天池坪隧道大變形處理技術(shù)

辛磊

摘 要：天池坪隧道全長14528 m，是新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道，隧道通過主要軟巖地層有二疊系板巖夾炭質(zhì)板巖、三疊系板巖夾炭質(zhì)板巖、志留系千枚巖夾炭質(zhì)千枚巖。受軟巖的影響，天池坪隧道均不同程度的發(fā)生了大變形，拱頂沉降量最大達到400 mm，水平收斂最大達到790 mm。對已發(fā)生變形段采取長錨桿、徑向注漿、分榀置換鋼架等措施進行處理，對未開挖段采取三臺階七步法開挖、加大預留變形量，加強初期支護參數(shù)等措施控制隧道變形，保證隧道施工安全。

關(guān)健詞：隧道 軟巖 大變形 處理技術(shù)

中圖分類號：U451.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0114-05

伴隨著國家大規(guī)模鐵路建設的開始，西北與西南的重要鐵路干線，跨甘川渝三省市的交通大動脈蘭渝鐵路已于2008年9月26日開工建設。蘭渝鐵路（蘭州至廣元段）大草灘到隴南之間分布有21座98 km的軟巖隧道，在施工中大部分隧道均不同程度的發(fā)生了大變形，造成較長段落的初期支護拆換，給施工帶來了巨大的困難，提高了工程費用，因此，如何控制及處理大變形侵陷已成為蘭渝鐵路隧道施工中高度關(guān)注的問題。

1 工程概況

天池坪隧道位于甘肅省宕昌縣境內(nèi)，為蘭渝鐵路蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道，全長14528 m。沿線山高溝深，岸坡陡峻，地面最小高程為1350 m，最大高程2980 m，相對高差為1630 m。沿線經(jīng)過的主要溝谷為：池家山溝、鄧橋溝、天池里溝、廣坪溝，多為'V'字型溝谷，坡降較大，溝谷中由于河流侵蝕，使得岸坡陡峻，山體陡崖遍布，部分基巖表層風化剝落，形成緩坡。隧道最大埋深1500 m，洞身溝谷中最小埋深86 m（鄧橋溝），天池坪隧道共設鄧橋溝、天池里溝、廣坪溝三個斜井，隧道工程總體交通條件較差。隧道進口1911.776m位于R-4500 m的曲線上，出口617.85m位于R-4500 m的曲線上，其余段落位于直線上，隧道內(nèi)線路分別為12.8‰、13‰和12.8‰的單面下坡。

2 變形原因分析

2.1 地質(zhì)原因

天池坪隧道初支變形區(qū)域?qū)儆谖髑貛X高中山區(qū)，隧道洞身通過的地層主要為第四系地層洪積、坡積粗角（圓）礫土、碎石土、三疊系砂巖、二疊系板巖夾炭質(zhì)板巖、三疊系板巖夾炭質(zhì)板巖、志留系千枚巖夾炭質(zhì)千枚巖（圖1）為主。隧道地下水類型主要為松散層孔隙潛水、基巖裂隙水、灰?guī)r巖溶水等。在施工過程中，開挖巖體后，巖體破碎，褶皺較發(fā)育，風化并遇水膨脹、導致初支鋼架產(chǎn)生較大變形并已侵入二襯限界，而且在DK286+128～DK286+173段初支變形最為嚴重，拱頂沉降量最大達到400 mm，水平收斂最大達到790 mm。

2.2 施工原因

由于對二疊系板巖夾炭質(zhì)板巖、三疊系板巖夾炭質(zhì)板巖、志留系千枚巖夾炭質(zhì)千枚巖等巖層認識不到位，而且在施工時圍巖滲水點較多，導致巖體遇水膨脹；另外由于中臺階及下臺階在落底接鋼架時，使上導的鋼架懸空；以及在開挖仰拱初期支護時，兩側(cè)初支邊墻腳最薄弱。這些施工因素導致初期支護產(chǎn)生了變形。

2.3 設計原因

天池坪隧道實際地質(zhì)與圖紙設計地質(zhì)相差甚遠。設計方面對這種軟弱圍巖的認識不夠，圍巖的設計支護參數(shù)遠遠滿足不了現(xiàn)場的實際情況。還有就是圍巖軟弱破碎，鋼架的鎖腳錨桿起的作用不大。

3 變形處理技術(shù)

