高原鐵路隧道軟巖大變形施工技術(shù)研究

高云龍 GAO Yun-long

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

高原隧道因其海拔高、地質(zhì)條件差的特點(diǎn)，在洞身開(kāi)挖過(guò)程中，極易出現(xiàn)高地應(yīng)力軟巖大變形，如果處理不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)初期支護(hù)變形、二襯開(kāi)裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響施工安全、質(zhì)量及進(jìn)度，增加施工成本。根據(jù)諸多大變形隧道施工所造成的安全、質(zhì)量教訓(xùn)，在隧道建造各階段，均應(yīng)妥善處理隧道軟巖大變形問(wèn)題，并應(yīng)通過(guò)合理的施工技術(shù)措施安全度過(guò)大變形段落施工。[1]

本文依托高原地區(qū)高原鐵路某隧道，對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形施工技術(shù)進(jìn)行研究，并重點(diǎn)分析了主要施工工藝，形成了一套綜合施工技術(shù)，可為今后類似工程的施工提供一定的參考和經(jīng)驗(yàn)。[2]

1 工程概況

高原鐵路某隧道最大埋深1185m，正洞7960m存在大變形（輕微2940m+中等3170m+強(qiáng)烈1750m+極強(qiáng)烈100m）；貫通平導(dǎo)6648m存在大變形（輕微1970m+中等2828m+強(qiáng)烈1750m+極強(qiáng)烈100m），1號(hào)橫洞610m存在大變形（輕微510m+中等100m），2號(hào)橫洞670m存在大變形（輕微170m+中等400m+強(qiáng)烈100m）。

2 變形等級(jí)劃分

結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙說(shuō)明，綜合相關(guān)規(guī)范及鐵路施工經(jīng)驗(yàn)，暫將軟巖大變形分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)等四個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。施工階段根據(jù)掌子面圍巖特性及變形特征調(diào)整，并對(duì)支護(hù)體系的適應(yīng)性進(jìn)一步評(píng)判，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)。[3]

表1 軟巖變形等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 主要施工技術(shù)[4-5]

大變形地段采用微臺(tái)階法（輔助坑道或大型機(jī)械化配套作業(yè)面）、臺(tái)階法開(kāi)挖（大型機(jī)械化配套作業(yè)面或基本機(jī)械化配套作業(yè)面）、三臺(tái)階法開(kāi)挖（基本機(jī)械化配套作業(yè)面），采用玻璃纖維錨桿、掌子面噴射混凝土加固掌子面，洞內(nèi)中管棚、超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。開(kāi)挖后及時(shí)采取加大錨桿密度、施做長(zhǎng)錨桿、注漿等措施，加固圍巖使加固圈形成自然拱，提高整體強(qiáng)度；增大預(yù)留變形量，配合平導(dǎo)超前等輔助方案，達(dá)到允許變形、控制變形、利用變形的目的。當(dāng)以上方法不能控制控制圍巖變形時(shí)，考慮雙層拱架支護(hù)，通過(guò)試驗(yàn)段確定支護(hù)參數(shù)。

3.1 掌子面預(yù)加固

掌子面噴射厚度為3cm的混凝土進(jìn)行封閉，上半斷面采用Φ25全螺紋玻璃纖維中空注漿錨桿加固，錨桿長(zhǎng)度9m，循環(huán)搭接長(zhǎng)度不小于3m。錨桿間距為1.2m×1.2m（1.8m×1.8m），梅花型布設(shè)，布置在上臺(tái)階，掌子面支護(hù)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 掌子面支護(hù)示意圖

3.2 超前加固

3.2.1 中管棚加固

中管棚采用Φ89、76、60熱軋無(wú)縫鋼管，壁厚5mm，長(zhǎng)度9m，每5.4m/6m施做一循環(huán)，搭接長(zhǎng)度不小于3m，施做范圍144°，環(huán)向間距0.4m，外插角一般不大于10°，根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整，超前中管棚施工示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 超前中管棚施工示意圖

