高地应力软岩大变形隧道施工技术

高地应力软岩大变形隧道施工技术

中铁十四局集团第四工程有限公司石贞峰

摘要：堡镇隧道为宜万铁路第二长隧、七大控制工程之一，也是全线施工难度最大的隧道之一。堡镇隧道围岩属于高地应力软岩，在施工中发生高地应力软岩大变形。结合

软岩的岩性分析情况，采用科研引导、稳扎稳打的方针，制定了详细的施工方案，在施工过程中探索、研究出了控制软岩大变形的施工技术。

关键词：堡镇隧道高地应力软岩大变形施工技术

1 工程概况

堡镇隧道左线全长11565m，右线全长11599m，线间距30m, 右线初期设计为平导，作为左线辅助施工通道，后期再将平导扩挖形成右线隧道。是宜万铁路第二长隧、七大控制工程之一，也是全线唯一的高地应力软岩长隧。十四局承担左线进口段5641m、右线进口段5622m的施工任务。

隧道穿越岩层主要为粉砂质页岩、泥质页岩，呈灰黑色，多软弱泥质夹层带，白色云母夹层，强度极低。大部分页岩呈薄层状，层厚3～10cm，分层清晰,产状扭曲，挤压现象明显，岩体破碎，强度很低，手捏呈粉末状，遇水膨胀；顺层发育，有光滑顺层面，层间多夹软泥质夹层，节理、层理发育、切割严重，围岩整体性很差，隧道左边拱存在顺层软弱面，右侧边墙有楔形掉块，爆破后滑坍、掉块严重。根据国标《工程岩体分级标准》，该区属高应力区，产生大的位移和变形。洞内初期支护局部开裂，顺层坍塌，节理发育，软岩变形等，凡专家预测的复杂地质均已出现。在施工中发生多次高地应力作用下较大变形中，仅8#横通道处拱顶沉降最大就达15cm，收敛32.5cm，超过预留变形量，并侵入二次衬砌。

2 施工方案

针对高地应力软岩大变形的特点，我们制定了“超前支护、初支加强、合理变形、先放后抗、先柔后刚、刚柔并济、及时封闭、底部加强、改善结构、地质预报”的整治原则和总体方案，配合平导超前等辅助方案较好的解决了此项难题。

2.1 总体方案介绍

(1)采用超前小导管支护，开挖后及时封闭围岩；加强初期支护的刚度，采用型钢拱架封闭成环；为达到稳固围岩的目的，系统锚杆采用中空注浆锚杆加固地层，锚杆长度应稍大于塑性区的厚度。

(2)加大预留变形量。为了防止喷层变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时即加大预留变形量，另外采取了不均衡预留变形量技术。

(3)施工支护采用“先柔后刚，先放后抗、刚柔并济”原则，使初期支护能适应大变形的特点。

(4)及时封闭仰拱、特别是仰拱初支，是减小变形、提高围岩稳定性的措施之一；另外加大仰拱厚度，增大仰拱曲率，也有利于改善受力状况。

(5)改善隧道结构形状，加大边墙曲率，根据围岩实际和监控量测数据，采用受力结构最为合理的“鸭蛋”型断面；改善结构另一措施是提高二次衬砌的刚度，即加大二次衬砌厚

度，增加受力钢筋数量，提高衬砌材料的强度和弹性模量。

(6)根据隧道存在始终存在顺层偏压的特点和顺层岩层施工力学行为分析，确定地质顺层情况下岩石倾角对隧道稳定性的影响，采取了不均衡预留变形量技术，不对称支护措施，间隔空眼、微差爆破技术，以及左右侧不均衡装药爆破技术，尽量减少对围岩的扰动。

(7)全过程实施施工地质超前预报工作。

2.2 超前地质预报

(1)超前地质预测预报的方法

堡镇隧道采用以监控量测、地质素描为主，结合科研测试的综合地质预报方法。综合超前地质预报包括以下方法：掌子面地质素描，监控量测，应力应变测试以及常规地质综合分析等。通过掌子面素描确定节理面的走向和倾向，通过监控量测数据反分析地应力值，从而判定围岩的地质状况。

