强震区富水强风化软岩隧道施工大变形控制关键技术

姚培儒

摘要：本文以在建成兰铁路松潘隧道为工程实例，文章分析了强震区富水强风化软岩隧道的变形破坏特点及成因。通过施工实践，采用了系列针对性的大变形控制施工关键技术，有效的解决了施工中所遇到的工程难题，保证了隧道施工安全和整体稳定性，同时，有效的提高了隧道施工的效率。

关键词：隧道高地应力；软岩大变形；微三台阶；长短锚杆；注浆

1、工程概况

成兰铁路松潘隧道位于四川省阿坝州松潘县境内，起讫里程D4K239+630~D3K247+678，全长8048m，为双线铁路隧道，最大埋深270m；隧址区地处全新世岷江活动断裂带南段右侧170~600m（见图1），历史上曾发生过1748年61/2级地震和1960年63/4级地震，隧址区具备发生7级左右强震的能力。

隧址区地质条件极差，具有高地应力、高地震烈度、高地质灾害风险的特点，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。松潘隧道穿越地层岩性为三叠系上统新都桥组（T3x）炭质板岩夹板岩、砂岩（见图2），受岷江断裂影响，岩体破碎，次生小断层及柔皱较发育，层理产状变化较快，层间挤压严重，受构造影响岩体破碎，砂岩、板岩等节理、裂隙发育，局部贯通性好，裂隙水发育，施工过程中，隧道最大涌水量1.5万方/天，原设计预判发生变形段落约2500m。

图2松潘隧道地层岩性分布情况

2、地质概况

隧道开挖揭示岩性主要为炭质板岩夹千枚岩，薄层状，局部夹白色方解石岩脉，弱风化，岩质较软，岩层走向与线路呈大角度斜交，倾向掌子面左侧，倾角为50°～70°，局部层理扭曲，节理裂隙发育，围岩破碎，局部围岩手可捏碎，掌子面局部渗水，炭质板岩、千枚岩遇水易软化，掌子面及拱顶易掉块、溜坍，围岩整体稳定性差。

3变形破坏特征及成因

松潘隧道围岩较破碎，属于散体结构软岩隧道，开挖后围岩稳定性极差，变形方向不固定，掌子面极易发生失稳情况。按原设计方案施工，初期支护体系出现了变形破坏，主要表现为：（1）初期支护变形速率大，最大可达到32mm/d，仰拱封闭成环后变形速率逐步减缓稳定，累计变形最高可达45cm。（2）掌子面局部坍塌，拱部及边墙初期支护混凝土开裂严重，有明显裂缝，局部剥落、掉块，局部段落边墙侵限严重。（3）局部拱腰位置钢架扭曲。

结合隧址区区域地质条件、开挖揭示的围岩条件和变形破坏特征等综合分析、研究，发现导致松潘隧道大变形破坏的主要原因有：（1）受全新世岷江活动断裂的影响，洞身岩体极为松散、软弱、破碎，加之隧道开挖扰动使得洞身岩体的原始应力状态被破坏，导致该洞周围岩的强度应力比急剧下降，产生显著的变形；（2）隧道开挖揭穿和扩大了地下水的排泄通道，地下水下渗、携裹层间固体物质流失，造成结构面间的相互错动，导致岩体沿结构面向洞内滑移变形，加剧了初期支护体系的破坏。

综上所述，松潘隧道大变形段落施工，（1）应在短时间内实现初期支护封闭成环，形成整体结构受力体系；（2）应以长短锚杆相结合形成锚杆群作用适应大变形变化，以达到控制大变形的目的.

4大变形控制关键技术

4.1超前地质预报

采用地质分析法、超前水平钻法和炮孔加深法、地质雷达法和TSP法、地下水发育地段红外探水法等多种手段相结合，探明掌子面前方地层岩性、地质构造、地下水发育等情况，提前判释，及时调整工程措施和开挖方法。

4.2微三台阶上部核心土法开挖技术

微三台阶上部核心土法开挖技术，实现初期支护“快挖、快支、快封闭、快成环”，在短时间内初期支护可封闭成环，形成良好的整体结构受力体系。微三台阶上部核心土法施工工序图如3、图4所示。

图4微三台阶上部核心土法纵向工序示意图

通过不断地优化，兼顾开挖工序的施工组织和机械设备的布置空间，微三台阶上部核心土法开挖技术的台阶高度和步距控制的范围为：上台阶高度控制在4m左右，中台阶高度2.9m左右，下台阶控制在3.1m左右，仰拱距下台阶不超过10m，二次衬砌拱墙离掌子面距离控制在70m以内。

1、开挖1部。采用挖掘机将1部的土体扒出核心土范围之外，上部核心土预留纵向长度控制在为3～5m，高度控制在2～3m，宽度一般控制在上台阶开挖宽度的2/3以上，上部核心土随开挖掘进顺次开挖、取消。

2、在上台阶初期支护稳定的条件下，交错开挖2、3部。2、3部开挖长度以能施作两榀钢架为准，开挖后及时施作初期支护封闭。

3、挖掘机交错开挖4、5部。开挖长度为两榀拱架，开挖后及时施作初期支护封闭。

4、隧底开挖。隧底开挖采用全幅施工，上面铺设仰拱栈桥，开挖长度控制在每次不超过5榀拱架，一般控制在3米左右，开挖后及时施作隧底初期支护封闭成环。

5、微三台阶上部核心土法开挖技术卡控要点

（1）1部开挖时每次进尺一榀钢架间距，先采用挖掘机开挖，距开挖轮廓线处预留30～50cm岩、土体，人工采用风镐沿轮廓线进行开挖预留土体，避免挖掘机开挖对已施作的初期支护造成破坏和对洞周遗留岩、土体产生大的扰动。

