成昆铁路小相岭隧道高地应力区域施工技术与控制要点

MUNICIPAL ENGINEERING
成昆铁路小相岭隧道高地应力区域
施工技术与控制要点
曹华昌
中国铁路成都局集团有限公司工程质量监督站四川成都611081
摘要：成昆铁路复线小相岭隧道地处高地应力区域，为一级高风险隧道。

施工过程中曾出现底板纵向开裂及错台隆起、正洞初支变形加重等情况。

通过现场应急测试和分析，及时优化了设计施工方案，调整了衬砌参数和施工工艺，增强了支护措施，有效地控制和改善了正洞初支混凝土开裂掉块、结构变形、仰拱隆起、二衬开裂及平道底板纵向开裂、错台隆起等问题。

最终的施工质量完全达到设计要求，为类似工程积累了经验。

关键词：铁路隧道；软弱围岩；高地应力；挤压变形；增强支护；控制要点
中图分类号：U455.7文献标志码：A文章编号：1004-1001(2019)11-2061-05DOI：10.14144/ki.jzsg.2019.11.033 Construction Technology and Key Control Points for Xiaoxiangling Tunnel of Chengdu-Kunming Railway in High Geostress Area、
CAO Huachang
Chin a Railway Che n gdu Group Co.,Ltd.,E n gin e eri ng Quality Supervision Station,Che n gdu,Sichua n611081,China Abstract:Xiaoxiangling Tunnel of Chengdu-Kunming Railway double line is located in high geostress area and is a first-class high-risk tunnel.The Iongitudinal cracking of floor,uplift of staggered platform and aggravation of initial support deformation of main tunnel occurred during construction.It is determined by field measurement that the construction zone is located in extremely high stress area and is prone to large deformati o n.Through on s ite emerge n cy testing and an a lysis,the design and construction scheme are optimized in time,the lining parameters and con s tructi o n tech n o l ogy are adjusted,the problems of cracking and falling blocks,structural deformati o n,in v erted arch uplift,sec o n d ary lining cracking and Iongitudinal cracking staggered platform uplift of flat floor of the main tunnel's initial support concrete are effectively controlled and improved.The final construction quality fully meets the design requirements,and accumulates the experienee for similar projects.
Keywords:railway tunnel;weak surrounding rock;high geostress stress;extrusion deformation;enhanced support;
control points
挤压性围岩发生大变形一般必须具备两个基本的条件：第一，围岩必须是软弱围岩；第二，必须在高地应力条件下挤压大变形问题一直以来都是山岭隧道工程建设中的一大技术难题。

挤压性围岩通常具有变形量大、变形速度快、变形持续时间长、围岩破坏范围大、支护破坏形式多样等变形特征，严重制约着隧道的施工安全、造价和工期叫
关宝树°】在对国内外挤压大变形隧道进行分析研究后，得出了相关结论：高地应力条件下的软弱围岩隧道，在施工阶段出现挤压变形是不可避免的，同时也是可以控制的。

作者简介：會华昌(I960—),男，本科，嘉级工程卯。

通信地址：田川省成1却市金牛区一环路北二段32号附16
号(611081)o
电子*F:sctljdzchc@
收稿耳期：2019-07-111工程概况
1.1设计概况
成昆铁路复线小相岭隧道全长21.78km,起讫里程DK345+400〜DK367+175,为单洞双线，属I级高风险隧道，是全线重点控制性工程，也是穿越大凉山的成昆复线最长越岭隧道，并设有贯通平导1座，长21.58km,与正线间距30m、净距22m,底板顶面高程较正线轨面高程低3m。

另设有斜井2座，分别长2425、3100m,横洞1座，长340m,均采用无轨运输。

隧道以IV级围岩为主，其中III级围岩长7550m,占隧道全长35%；IV级围岩长12200m,占隧道全长56%；V级围岩2025m,占隧道全长9%。

隧道最大埋深1350m。

1.2设计地质条件
隧道处于砂岩、泥岩、粉砂岩夹炭质页岩及煤段地层(T3b)，总体为灰色，中厚层状中、细粒岩屑石英砂岩、粉砂岩、深灰色炭质水云母黏土岩、页岩，底部夹2层各厚0.25〜0.45m的煤层，含大量植物化石碎片，弱风化
建筑施工•第41卷•第期
7I
带，属IV 级软石。