同时，利用右线平导开挖揭露的围岩地质情况，准确地预测左线隧道相应地段的工程地质及水文地质条件，在施工过程中采用相应的处理措施，确保施工安全。

(2)超前地质预测预报的重点

根据隧道地质资料，堡镇隧道的超前预报的重点是针对高地应力顺层条件下的软弱围岩的力学性能。在施工时采取强有力的超前地质预报，将超前地质预报工作纳入施工工序。2.3 支护结构确定

(1) 地质条件及支护参数

8#横通道至标段终点均处于高地应力区，覆盖层厚度400m～600m，地表植被茂盛，上覆坡残积土、洪积土松散，下卧粉砂质页岩和泥质页岩，节理发育，岩体破碎。通过8#横通道施工堡镇隧道左线已开挖支护。该段原设计初期支护采用工16型钢钢架，间距1榀/m；拱部中空注浆锚杆，边墙砂浆锚杆，L=3.0m，间距1.2m×1.0m；网喷混凝土厚15cm；预留变形量15cm。

(2)施工情况

该段按三台阶五部开挖法施工。由于高地应力软岩变形，导致初期支护开裂，裂缝宽度在3～6cm左右，以右侧边墙最严重。喷射混凝土发生翘起、空鼓现象，型钢钢架扭曲。拱顶沉降最大15cm，收敛最大32.5cm，超过预留变形量，并侵入二次衬砌。

另外，11#横通道DK74+580~Dk74+620段施工中发生了较大变形，拱顶沉降最大34.5cm，收敛最大70.2cm。

(3)设计优化

由于施工变形较大，超过预留变形量，并侵入二次衬砌，为此必须制定合理的支护参数和施工方案、工艺方法。并对变形较大和侵限部位进行加固和处理。

根据围岩实际和监控量测数据，优化采用受力结构更为合理的“鸭蛋”型断面，并考虑预留变形量20～30cm，二次衬砌拱部、边墙、仰拱为C30钢筋砼，水沟身、电缆槽及隧底填充为C25，初期支护采用喷射砼，0.5～0.75m一榀I18或I20钢架，同时采用2～2.25m 一环超前小导管预支护，其中采用的结构之一如图1所示。

2.4 开挖施工工艺

高地应力顺层偏压软岩隧道施工采用“三台阶五部开挖同时起爆法”。其特点是：适用于各种地质条件和地下水条件，根据围岩变化可通过调整循环进尺、支护参数、预留沉降量

等措施，有效控制拱顶沉降、净空收敛；通过合理台阶高度划分，简易钻孔台架搭、拆方便、快速减少工序时间；三台阶顺序施工，出碴、锚杆施做、钢拱架架立等工序可平行作业，及时支护保证结构安全同时减少循环作业时间；适合各种断面形式，变化断面高度灵活。如图2所示。

为了防止喷层变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时即加大预留变形量；根据隧道存在始终存在顺层偏压的特点，进行顺层岩层施工力学行为研究，采取了不均衡预留变形量技术。

高地应力地段施工支护遵循“先柔后刚，先放后抗、刚柔并济”原则，初期支护能适应大变形的特点。根据隧道存在始终存在顺层偏压的特点，采取不对称支护措施，在严格按设

图2 三台阶五部开挖法施工顺序示意图

图1 高地应力段T1断面结构图

计施做支护措施的基础上，依据顺层岩层施工力学行为分析，对结构受力复杂部位进行初期支护的加强，加设长导管注浆、加密钢架纵向连接筋、设置多排双侧锁角锚管、加大喷射砼厚度等。

根据围岩岩性，确定光面爆破周边眼间距、最小抵抗线、不耦合装药结构、起爆顺序、堵塞长度等爆破参数，确定主爆孔特别是掏槽眼的爆破参数。周边眼采用搭接法钻孔和间隔装药结构，严格控制每循环进尺及周边眼间距，周边眼间距控制在20～25cm之间。五分部同时起爆，采用毫秒雷管微差控制爆破技术，严格控制段装药量和段延期时间，达到控制爆破振速的目的，最大限度的减小对周边围岩的扰动和破坏。