3.2.2 小導(dǎo)管

小導(dǎo)管采用42無(wú)縫熱軋鋼管制成，在前部鉆注漿孔，孔徑6～8mm，孔間距10～20cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長(zhǎng)度不小于30cm，作為不鉆孔的止?jié){段。注漿壓力一般不大于1MPa，具體漿液配合比和注漿壓力由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定。當(dāng)單排小導(dǎo)管不能滿足施工要求時(shí)，考慮采用雙層小導(dǎo)管。長(zhǎng)度為3～5m。具體支護(hù)方式通過(guò)參建各方現(xiàn)場(chǎng)確定。

3.3 開(kāi)挖方法

3.3.1 微臺(tái)階法開(kāi)挖

經(jīng)超前預(yù)加固措施后，采用微臺(tái)階法施工。上臺(tái)階長(zhǎng)度3～5m。一次開(kāi)挖進(jìn)尺一榀鋼架間距。仰拱一次開(kāi)挖進(jìn)尺不大于3m，微臺(tái)階法施工工序見(jiàn)圖3。

圖3 微臺(tái)階法施工工序

3.3.2 臺(tái)階法開(kāi)挖

隧道兩臺(tái)階法施工臺(tái)階長(zhǎng)度及高度應(yīng)根據(jù)掌子面自穩(wěn)能力合理確定，臺(tái)階長(zhǎng)度宜為3～8m，上臺(tái)階高度宜為設(shè)計(jì)斷面高度的1/2～2/3；開(kāi)挖時(shí)應(yīng)根據(jù)圍巖自穩(wěn)能力控制循環(huán)進(jìn)尺；采用控制爆破、弱爆破（或機(jī)械開(kāi)挖），并控制一次同時(shí)起爆的炸藥量，減小爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響；臺(tái)階形成后，各部位可同步推進(jìn)，隧底宜與下臺(tái)階同步施工，實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)；宜配置大型專業(yè)施工機(jī)械設(shè)備，提高設(shè)備配套水平。

3.3.3 三臺(tái)階開(kāi)挖

開(kāi)挖過(guò)程中地質(zhì)特別差，自穩(wěn)時(shí)間短，支護(hù)變形快、變形大、變形時(shí)間長(zhǎng)。針對(duì)這一難點(diǎn)，結(jié)合隧道斷面大小、形狀，一般選擇三臺(tái)階法，三臺(tái)階施工工藝示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 三臺(tái)階法施工工藝圖

3.4 型鋼拱架強(qiáng)支護(hù)、鎖腳錨管加強(qiáng)

初期支護(hù)按照設(shè)計(jì)要求采用工字鋼或H型鋼進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。結(jié)合設(shè)計(jì)等級(jí)，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果及圍巖量測(cè)情況，通過(guò)施做試驗(yàn)段，確定支護(hù)和工藝參數(shù)。拱架間距0.5～1.0m。拱腳設(shè)置長(zhǎng)錨桿（管）加強(qiáng)支護(hù)，鎖腳錨管設(shè)置一般采用4～5m長(zhǎng)、直徑Φ42mm無(wú)縫鋼管；鎖腳錨管也可采用Φ32自進(jìn)式錨桿，錨桿長(zhǎng)度6～8m；增加鎖腳數(shù)量，可每各拱腳設(shè)置2組（4根）不同角度、不同深度、不同形式的鎖腳錨桿（管），鎖腳錨管采用鎖腳環(huán)與鋼架連接。

通過(guò)施工過(guò)程的圍巖量測(cè)，結(jié)合設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，在加強(qiáng)原有單層支護(hù)無(wú)法滿足支護(hù)變形控制要求時(shí)，可采用雙層鋼架支護(hù)形式進(jìn)行支護(hù)，鋼架間距0.6m，第一層鋼架采用I22b型鋼鋼架，第二層鋼架采用I20b型鋼鋼架。上臺(tái)階開(kāi)挖后根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及時(shí)施工第一層鋼架，并設(shè)置臨時(shí)橫撐，臨時(shí)橫撐采用I18型鋼。