据设计区域资料和实测剖面，T3b 地层总 厚62&99 m,其中砂岩约占75.9%,泥、页岩约占24.1%, 倾角13°〜17° ,多数为15° ,属缓倾岩层。

该地层具
体分为4段，其中第2、第4段以泥岩、页岩为主，厚度占
24.1%,岩质较软，隧道埋深大时，围岩易发生大变形。

1.3开挖揭示地质条件
小相岭隧道进口平导、1"横通正线处于T3b<2>段，实
际揭示地质条件与设计基本一致。

1） 平导为中厚层状砂岩、粉砂岩夹薄层页岩及泥岩， 层理产状为：N65° -80° E/180〜25° SE 。

节理有3组：
N70° W/80° NE 、N65° E/48° NW 、N65° E/25° SE ；
节理多为微张型，间距0.2〜1.0 m （图1）。

2） 正洞为中厚层状砂岩、粉砂岩夹薄层页岩及泥岩。

层理产状为：N20° E / 30° SEo 节理有3组：N63° W/
90°、N50° E/65° NW 、N55° E/73NW ；节理多为微张
型，间距0.2〜1.0 m （图2）。

图1平导掌子面缓倾岩层图2正洞掌子面缓倾岩层1.4开挖后出现变形和破坏现场施工至T3b<2>段时，平导初期支护较长地段出 现了混凝土开裂、掉块、拱架扭曲、变形、地板开裂、隆 起、侧沟挤压等破坏，正洞初期支护局部出现了混凝土开 裂、掉块、拱架轻微变形等破坏，与缓倾岩层破坏表现基 本一致。

14 cm （位于PDK346 + 310处），收敛最大值为11 cm （位J PDK346+230处）。

图3平导底板纵向开裂隆起、错台图4平导初支混凝土开裂掉块图5平导拱架挤压变形切断
2.2正洞变形情况
由于平导受地应力作用下发生大变形，在广横通道进
入正洞挑顶时，已经对正洞加强了结构支护，故正洞在
开挖初期并未出现裂纹、掉块现象。

但在开挖4个月后，
1"横通道正洞DK345 + 385〜DK346 + 410段左侧拱腰个别
拱架发生扭曲变形，DK346+490〜DK346 + 530段左侧拱
腰初支开裂、掉块（图6、图7）,最大面积达0.9 m 2,厚
度5 cm 。

监控量测数据显示：DK345+385〜DK346+410
段拱顶下沉变形速率为一1.2〜0 mm,周边收敛为一0.7〜 0mm 、拱顶下沉累计最大为一43.9mm （DK346+390）, 周边收敛累计最大为一67.3 mm （DK346 + 400）,变形 趋于稳定；DK345+490〜DK346 + 530段拱顶下沉速率为 —0.8〜0mm,周边收敛为一l.l~0mm,下沉累计最大为
24.9 mm （DK346+530）,周边收敛累计最大为一80.1 mm
（DK346+490）,变形趋于稳定。

2 进口平导及平导相邻正洞段现场挤压变形问题 2.1平导变形情况
小相岭隧道进口平导施工至PDK346+200处，该处为
平导开始与正洞线路平行的转点，也是两者间广横通道的
位置，因此地处三岔口，埋深约230 m,两侧局部开始出现
混凝土掉块现象，随后平导底板出现纵向裂纹，PDK346+
210-PDK346+245段左侧拱部初支混凝土掉块。

随着测量
加密点标高失准，底板裂缝及拱顶掉块均向前延伸，平导 底板中部上拱纵向裂缝延长且变宽、错台（图3）,初支 掉块部位增多，平导拱部初期支护混凝土崩落严重，纵向
开裂加剧（图4）；平导底板上拱段已延伸至PDK346+380 处，左侧拱顶掉块位置延伸至PDK346 + 450处（图5）。

其中底板最大裂缝宽度为8 cm,隆起最髙为28 cm （位于 PDK346 + 240处）。

监控量测数据显示拱顶沉降最大值为图6正洞左侧拱腰初支 图7正洞左侧拱腰拱架混凝土开裂掉块挤压变形3 地应力测试
根据平导变形情况，施工单位委托中科院武汉岩土工 程研究所对平导及相邻正洞地应力及围岩松动圈相关参数 进行检测。