（2）各部开挖时，拱脚处预留不少于30cm厚的岩、土体，采用人工开挖，严禁拱脚超挖，拱脚采用扩大拱脚垫槽钢，防止因拱脚原状土被破坏或承载力不足而造成支护下沉。

（3）每循环开挖前，测量组在掌子面准确放出开挖轮廓线，开挖完成后要检查开挖断面，不得出现超欠挖。开挖施工放样时比设计开挖轮廓半径应加大预留，施工预留变形量=施工误差5cm+围岩预留变形量（根据前期初期支护变形量动态调整）。

（4）由于分部开挖后各部分断面较小，不能完全采用机械开挖，可以采用挖掘机挖出上部的主断面，周边轮廓采用人工使用风镐修凿，以达到符合设计开挖轮廓线为准。采用挖掘机配合装载机出碴。

4.3长短锚杆相结合施工技术

1、短锚杆。采用4m长Φ22组合中空锚杆，在开挖后，初喷一层喷射混凝土后进行，初喷混凝土不少于8cm厚，喷射面圆顺，锚杆垂直于喷射面切线方向，垫板与初喷面密贴。锚杆注浆采用孔底返浆法，注浆顺序按“分区分段轮注法”的原则多次注浆法，确保注浆孔及孔周岩体裂隙充填密实，使短锚杆与开挖揭示后的围岩快速形成整体，共同受力，有效提高围岩的自稳能力。

2、长锚杆。采用8m长Φ38中空锚杆，长锚杆采用后打法，即初期支护喷射混凝土完成后，待初期支护体系有一定变形后进行，施作时机根据监控量测数据而定。当出现以下情况应及时施作长锚杆，（1）监控量测变形速率持续2天大于5mm/d；（2）累计变形量大于10cm时，变形速率仍未降低；（3）初期支护出现开裂、钢架出现扭曲变形和短锚杆垫板出现变形。长锚杆与短锚杆打设位置交错布置，长锚杆注浆原则和方式同短锚杆，必须确保注浆质量；长锚杆钻孔应穿越围岩塑性区，锚入围岩弹性区，使锚杆、初期支护和洞周岩体三者形成共同受力体系，协调应对大变形，达到控制大变形的作用。

4.4隧道洞内水处理技术

松潘隧道围岩主要为炭质板岩夹千枚岩，千枚岩遇水极易软化，甚至泥化，极易造成围岩极限强度急剧下降，势必对隧道整体稳定性造成极大的影响，从而进一步加剧初期支护体系的变形。故应高度重视隧道的洞内水处理：

1、对于富水地段，一方面结合超前地质预报综合判释掌子面前方水体位置及水量大小，同时采用超前水平钻孔和加深炮眼加深进行超前钻孔释水释压；另一方面对该区域采用超前周边注浆进行“靶向注浆”，提前对该富水地段岩体进行注浆堵水、固结。

2、开挖后及时对渗水按开挖部位分别设置集水坑进行汇集、引排，避免渗水散排，浸泡围岩，同时恶化施工环境。

3、初期支护完成后，对明显渗水部位，应采用不少于4m长Φ42钢花管进行注浆堵水、固结。

4.5监控量测

施工过程中，必须加强监控量测工作，安排专人负责，纳入工序卡控管理，及时采集数据，对监控量测数据及时进行整理、分析，一是根据监控量测数据动态调整工程措施、施工预留变形量、工序施工进度；二是根据监控量测数据控制长锚杆和二次衬砌拱墙的施作时机。

5大变形控制效果

在松潘隧道斜井工区小里程D3K243+830～D3K243+840段及大里程D3K244+247～D3K244+267段为试验先导段施工中，隧道施工安全、平稳、有序，初期支护施作完成后，监控量测数据显示最大拱顶累计下沉量为11cm，净空收敛最大累计量为16cm。初期支护无异常开裂及钢架扭曲现象，且初期支护稳定后无侵入二次衬砌拱墙的现象。

6结束语

通过松潘隧道施工实践，采用了系列控制大变形施工关键技术，洞内初期支护稳定，拱顶下沉和洞周收敛均在允许范围之内，仰拱面无任何变化，现场工序衔接合理，管理有序，安全可控，从现场施工情况可以判定目前选择的掘进技术是科学、合理的，能够保证隧道结构的稳定和隧道掘进安全。

参考文献：

[1]鲜国，李传富，张建慈，万永昌散体结构构造软岩隧道微三台阶上部核心土法施工技术研究[J].现代隧道技术，2018，S1-040-08

[2]关宝树，赵勇软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]王建宇.锚杆是一种优化的隧道围岩支护形式[J].现代隧道技术，2014，51（3）：1-6

[4]陈寿根，杨家松.陈亮.软岩隧道变形特性和施工对策[M].北京：人民交通出版社，2014.

[5]傅鹤林，赵朝阳，等.隧道安全施工技术手册[M]北京：人民交通出版社2010

[6]肖广智.不良、特殊地质条件隧道施工技术及案例[M]北京：人民交通出版社股份有限公司2015

[7]卢春房.隧道工程[M]北京：中国铁道出版社2015