天池坪隧道初期支護發(fā)生變形后，針對圍巖量測結(jié)果，我單位對已發(fā)生變形的初期支護區(qū)域采取了錨桿加長加密、邊墻腳鉆孔排水減壓、徑向注雙液漿、分榀置換鋼架的處理技術(shù)，對未開挖段采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、初期支護參數(shù)加強、加大圍巖量測頻率、縮短隧道安全步距等處理技術(shù)。

3.1 初支發(fā)生變形后的處理技術(shù)

3.1.1 錨桿加長加密

在換拱前，對已變形初期支護進行錨桿加長加密處理，錨桿長度曾至6m，這樣就避免壓漿及置換過程中原有初期支護鋼架發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.1.2 鉆孔排水減壓：

變形的初期支護區(qū)域噴射砼表面潮濕并多處滲水，由此判斷其后應該有大量的水，由于初期支護形成了不透水層，水在鋼架背后形成壓力。所以，在距離仰拱頂面1～2 m處以及初支滲水處鉆2 m深的排水孔（見圖2）將水排出，這對已變形的初支減輕其后的壓力是非常有利的。

3.1.3 徑向注雙液漿

初期支護發(fā)生變形一個重要的原因就是圍巖軟弱破碎、遇水膨脹。通過注漿的方法，使破碎的圍巖形成一個整體，成為穩(wěn)定的壓力環(huán)。注漿采用Φ42 mm，L=4.0 m長徑向小導管注漿，小導管采用鋼花管（圖3），環(huán)向間距1.0 m，縱向間距0.8 m，梅花形布置，在每榀初期支護鋼架與小導管連接處將小導管與鋼架鎖死，以保證在開挖拆除拱架時拱架的穩(wěn)定。漿液采用1∶1∶0.5雙液水玻璃漿，注漿壓力：0.5～1.0 MPa。注漿完畢后等待4 h后方可進行拆換鋼架的施工。

3.1.4 拆換鋼架

在注漿完成并終凝后，就應該開始拆換鋼架，拆換鋼架時應先拱后墻、從內(nèi)向外逐環(huán)進行，置換完一榀方可進行下一榀拱架置換的原則進行施工。在換拱部前應先對下導部分進行回填處理，保證下導的穩(wěn)定以及對圍巖的支承作用。

拱完畢后，對更換的拱架與先前更換的拱架（或沒有侵限的拱架）之間進行掛網(wǎng)、并及時噴射混凝土，并及時施作錨桿，使更換完的拱架及早受力，降低安全風險。襯砌應緊跟置換段，保證置換部位不發(fā)生變形，避免二次拆換。

天池坪隧道DK286+128～DK286+173段拆換處理時將噴射混凝土有原設計的25 cm調(diào)整為27 cm，預留變形量又原設計的9 cm調(diào)整為15 cm，同時將工字鋼由原設計的1 m/榀I18調(diào)整為0.8 m/榀I20b，支護參數(shù)由原先設計的Ⅳ級圍巖加強調(diào)整為Ⅴ級圍巖復合。按照調(diào)整后的參數(shù)進行重新支護后，變形趨于穩(wěn)定，未發(fā)生過較大變形。endprint

3.2 防止大變形的處理技術(shù)

3.2.1 三臺階七步法開挖

針對隧道圍巖的現(xiàn)狀，天池坪隧道采用三臺階七步法的施工方法進行開挖施工，開挖支護進尺不大于2榀鋼架間距，開挖時盡量減少對圍巖的擾動，縮短圍巖暴露時間，及時的進行支護作業(yè)。三臺階七步法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖變形。

3.2.2 加大預留變形量

在圖紙原設計中Ⅳ級圍巖預留變形量為9 cm，Ⅴ級圍巖預留變形量為13 cm。圖紙設計的預留變形量已不能滿足現(xiàn)場施工的需要，經(jīng)過對變形區(qū)域圍巖量測資料的分析，我施工單位提出將此類軟弱圍巖的預留變形量調(diào)整為40 cm（斷面圖如圖6斷面所示），也就是將初支的外輪廓線擴挖40cm，保證在澆筑二襯拱墻混凝土時，初支不會侵入拱墻的范圍內(nèi)，從而保證拱墻混凝土的設計厚度。預留變形量也不是一城不變的，是根據(jù)圍巖量測資料隨時變化的。以DK286+420段的圍巖量測資料為例，來看看初支隨時間的變化情況。

通過對表1、圖4的分析，把預留沉降量變?yōu)?0 cm是可行的。雖然放大設計的輪廓線會增加工程的投資，但比起后期處理變形所發(fā)生的費用，是不值得一提的。