分别布设水平孔、垂直孔釆用水压致裂法进行
2019*11* Building
Construction
了地应力测试（图8、图9）。

通过对地应力测试结果及围
岩强度参数的综合分析，结论如下:
图8水压致裂法地应力测试图9围岩松动圈测试图“正洞与平道洞距扩大平面示意
1） 实测深度范围内，原地应力场实测得到的水平方
向的最大主应力为16.50 MPa,垂直方向的最小主应力为 7.08 MPa,其侧压力系数比值高达2.33,该测区附近的地应
力状态以水平向的构造应力为主。

水平向的构造应力水平 明显偏高。

2） 依据地应力实测结果，结合TB 10003—2016《铁路
隧道设计规范》，以及隧道围岩强度参数判断：小相岭隧
道进口平导及相邻正洞施工区段属于极高地应力区，在施 工期间会发生II 级大变形的破坏情况。

3） 建议依据地应力情况，依据TB 10003—2016《铁路
隧道设计规范》，适时采取喷层留纵缝、网喷或喷钢纤维 混凝土、长锚杆、型钢钢架或可缩式钢架、掌子面补强或
封闭等预案措施。

4 施工技术方案和对策措施
根据监控量测数据显示，水平收敛变形数值比拱顶下
沉数值大。

4.1平导变形的对策措施
平导左侧拱腰初期支护纵向发生开裂、掉块，底板纵
向开裂、隆起等现象（图10）,保障初期支护结构稳定的 对策措施如下：
测量导线
（左）控制点
拱部左侧开裂掉块段平导洞口
测量导线
（右）控制点仰拱初支施工:开裂隆起地段弟'爾袖1段 X 拱部左侧开裂掉块部位
右边墙开裂掉块
二M 出 右边墙开裂掉块部位平导中线仰拱初支施工横断面
图10平导初支变形、纵向开裂掉块平面示意 4.2正洞段变形的对策措施对应正洞段左侧拱腰部位初支也出现纵向轻微开裂、
掉块现象。

釆取的施工技术方案和对策措施为：初支釆取 加强支护（钢架加大、加密），仰拱曲率加深50cm,钢拱
架封闭成环，拱顶161°范围增设长8m 的028mm 中空长锚 杆，锚杆间距1 mXl m 梅花形布置，每环15根；仰拱范围 增设长6 m 的¢28 mm 中空长锚杆，锚杆间距1 mX 1 m 梅花 形布置，每环13根。

现场选取小相岭隧道进口平导和正洞适当地段作为小 相岭隧道缓倾岩层施工工艺试验段，试验段支护参数宁强 勿弱，并从强往弱减，最终确定合理的支护参数。

4.3试验段支护调整后施工技术方案及变形控制4.3.1平导试验段
平导试验段从14*工字钢直墙+底板，调整为14*'工
字钢曲墙+仰拱、16*工字钢曲墙+仰拱；地质条件转好 后，恢复至设计支护参数；采用台阶法施工，16*工字钢曲 墙+仰拱基本支护条件下，变形控制在6 cm 以内；试验段
初期平导仍然出现轻微开裂情况，后期初期支护基本趋于 稳定，变形控制在10cm 以内。

对己施工的14"工字钢直墙和底板破坏严重地段采用增
设工字钢套拱加强支护（图12）和工字钢套拱喷混凝土加 强支护（图13） o 图12平导开裂变形严重段套拱加强支护
图13平导变形严重段套拱
喷混凝土加强支护4.3.2正洞试验段正洞试验段从1計工字钢拱墙（1.2m 间距）+仰拱， 逐步调整为18*工字钢全环（1.0m 间距）+调整仰拱曲率到 18*工字钢全环（0.8 m 间距）+调整仰拱曲率+拱顶及仰
建筑施工•第41卷•第门期71
1） 对已破坏严重段采用套拱方式加强支护。

2） 对未施工段将平导与正洞的线间距由30 m 扩大到
45 m （图11）— 一主要考虑减小洞群效应、爆破等影响，
结构形式由直墙调整为曲墙带仰拱加强支护，平导侧沟调 为中沟。

