安定隧道软岩大变形及其控制施工技术

叶胜

摘 要 本文结合新建玉磨铁路安定隧道软岩大变形工程实例，总结了软岩隧道变形规律，分析了变形原因，提出了控制变形的工程措施，成功解决了软岩大变形隧道施工难题。在确保质量安全的基础上，保证了施工进度。

关键词 软岩大变形 断层破碎带 控制技术

0 引言

隧道软岩大变形问题是隧道施工的重大难题,严重影响了隧道施工安全，甚至可能会对后期运营的隧道结构造成破坏。安定隧道为中老铁路第一长隧，全线控制性工程，全隧地质条件极其复杂，施工中多次发生软岩大变形、涌突、掌子面溜坍等困难。中铁五局施工人员不断总结软岩大变形规律，逐步探索出了应对软岩大变形的控制措施，确保了隧道安全快速施工，取得了较好的经济和社会效益，具有一定的推广价值。

1 工程概况

安定隧道全长17476m，单洞双线，Ⅰ级风险隧道，玉磨铁路第一长隧，全线控制性工程。由中铁五局和十九局共同施工，其中五局负责进口端8822米施工任务，分进口（及平导）、1#斜井、2#斜井三个工区进行施工。1#斜井全长2601米；2#斜井全长2453米，大里程分叉段长1032米。管段内地质条件复杂，分布11条断层和1个向斜。主要包含两套地层，一是：三叠系板岩、千枚岩、砂岩夹页岩，主要分布于隧道进口端，长度约2.8km；二是志留系泥岩、板岩、千枚岩夹灰岩、页岩、碳质板岩，主要分布于其余6.0km正洞及1、2#斜井。其中尤其以志留系地层最为复杂，极易发生软岩大变形。

2 变形规律及原因分析

2.1 变形规律

通过研究分析围岩变形监控量测数据和踏勘现场，安定隧道软岩大变形存在以下规律：

1. 围岩变形以水平收敛为主，累计最大值1476mm（双侧）。拱顶下沉最大值622mm。

（2）水平收敛变形主要集中在仰拱（铺底）完成之前。结构封闭成环后的收敛变形不超过总变形量的10～20%。

（3）水平收敛持续时间长，且对施工扰动非常敏感。个别区段变形时间超过2个月，掌子面爆破开挖时有变形速率加大的趋势。

（4）上、下台阶接头部位出现初期支护混凝土剥落、掉块，接头相邻部位钢架出现扭曲、剪切变形。

（5）个别区段围岩水平收敛不连续。围岩持续变形趋于稳定后，经过一定时间又重新开始变形。

2.2 变形原因分析

2.2.1地质方面

层间粘结力弱的炭质页岩、泥质页岩层在隧道开挖后，受临空面的影响会迅速剥落、崩解，围岩的松动圈会迅速扩大。在岩层陡倾、节理面与隧道轴线小角度相交的情况下，围岩的松动圈荷载会迅速作用在初期支护上，导致初期支护变形。这是炭质页岩、泥质页岩地层产生软岩大变形的内在原因。

2.2.2施工方面

（1）施工工法控制不到位。现场采用台阶法施工，上台阶偏高，不利于结构快速封闭成环；台阶长度一般超过2倍以上洞径，并且仰拱（铺底）距掌子面50米以上，未做到结构及时封闭成环。

（2）工序管理不到位。现场工序管理不紧凑，特别爆破开挖后，未能做到快速支护封闭掌子面，围岩松弛变形没有得到有效遏制。

（3）工序质量控制不到位。主要钢架环向连接的螺丝没有上齐拧紧、纵向连接钢筋焊接不到位、初期支护混凝土与围岩没有密贴、锁脚锚杆（管）施作不到位等。

（4）爆破作业控制不到位。作业人员爆破作业随意性强，少孔多药会引起爆破振动加剧，振动能够加速围岩崩解，松动圈迅速扩大，导致围岩变形速率增大。

3 隧道软岩大变形控制技术

根据安定隧道软岩变形情况及分布规律，主要把围岩变形分为掌子面前方变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形3类。