3.2.3 加強初期支護參數(shù)

由于隧道工程未知因素太多，部分初期支護發(fā)生變形與支護參數(shù)太弱有一定的關(guān)系，通過對現(xiàn)場實際軟弱圍巖的分析，加強初期支護的參數(shù)是勢在必行的。天池坪隧道加強初期支護的措施有：

加厚噴射混凝土、加大鋼架型號及縮小鋼架間距、錨桿加長加密、鋼筋網(wǎng)與鋼架連接筋雙層布置，鎖腳錨桿換成6.0 m長φ42小導管等措施。

由表2、圖5～圖6可以看出，變更后的參數(shù)比設計要加強了許多，在天池坪隧道后續(xù)的施工中，按照初期支護加強參數(shù)施工的地段，未在出現(xiàn)大的變形，施工正常。DK286+520就是按此加強參數(shù)施工，從它的圍巖量測資料（圖7～圖11）可以看出，初期支護變形都在可控范圍內(nèi)，可見加強初期支護參數(shù)是非常可行的。

3.2.4 加大圍巖量測頻率

采用噴錨構(gòu)筑法修建的隧道，圍巖量測是施工工序中不可缺少內(nèi)容，它不僅監(jiān)測各施工階段圍巖和支護動態(tài)，確保施工安全。而且可為調(diào)整初期支護設計參數(shù)，確定二次襯砌和仰拱的施作時間。同時，積累的圍巖量測資料為以后同條件下施工隧道提供了參考。天池坪隧道的圍巖量測測點布置如圖12所示。由于天池坪隧道的圍巖狀況不好，所以縱向量測斷面間距按5 m布置，量測頻率為1～2次/d，根據(jù)圍巖變化情況可以適當加密，每天量測的數(shù)據(jù)及時進行整理和分析，發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施進行處理，不能讓初支侵入二襯拱墻范圍內(nèi)。

3.2.5 縮短隧道安全步距

隧道的安全步距是指仰拱和二次襯砌距掌子面的距離。業(yè)主與監(jiān)理單位規(guī)定仰拱距掌子面的距離不大于50 m，二次襯砌距掌子面的距離不大于90 m。針對天池坪隧道軟弱圍巖現(xiàn)狀，我單位將仰拱距掌子面的距離變?yōu)椴淮笥?5 m，二次襯砌距掌子面的距離變?yōu)椴淮笥?0 m作為施工準則，仰拱緊跟掌子面，這對控制隧道初支變形也起到了舉足輕重的作用。

4 結(jié)語

天池坪隧道于2009年3月開始施工，由于我單位對軟弱圍巖認識不足，從而導致初期支護157m發(fā)生的大變形，初支侵入二襯拱墻內(nèi)，直接導致天池坪隧道進口工區(qū)停工并且花了3個多月的時間去換拱，增加了工程費用。所以，在隧道施工中必須注重對大變形的處理技術(shù)。上述大變形處理技術(shù)，是采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、加強初期支護參數(shù)等措施來實施控制，并且這些措施在實際的施工中易于操作，對工程的質(zhì)量、進度、安全都有充分的保證，并為同條件下的隧道積累了成功的施工經(jīng)驗。本文對隧道大變形處理技術(shù)只進行了簡要介紹，供參考，不妥之處望兄弟單位批評指正。

參考文獻

[1] 鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 石家莊鐵道學院.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] 西南交通大學.隧道工程地質(zhì)[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段施工圖.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.endprint

3.2 防止大變形的處理技術(shù)

3.2.1 三臺階七步法開挖

針對隧道圍巖的現(xiàn)狀，天池坪隧道采用三臺階七步法的施工方法進行開挖施工，開挖支護進尺不大于2榀鋼架間距，開挖時盡量減少對圍巖的擾動，縮短圍巖暴露時間，及時的進行支護作業(yè)。三臺階七步法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖變形。

3.2.2 加大預留變形量

在圖紙原設計中Ⅳ級圍巖預留變形量為9 cm，Ⅴ級圍巖預留變形量為13 cm。圖紙設計的預留變形量已不能滿足現(xiàn)場施工的需要，經(jīng)過對變形區(qū)域圍巖量測資料的分析，我施工單位提出將此類軟弱圍巖的預留變形量調(diào)整為40 cm（斷面圖如圖6斷面所示），也就是將初支的外輪廓線擴挖40cm，保證在澆筑二襯拱墻混凝土時，初支不會侵入拱墻的范圍內(nèi)，從而保證拱墻混凝土的設計厚度。預留變形量也不是一城不變的，是根據(jù)圍巖量測資料隨時變化的。以DK286+420段的圍巖量測資料為例，來看看初支隨時間的變化情況。

