内积水。施工中应根据现场实际引水归槽，集中排放，在下台阶适当位置设临时集水坑，集水坑与边墙初支、仰拱开挖面隔开一定的距离，避免积水长时间浸泡初支墙脚和隧道基底。按掌子面和初支出水量大小配齐、配足抽水设施，及时将作业面的积水抽排至隧道外，保障隧道施工安全。

3.2 抓好超前地质预报工作是前提

1)施工前，编制超前地质预报实施细则，其内容包括实施方案、分段预报内容、方法及技术要点等。2)施工中，把超前地质预报真正纳入工序管理，并给予必要的施作时间。3)超前地质预报结论在开挖方式中的应用。根据超前地质预报和掌子面地质素描结果，对围岩极度破碎地段及时调整开挖方式和方法，现场采用微台阶分步开挖工艺，效果比较明显，其施工艺流程图和工序示意图见图1，图2。4)超前地质预报结论在变更设计中的应用。在隧道施工过程中，超前地质预报的结论与设计地质资料及时对比分析，为变更设计提供依据，为施工安全和结构质量提供了保证。该隧道围岩原设计地质情况为:Ⅱ级围岩9 595 m，Ⅲ级围岩1 495 m，Ⅳ级围岩1 685 m，Ⅴ级围岩1 270 m，明洞40 m，总计14 085 m。应用地质预报结果，并根据现场实际情况及时进行了围岩变更，变更后的地质情况为:Ⅱ级围岩45 m，Ⅲ级围岩470 m，Ⅳ级围岩4 200 m，Ⅴ级围岩9 351 m，明洞19 m，总计14 085 m。

图1 微台阶分步开挖工艺流程图

图2 微台阶分步开挖工序示意图（单位：m）

3.3 增强初支刚度是结构和施工安全的保证

该隧道穿越断层破碎带较多，在围岩节理发育，岩体极度破碎，自稳能力很差，地质构造复杂多变的情况下，单排小导管与普通初支钢架难以保证施工安全及结构稳定。通过断层极度破碎区段现场采取了初支结构强化措施，采用了双排小导管注浆和双层H175型钢拱架，起到了很好的效果。

3.3.1 采用双排超前小导管

为保证安全，超前支护在拱顶120°每环设置两排φ50×3.5 mm超前注浆小导管，长4.0 m，环向间距每米3根，两排超前导管内侧一排外插角15°，外层一排外插角30°，每两榀拱架设置一环，小导管注水泥—水玻璃双液浆。

围岩破碎且比较均匀地段的超前小导管，采用风枪直接推送，遇夹有坚硬岩块部位，先用风钻成孔后再推送就位。超前小导管安设前，先喷5 cm～10 cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙，便于后续注浆时起到止浆作用，顺序为从两侧拱腰向拱顶依次进行。

3.3.2 初支结构采取双层H175型钢拱架

对超前小导管先进行超前高压预注浆，保证扩散半径不小于2.0 m，固结破碎岩体，增强拱部围岩的自稳能力。开挖时，在隧道初支设计轮廓线的基础上，增加预留变形量约20 cm～50 cm(具体数值按照附近初支变形量确定)。

双层H175钢架的间距控制在0.6 m，钢架间纵向连接筋采用φ22 mm(HRB335)钢筋，间距1.0 m，单层 φ8钢筋网，网格间距20 cm×20 cm，拱脚以上50 cm处增设Ⅰ20b工字钢纵向托梁，两排间距30 cm(见图3)。每台阶拱脚设置4根长度为5 m的φ50注浆锁脚锚管，锚管端头与钢架焊接牢固，且外插脚30°～45°(见图4)，锁脚锚管中压注水泥—水玻璃浆。

3.4 围岩监控量测是指导施工的依据

3.4.1 原始数据的收集

为取得开挖后围岩早期状态变化数据，各项测点应尽量靠近掌子面布置(不大于2 m)，在开挖成型2 h内及时读取初次读数。对于隧道开挖时围岩破碎地段应加大监控量测的频率，认真记录原始数据，现场加密后的量测频率(见表1)。

图3 Ⅰ20b托梁示意图

图4 锁脚锚管示意图

表1 围岩监控量测频率表(位移速度)

3.4.2 围岩监控量测数据的分析及信息反馈

依据现场实际量测的数据，及时绘制围岩变形—时间关系曲线分析图(见图5，图6)，根据曲线图预测结构变形发展趋势，预测结构的安全性，评价施工方法，确定合理的工程技术措施。

图5 围岩横向收敛分析图（2010年）

图6 围岩拱顶下沉分析图

3.4.3 监控量测信息的应用

根据某一段多个量测断面的施工信息综合分析处理结果，进行设计参数修正、施工方法优化、施工工序调整、预留变形量修正及需要采取辅助的施工措施等。由于该隧道属高风险隧道，监控量测作为施工关键环节显得尤为重要，应及时对监测数据进行整理和分析，判断其结构稳定性并及时反馈到工程中去指导施工。在施工过程中，通过反馈的量测信息，多次及时停止了掌子面掘进作业，对初支采取了加固和补强措施，从而避免了大的安全事故发生。

4 结语

雁门关隧道在施工过程中，虽然涌水量比较大，正洞频繁穿越断层破碎带，多次出现过掌子面坍塌和初支变形开裂，但未发生过人员伤亡和掩埋施工机械设备等安全事故，将经济损失降低到了最小，为全线顺利开通奠定了基础。实践证明软弱围岩隧道施工应该从以下几方面引起重视:

1)隧道穿越软弱破碎围岩地段，施工必须引起高度重视的是地下水的影响。在软弱的变质岩段，地下水的作用加快了围岩的变形速率，使围岩稳定条件恶化，易形成大塌方，所以在开挖时如有地下水，就应该及时施作初期支护，而且初支变形超过正常水平时，应及时变更设计对初期支护采取强化措施，抑制围岩的进一步变形，防止发生坍塌。2)加强超前探孔和超前地质预报，综合分析多种方法，及时了解前方围岩状况，从而联系设计部门及时调整围岩初期支护参数。3)随时调整开挖方式及方法。特别对围岩分布不均匀的情况，施工中采取超短三台阶预留核心土或微台阶分步等开挖方法，也许可以避免塌方或降低坍塌规模。4)在松散、软弱、破碎围岩段，需局部爆破时，必须严格控制炮眼深度、间距、装药量等爆破参数，减小对周围软弱破碎围岩的扰动。5)施工过程中要加强和重视监控量测工作，必要段落适当加密监测频次和范围，对围岩监控量测数据及时进行回归分析，利用监控量测数据指导施工。6)合理安排部署，缩短各工序时间，选择合理的循环进尺，使初支结构尽快闭合成环，加快二次衬砌施作，让二衬和初期支护共同受力。

［1］TZ 331-2009，铁路隧道防排水施工技术指南［S］.

［2］TZ 204-2008，铁路隧道工程施工技术指南［S］.

［3］TB 10304-2009，铁路隧道工程施工安全技术规程［S］.

［4］TB 10121-2007，铁路隧道监控量测技术规程［S］.