3.1控制掌子面前方变形方法

3.1.1超前小导管注浆

超前小导管注浆是先在隧道掌子面前方拱部围岩内斜向打入带孔小导管﹐然后向导管内加压注浆，浆液通过小导管上的孔进入围岩内部，待浆液硬化凝固后隧道围岩岩体就形成了一定厚度的加固圈，主要是加固了拱部围岩。安定隧道主要采用Ф42小导管，每环47根，每根3.5～4.5m。小导管施工简单方便、快速，提高了拱顶的稳定性，能有效防止拱顶的大变形或者崩塌，在围岩自稳性稍好的软岩地段被普遍采用。

3.1.2超前管棚注浆

超前管棚注浆是在隧道掌子面前方沿隧道开挖轮廓线以一定的外插角打入钢管，并与钢拱架组合形成管棚预支护加固体系，通过钢管上的注浆孔向围岩内部注入浆液来提高地层的自稳能力。安定隧道洞口地段采用30m长Ф108大管棚，断层破碎带采用Ф89中管棚，长9m左右。管棚支护能力强，但施工速度较慢，不适合工期紧的隧道施工，主要用在洞口浅埋段和穿越地质极其复杂的断层破碎带。

3.2控制掌子面挤出变形措施

3.2.1预留核心土非爆破开挖

在掌子面不能自稳地段采用三台阶预留核心土开挖工法，将上台阶长度控制在5m，高度控制在4m左右。为减小对围岩的扰动，施工中利用挖掘机先沿拱部弧形开挖，开挖一段及时初喷混凝土，完毕后继续挖掘下一部分，核心土预留尺寸主要以保证掌子面围岩稳定和方便机械操作，尺寸一般控制在长度2m，高度3m。

3.2.2掌子面初喷混凝土

软弱围岩由于层间粘结力差，受临空面的影响会迅速剥落、崩解，围岩的松动圈会迅速扩大，从而引发掌子面不能自稳而发生溜坍。施工时，应减少围岩的暴露时间，将挖掘机和喷浆机共同使用，对于局部开挖后立即进行初喷5～10cm混凝土。

3.3控制掌子面后方变形措施

3.3.1加大预留沉降量

挤压性围岩隧道施工中应将“变形留足”，如果预留变形量确定的不合适，施工期间极易发生初支侵入二衬净空，导致初支大量拆换，给施工造成麻烦。施工中可根据监控量测数据和不同围岩变形经验，将开挖断面适当加大。安定隧道开挖预留变形调整为：拱部30～100cm，边墙30～120cm，隧底10～30cm。

3.3.2提升初期支护承载能力

可通过加大钢架型号、缩短钢架间距、增加支护厚度、提高混凝土强度等措施提升初期支护承载能力，甚至可以设置双层、三层钢支撑等。但钢架间距不易过小，否则钢架背后喷射混凝土和围岩之间不易密实，影响施工质量和安全。根据地质情况，安定隧道施工中主要采用大型号的H型钢代替工字钢，钢架间距控制在0.6～0.8m。同时，要注意控制拱脚锁脚锚杆焊接质量，使锚杆与型钢钢架形成一个完整的受力环。

3.3.3支护体系及时封闭成环

软岩隧道开挖后如果支护体系不能及时封闭成环，将严重影响结构受力，造成初支大量变形。软岩隧道施工应严格落实“快挖、快支、快封闭”的施工理念，根据应力调整的特性及变形规律，合理选择开挖断面参数，保证各工序快速有序推进，仰拱紧跟下台阶、二衬紧跟仰拱，确保支护体系尽早、及时封闭成环。

4 结语

通过安定隧道软岩大变形施工实践证明，做好以下措施可有效控制长大隧道软岩大变形，加快施工进度，保障工程质量和安全。第一，软岩隧道采取快挖、快支、快封闭施工，不仅能够有效抑制工艺性变形、最大限度减少结构性变形，而且还能大幅提升施工工效。第二，合理的开挖工法和支护体系，是保障软岩隧道安全快速施工的关键，施工中要将安全、质量管控到位，将相关措施落到实处，才能有效控制变形。第三，施工中必须坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针。

参考文献：

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[3]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术 [M].人民交通出版社，2010.

[4]肖广智.不良、特殊地质条件隧道施工技术及实例（一）.肖广智编著，2019.