根据隧道存在始终存在顺层偏压的特点，进行顺层岩层施工力学行为研究和高地应力顺层偏压地层隧道施工力学行为研究，确定高地应力、地质顺层情况下岩石倾角对隧道稳定性的影响，从而确定不同倾角情况下、不同地应力条件下隧道的施工方法和施工关键控制技术。根据不同倾角下不同部位的受力状况，对不稳定或最不利部位采取间隔空眼、微差爆破技术，并采用了左右侧不均衡装药爆破技术，进行调整药量、钻孔深度、起爆顺序、动态最小抵抗线设置等，尽量减少对围岩的扰动。

上台阶开挖开挖一榀钢拱架、支护一榀；地质变化时，必须减少每循环的掘进进尺；掌子面开挖(三台阶五部开挖方法)严禁左右侧对开，必须按照施工规范施工，两侧交错施工距离控制在2～3米范围内，台阶马口长度原则上按照一榀一支一喷，最大长度不超过3米，并根据围岩情况及时调整增大错开距离；缩短台阶长度，控制在5米左右范围。

高地应力地段根据围岩及监控量测情况，及时施做仰拱及矮边墙，以早日闭合。

按照设计施作初期支护，做好围岩监控量测工作，随时掌握隧道围岩的稳定情况，发现问题及时上报和解决，坚决杜绝安全、质量事故发生；

为控制变形，必要时上台阶施工时设临时仰拱，临时仰拱由I18钢架与15cm厚C20喷混凝土组成，其纵向连接采用Φ22钢筋，环向间距1m。

2.5 二次衬砌

一般情况下在围岩量测稳定后施做二次衬砌，但软岩高地应力大变形是一个缓慢的蠕变过程，即便量测数据稳定，但地应力仍缓慢不断向支护施加，因此除了加大初期支护的刚度、强度和厚度外，还应适当加大二次衬砌的强度和厚度，采取钢筋砼施工。根据量测和工程实际，发现地质异常，必要时及时施做二次衬砌。

2.6 仰拱施工

高地应力地段根据围岩及监控量测情况，及时施做仰拱及矮边墙，以早日形成闭合环。仰拱混凝土施工开发利用了“支墩式栈桥抗干扰仰拱施工法”，做到了仰拱全断面施做，避免了纵向施工缝，保证了仰拱的整体性。

仰拱施作应优先选择各段一次成形，避免分部灌筑，对软岩大变形或者有其他地质灾害地段，这一条则显得非常必要。应该说，全幅仰拱施工，将会成为铁路隧道施工的一个趋势，是根治隧道运营病害的关键。

为此，堡镇隧道在无轨、有轨两种运输条件下，进行仰拱全幅施工，且能保证运输道路畅通，采用以下方法：对于无轨运输，采用单跨钢便梁式仰拱栈桥施工，在仰拱施工区段搭设仰拱栈桥，使洞内出碴运输和仰拱施工互不影响；对于有轨运输，采用多跨支墩轨道式仰拱栈桥“支墩式栈桥抗干扰仰拱施工法”施工，先将轨道拨向一侧，开挖另一侧仰拱，每隔

3～5m 浇筑一砼支墩，长度不超过25m ，并在支墩上扣轨架设加强轨道，然后再开挖另外一侧，最后全幅灌注仰拱。

(1) 无轨运输仰拱施工

无轨运输仰拱施工如图3，仰拱栈桥全长8～10m ，仰拱桥每移动一次，浇注仰拱长度为6～8m 。每跨栈桥由两根便梁组成，每根便梁主体由四根I30工字钢并排焊接。根据钢便梁加工数量，可以多副跳做施工。仰拱开挖时需要断掉交通，但影响时间较短，开挖结束边可架设钢便梁栈桥，恢复交通。由于每次施做长度较短，横向施工缝增多，每处施工缝防水需做好。

先开挖一侧仰拱，用挖掘机挖到轮廓线上10～20 cm ，再用人工修整至设计标高，保证

说明：

① 仰拱桥在已浇注仰拱部分的搭接长度为100cm。

② 为了保证汽车顺利通过仰拱栈桥，在四根并排 焊接的工字钢上面间隔焊接Φ22螺纹钢。③ 为了保持填充面顶部与仰拱桥底面有一定间距， 在仰拱桥两端安设5cm厚的垫块。

材 料工字钢

I30

规 格单 位数 量总 量总 重 (kg)