通過對表1、圖4的分析，把預留沉降量變?yōu)?0 cm是可行的。雖然放大設計的輪廓線會增加工程的投資，但比起后期處理變形所發(fā)生的費用，是不值得一提的。

3.2.3 加強初期支護參數(shù)

由于隧道工程未知因素太多，部分初期支護發(fā)生變形與支護參數(shù)太弱有一定的關(guān)系，通過對現(xiàn)場實際軟弱圍巖的分析，加強初期支護的參數(shù)是勢在必行的。天池坪隧道加強初期支護的措施有：

加厚噴射混凝土、加大鋼架型號及縮小鋼架間距、錨桿加長加密、鋼筋網(wǎng)與鋼架連接筋雙層布置，鎖腳錨桿換成6.0 m長φ42小導管等措施。

由表2、圖5～圖6可以看出，變更后的參數(shù)比設計要加強了許多，在天池坪隧道后續(xù)的施工中，按照初期支護加強參數(shù)施工的地段，未在出現(xiàn)大的變形，施工正常。DK286+520就是按此加強參數(shù)施工，從它的圍巖量測資料（圖7～圖11）可以看出，初期支護變形都在可控范圍內(nèi)，可見加強初期支護參數(shù)是非?？尚械摹?/p>

3.2.4 加大圍巖量測頻率

采用噴錨構(gòu)筑法修建的隧道，圍巖量測是施工工序中不可缺少內(nèi)容，它不僅監(jiān)測各施工階段圍巖和支護動態(tài)，確保施工安全。而且可為調(diào)整初期支護設計參數(shù)，確定二次襯砌和仰拱的施作時間。同時，積累的圍巖量測資料為以后同條件下施工隧道提供了參考。天池坪隧道的圍巖量測測點布置如圖12所示。由于天池坪隧道的圍巖狀況不好，所以縱向量測斷面間距按5 m布置，量測頻率為1～2次/d，根據(jù)圍巖變化情況可以適當加密，每天量測的數(shù)據(jù)及時進行整理和分析，發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施進行處理，不能讓初支侵入二襯拱墻范圍內(nèi)。

3.2.5 縮短隧道安全步距

隧道的安全步距是指仰拱和二次襯砌距掌子面的距離。業(yè)主與監(jiān)理單位規(guī)定仰拱距掌子面的距離不大于50 m，二次襯砌距掌子面的距離不大于90 m。針對天池坪隧道軟弱圍巖現(xiàn)狀，我單位將仰拱距掌子面的距離變?yōu)椴淮笥?5 m，二次襯砌距掌子面的距離變?yōu)椴淮笥?0 m作為施工準則，仰拱緊跟掌子面，這對控制隧道初支變形也起到了舉足輕重的作用。

4 結(jié)語

天池坪隧道于2009年3月開始施工，由于我單位對軟弱圍巖認識不足，從而導致初期支護157m發(fā)生的大變形，初支侵入二襯拱墻內(nèi)，直接導致天池坪隧道進口工區(qū)停工并且花了3個多月的時間去換拱，增加了工程費用。所以，在隧道施工中必須注重對大變形的處理技術(shù)。上述大變形處理技術(shù)，是采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、加強初期支護參數(shù)等措施來實施控制，并且這些措施在實際的施工中易于操作，對工程的質(zhì)量、進度、安全都有充分的保證，并為同條件下的隧道積累了成功的施工經(jīng)驗。本文對隧道大變形處理技術(shù)只進行了簡要介紹，供參考，不妥之處望兄弟單位批評指正。

參考文獻

[1] 鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 石家莊鐵道學院.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] 西南交通大學.隧道工程地質(zhì)[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段施工圖.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.endprint

3.2 防止大變形的處理技術(shù)

3.2.1 三臺階七步法開挖

針對隧道圍巖的現(xiàn)狀，天池坪隧道采用三臺階七步法的施工方法進行開挖施工，開挖支護進尺不大于2榀鋼架間距，開挖時盡量減少對圍巖的擾動，縮短圍巖暴露時間，及時的進行支護作業(yè)。三臺階七步法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖變形。