拱长锚杆；地质条件转好后，逐渐减弱恢复为18*工字钢全 环（0.8 m 间距）+调整仰拱曲率+仰拱长锚杆到18"工字钢 全环（1.0m 间距）+调整仰拱曲率+仰拱长锚杆；采用三 微台阶法施工，18"工字钢全环（0.8m ） +调整仰拱曲率+ 仰拱长锚杆支护条件下，试验段初期正洞仍然出现开裂情 况，后期初期支护基本趋于稳定，变形控制在5 cm 以内。

4.4平导开裂变形段工艺调整后加强支护措施及监控 量测情况4.4.1平导开裂变形段安设套拱前后监控量测情况平导PDK346 + 210〜PDK346 + 450拱墙开裂变形安装 套拱前：拱顶下沉变形速率为一13.4〜Omm/d,周边收敛 为一10.6〜Omm/d,变形持续加剧，拱顶下沉、周边收敛 值累计最大达到一124.7、一 140.7 mm ；该变形段加设套 拱后：拱顶下沉变形速率为一 1.9-0 mm/d,周边收敛为 —1.8〜Omm/d,拱顶下沉、周边收敛值累计最大值分别 为一7.8、—5.8 mm,变形已趋于稳定。

平导PDK346+190〜PDK346+450底板开裂隆起段加 固前：上拱变形速率为0-9.4 mm/d,其中里程PDK346 + 260上拱累计最大达到250.9 mm ；该段加固后：底板开裂 隆起变形速率为0-2.1 mm/d,开裂未再向前延伸、也无隆 起；其中里程PDK346+260上拱累计最大为30.1 mm 。

平导PDK346 + 210〜PDK346 + 270水沟挤压变形段 加固前宽度由35 cm 缩小为13 cm,且水沟内外侧墙错台 10cm ；该段加固后水沟没有再挤压缩小。

4.4.2正洞与平导水平洞距调整加大并加强支护后的监 控量测情况正洞与平导水平洞距调整加大后：平导PDK346 + 805-PDK347 + 605段拱顶下沉变形速率为一4.3〜 0 mm/d,周边收敛为0~4.9 mm/d.拱顶下沉、周边收敛 值累计最大达到一34.5、一52.5 mm,变形可控；量测18d 后，平导PDK346 + 805〜PDK347 + 605段拱顶下沉变形速 率为一1.4〜0 mm/d,周边收敛为一0.9〜0 mm/d,拱顶下 沉、周边收敛值累计最大达到一38.7、一64.8 mm,变形趋 于稳定。

正洞DK346 + 490〜DK346 + 530段拱顶下沉变形 速率为0~1.8 m/d,周边收敛为一2.1〜0 mm/d, 30 d 左 右拱顶下沉速率为一0.8〜0 mm/d,累计最大为24.9 mm （DK346 + 530）,周边收敛速率为一 1.1〜0mm,累计最 大一80.1mm （DK346+490-1）,变形趋于稳定。

正洞DK346 + 385〜DK346+410段洞距调整前拱顶下 沉变形速率为一4.8~0 mm/d,周边收敛为一4.9〜0 mm/d, 拱顶下沉、周边收敛值累计最大达到一25.0、一53.3 mm ； 该段监控量测25 d 后，拱顶下沉及周边的收敛变形均趋于 稳定。

4.4.3平道加固情况及结构支护参数PDK346+210〜PDK346 + 265段为双车道IV 级锚喷、 PDK346 + 265〜PDK346+295为双车道IV 级复合，支护参 数为：拱墙采用点工字钢，间距1.2 m,同时设置¢22 mm 砂浆锚杆，长3.0 m,间距1.2 mX 1.2 m （环X纵），梅花 形布置，铺设</>6单层钢筋网，网格尺寸25 cmX25 cm,
超前支护釆用壁厚3.5 mm 的¢42 mm 无缝钢管，长3.5 m,
2.4 m/环（18根），并喷射C25混凝土，厚18 cm ；底板采用 C30混凝土，厚20 cm 。