根X m

8x 8

64m

螺纹钢

合 计

80x 1.2

96m

Φ22

根X m

图3 无轨运输仰拱施工示意图

移动架设欠挖处理与端头模板

灌注砼

说明：

共用时为35~39小时，按2天48小时完成仰拱施工一个循环6m，月均完成90m。两座仰拱桥同时施工，则月进度180m。

挖掘机开挖装碴

图4 无轨运输仰拱施工工序示意图

开挖轮廓线圆顺。挖到设计标高后，处理好基面，将虚碴、积水清理干净；机械移动钢便梁到位，恢复交通运输；立模板，进行仰拱钢筋绑扎、混凝土浇筑、仰拱填充混凝土浇筑施工，砼强度达到要求后，进入下一循环施工。

无轨运输仰拱施工工艺流程受施工现场影响，基本是单工序作业，见图4。 (2)有轨运输仰拱施工

如图5，采用多跨支墩轨道式仰拱栈桥进行全幅仰拱施工，开挖时左右分幅，不影响洞内轨道交通，一次性施工仰拱25m ，设置支墩6个，支墩与支墩间距为4.16米。仰拱支墩每施工一循环，浇注仰拱长度为25m 。支墩栈桥由混凝土支墩、轨排、枕木及P43钢轨组成，轨排由三根P43钢轨扣接而成，并在其上铺设枕木及行车轨道。为受力均匀，钢轨铺于正中间。其强度、刚度能满足最不利荷载需要。仰拱砼浇注为全幅浇注，满足设计要求，不设纵缝，保证了仰拱整体质量。根据隧道围岩级别情况和轨道钢轨单根长度，可以调整每次仰拱施做长度，堡镇隧道实际仰拱施工中，采取了12.5m 、25m 等形式。每次仰拱作业循环时间与单跨钢便梁式仰拱栈桥法相比稍长。支墩施工时防水及与后浇仰拱的联结需加强处理。有轨运输仰拱施工工艺流程受施工现场影响，工序作业见图6。

无轨运输时，采用仰拱栈桥的长度为8m 比较合适，这是综合现场所需要的搭接长度兼顾挖掘机拖动、移位的能力而定。而汽车运输的行车路线较灵活，故两单片仰拱栈桥之间未设置连接杆件。

而有轨运输时，仰拱与填充分层施作完成，从仰拱桥底面到仰拱底开挖面，高度为1.4m 。仰拱桥的安全是要高度重视的问题。采用三根P43钢轨扣成轨排，并在其上铺设枕木及行车

说明：

① 扣轨在已浇注仰拱部分的搭接长度为50cm。

② 为了保持填充面顶部与仰拱桥底面有一定间距，在支墩处安设5cm厚的垫块。

Ⅰ

已浇注仰拱

图5 有轨运输支墩式栈桥仰拱施工示意图

轨道，其刚度、强度、挠度均能满足使电瓶车牵引两台16m3搭接满载梭矿安全通过的要求。支墩与后期浇筑的仰拱及填充混凝土的结合部位对防水及结构的整体性均产生较大影响。为此，在支墩底仰拱部位预埋仰拱钢筋和环向设置止水条， 支墩中间仰拱填充位置设置接茬钢筋。

3 初步结论

综合上述提供如下不成熟结论，供参考：

（1）高地应力大变形的隧道，首先要对预留变形量进行预测和分析，开挖时留足变形量，避免二次拆除。

（2）采用“鸭蛋”型断面符合高地应力软岩大变形隧道特点；短台阶五部开挖，及早施作仰拱，结构的及时封闭是抑制高地应力地大变形的主要措施之一，是高地应力大变形隧道较为合理的施工方法。

（3）根据围岩变形处理，松散变形可达在距离洞壁3～5m 深处，因此锚杆长度至少3m 。如锚杆过长，在小净空的坑道内无法施工时，可考虑采用逐段接长的自进式锚杆。

（4）监控量测是高地应力地段施工的必不可少的手段和工序之一，量测数据要及时分析、反馈，以指导施工。

（5）二次衬砌的施作时机仍是研究难点。

拨轨

注砼25m）

说明：

共用时为138小时，考虑施工干扰6小时， 144小时完成仰拱施工25m，月均完成125m。

挖掘机装碴

欠挖处装药连线挖掘装碴清理（左25m ）

护强

入

一环

图6 有轨运输支墩式栈桥仰拱施工工序示意图