3.5 讓壓錨桿

在嚴(yán)重大變形段采用讓壓錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，讓壓錨桿長(zhǎng)度8～10m。在保持支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能提供其較高支護(hù)約束變形能力的條件下，允許其隨圍巖變形產(chǎn)生一定的位移量以釋放大部分圍巖壓力，待讓壓量釋放完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)可隨變形而持續(xù)承載、直至變形收斂。讓壓錨桿見(jiàn)圖5。

圖5 讓壓錨桿

3.6 徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)

支護(hù)成環(huán)后，對(duì)周邊圍巖進(jìn)行注漿加固。加固注漿采用后設(shè)徑向鉆孔進(jìn)行，鉆孔深度1.5～5m，注漿材料采用水泥，徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)見(jiàn)圖6。

圖6 徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)

3.7 增設(shè)吸能橡膠板緩沖層

在初支與防水板之間設(shè)5cm厚吸能橡膠板，防止二襯混凝土在形成強(qiáng)度前承受壓力造成破壞，吸能橡膠板緩沖層見(jiàn)圖7。

圖7 吸能橡膠板緩沖層

3.8 合理的二襯施作時(shí)機(jī)

二次襯砌對(duì)于控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形具有明顯的作用，從控制變形角度來(lái)說(shuō)，二次襯砌施作越早，對(duì)控制變形越有利，但同時(shí)二次襯砌受力也越大，易導(dǎo)致二次襯砌開(kāi)裂破壞。軟巖隧道變形具有變形大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，根據(jù)軟巖具體變形特點(diǎn)，確定合理的二次襯砌施作時(shí)機(jī)對(duì)軟巖大變形隧道至關(guān)重要，既要圍巖釋放一部分自由變形，防止圍巖壓力過(guò)大破壞二次襯砌，又要控制變形過(guò)大導(dǎo)致支護(hù)失穩(wěn)破壞。施工過(guò)程中，依據(jù)監(jiān)控量測(cè)為依據(jù)，反饋設(shè)計(jì)院，由設(shè)計(jì)院確定試驗(yàn)段，通過(guò)試驗(yàn)段，合理確定二襯在不同工況下的施作時(shí)間。

3.9 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

由于本風(fēng)險(xiǎn)段地質(zhì)復(fù)雜，施工存在軟巖大變形。對(duì)地質(zhì)進(jìn)行超前探測(cè)，作出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)是施工的重點(diǎn)及關(guān)鍵。隧道施工過(guò)程的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，主要是根據(jù)地表和已經(jīng)開(kāi)挖的隧道的地質(zhì)調(diào)查和各種探測(cè)方法取得的資料，以及地質(zhì)推斷法預(yù)測(cè)開(kāi)挖工作面前方一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)圍巖的工程地質(zhì)條件，本風(fēng)險(xiǎn)段采取地質(zhì)調(diào)查法、物探和鉆探方法。

4 結(jié)論與建議

遵循“主動(dòng)加固、分級(jí)控制、強(qiáng)化支護(hù)”的基本原則，“快開(kāi)挖、快支護(hù)、快封閉”的理念，“快支護(hù)”開(kāi)挖后及時(shí)封閉巖面，盡快施作噴錨網(wǎng)等支護(hù)措施，防止高地應(yīng)力軟巖長(zhǎng)時(shí)間暴露產(chǎn)生更大變形，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)?！翱旆忾]”支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快封閉成環(huán)，在最短的時(shí)間發(fā)揮最有效的作用。

針對(duì)隧道不良地質(zhì)實(shí)施專項(xiàng)設(shè)計(jì)，通過(guò)采用優(yōu)化洞形、長(zhǎng)錨桿（索）主洞支護(hù)（或長(zhǎng)短錨桿結(jié)合）、高性能（鋼）纖維混凝土、鋼架配合、大斷面施工、專用機(jī)械配套等措施，實(shí)現(xiàn)施工的“快挖、快支、快封閉”，達(dá)到有效控制變形的目標(biāo)。