3.2.2 加大預留變形量

在圖紙原設計中Ⅳ級圍巖預留變形量為9 cm，Ⅴ級圍巖預留變形量為13 cm。圖紙設計的預留變形量已不能滿足現(xiàn)場施工的需要，經(jīng)過對變形區(qū)域圍巖量測資料的分析，我施工單位提出將此類軟弱圍巖的預留變形量調(diào)整為40 cm（斷面圖如圖6斷面所示），也就是將初支的外輪廓線擴挖40cm，保證在澆筑二襯拱墻混凝土時，初支不會侵入拱墻的范圍內(nèi)，從而保證拱墻混凝土的設計厚度。預留變形量也不是一城不變的，是根據(jù)圍巖量測資料隨時變化的。以DK286+420段的圍巖量測資料為例，來看看初支隨時間的變化情況。

通過對表1、圖4的分析，把預留沉降量變?yōu)?0 cm是可行的。雖然放大設計的輪廓線會增加工程的投資，但比起后期處理變形所發(fā)生的費用，是不值得一提的。

3.2.3 加強初期支護參數(shù)

由于隧道工程未知因素太多，部分初期支護發(fā)生變形與支護參數(shù)太弱有一定的關(guān)系，通過對現(xiàn)場實際軟弱圍巖的分析，加強初期支護的參數(shù)是勢在必行的。天池坪隧道加強初期支護的措施有：

加厚噴射混凝土、加大鋼架型號及縮小鋼架間距、錨桿加長加密、鋼筋網(wǎng)與鋼架連接筋雙層布置，鎖腳錨桿換成6.0 m長φ42小導管等措施。

由表2、圖5～圖6可以看出，變更后的參數(shù)比設計要加強了許多，在天池坪隧道后續(xù)的施工中，按照初期支護加強參數(shù)施工的地段，未在出現(xiàn)大的變形，施工正常。DK286+520就是按此加強參數(shù)施工，從它的圍巖量測資料（圖7～圖11）可以看出，初期支護變形都在可控范圍內(nèi)，可見加強初期支護參數(shù)是非?？尚械?。

3.2.4 加大圍巖量測頻率

采用噴錨構(gòu)筑法修建的隧道，圍巖量測是施工工序中不可缺少內(nèi)容，它不僅監(jiān)測各施工階段圍巖和支護動態(tài)，確保施工安全。而且可為調(diào)整初期支護設計參數(shù)，確定二次襯砌和仰拱的施作時間。同時，積累的圍巖量測資料為以后同條件下施工隧道提供了參考。天池坪隧道的圍巖量測測點布置如圖12所示。由于天池坪隧道的圍巖狀況不好，所以縱向量測斷面間距按5 m布置，量測頻率為1～2次/d，根據(jù)圍巖變化情況可以適當加密，每天量測的數(shù)據(jù)及時進行整理和分析，發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施進行處理，不能讓初支侵入二襯拱墻范圍內(nèi)。

3.2.5 縮短隧道安全步距

隧道的安全步距是指仰拱和二次襯砌距掌子面的距離。業(yè)主與監(jiān)理單位規(guī)定仰拱距掌子面的距離不大于50 m，二次襯砌距掌子面的距離不大于90 m。針對天池坪隧道軟弱圍巖現(xiàn)狀，我單位將仰拱距掌子面的距離變?yōu)椴淮笥?5 m，二次襯砌距掌子面的距離變?yōu)椴淮笥?0 m作為施工準則，仰拱緊跟掌子面，這對控制隧道初支變形也起到了舉足輕重的作用。

4 結(jié)語

天池坪隧道于2009年3月開始施工，由于我單位對軟弱圍巖認識不足，從而導致初期支護157m發(fā)生的大變形，初支侵入二襯拱墻內(nèi)，直接導致天池坪隧道進口工區(qū)停工并且花了3個多月的時間去換拱，增加了工程費用。所以，在隧道施工中必須注重對大變形的處理技術(shù)。上述大變形處理技術(shù)，是采用了三臺階七步法開挖、加大預留變形量、加強初期支護參數(shù)等措施來實施控制，并且這些措施在實際的施工中易于操作，對工程的質(zhì)量、進度、安全都有充分的保證，并為同條件下的隧道積累了成功的施工經(jīng)驗。本文對隧道大變形處理技術(shù)只進行了簡要介紹，供參考，不妥之處望兄弟單位批評指正。

參考文獻

[1] 鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 石家莊鐵道學院.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] 西南交通大學.隧道工程地質(zhì)[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段施工圖.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.endprint