PDK346+295〜PDK346+450段为IV 级单车道锚喷。

初期支护系统锚杆采用力22 mm 砂浆锚杆，拱部平均5.83 根/m （每环5根/m 及6根/m 间隔循环），边墙5根，锚杆间 距1.2mX1.2m （环X纵），锚杆长度2.5 m,梅花形布 置，拱墙铺设06 mm 单层钢筋网片，网格间距25 cmX 25 cm, C25喷射混凝土，厚度为18 cm 。

加强支护拱墙采用 1牢工字钢钢架，间距1.2 m 。

底板采用C30混凝土，厚度为 20 cm 。

PDK346 + 620〜PDK346 + 640段为IV 级单车道锚喷。

初期支护系统锚杆釆用022 mm 砂浆锚杆，拱部平均5.83 根/m （每环5根/m 及6根/m 间隔循环），边墙5根，锚杆间 距1.2 m X 1.2 m （环X 纵），锚杆长度2.5 m,梅花形布 置，拱墙铺设¢6 mm 单层钢筋网片，网格间距25 cmX
25 cm, C25喷射混凝土，厚度为18 cm 。

加强支护拱墙采用 1牢工字钢钢架，间距1.2 m 。

底板采用C30混凝土，厚度为 20 emo
4.4.4平道增强支护加固措施前后变形情况及加固后监 测结果
PDK346+210-PDK346+450段拱部左侧初支出现开 裂、掉块，局部地段拱架发生扭曲、变形，底板出现纵向 裂缝和隆起现象。

增强支护加固措施：对该段拱墙设置18" 护拱（间距lm ）；纵向链接钢筋采222mm 钢筋，环向间 距0.5 m,钢架边墙脚采用长2.5 m 的¢22 mm 砂浆锚杆锁脚 固定，每棍4根，另PDK346+295〜PDK346+450段钢架间 喷射C25混凝土，厚10 cm ；钢筋网采用”6mm 的钢筋，网 格间距25 cmX25 cm ；套拱架设完成后，另行设置相关监
测点，监测结果趋于稳定。

PDK346+620〜PDK346+640里程段拱部左侧初支出 现开裂、掉块，该段拱架发生扭曲、变形。

增强支护加固 措施：拱墙设置16*工字钢护拱（间距1.2 m ）；纵向链接 钢筋采用022 mm 钢筋、环向间距0.5 m ；钢架边墙脚采用
长2.5 m 的"22 mm 砂浆锚杆锁脚固定，每棍4根，钢架间 喷射C25混凝土，厚10cm,保证套拱与己施做的初期支护 间的空隙有效填充；钢筋网采用06 mm 的钢筋，网格间距 25cmX25cm ；套拱架设完成后，另行设置相关监测点， 监测结果趋于稳定。

2019 • 11 • Building
Construction
4.5试验段增强支护参数及施工技术控制要点
1）高地应力段隧道开挖前，应做好通风、有毒有害气体检测和超前地质预报工作。

确保施工安全。

2）高地应力段支护施工时，隧道开挖后应立即进行初喷，及时封闭岩面，防止加速风化围岩的环境条件，保持围岩稳定。

3）设置合理的预留变形量是处理大变形的重要手段。

预留变形量设置过小时，易造成初期支护变形后侵入二衬空间；预留变形量设置过大时，造成浪费。

小相岭隧道的预留变形量为20~25cm。

4）高地应力段开挖循环进尺原则上不大于1棍，同时施工时加强机械化配套，按照批准的设计施工方案组织施工，强化施工工艺过程控制和管理，严格工序验收，确保支护效果和施工质量和安全。

5）仰拱应紧跟掌子面。

充分发挥微台阶开挖在高地应力施工中的作用，上台阶钢架紧跟掌子面，仰拱钢架及时封闭成环并紧跟开挖面，严禁因开挖暴露时间过长不支护，严防隧道掌子面坍塌。

6）把握二衬施工时间。

髙地应力隧道变形量大，且持续时间长，二衬作为安全储备，施工时间尤为重要，二次衬砌浇筑应在初期支护稳定后进行。

7）初期支护稳定指导标准如下：单线隧道拱顶沉降及水平收敛7d平均值小于1mm/d,双线隧道拱顶沉降及水平收敛7d平均值小于2mm/do如果初支成环完成后3个月仍未达到收敛标准的部分，应对初期支护进行补强或对围岩进行注浆加固等增强支护措施。

尤其是初支成环防护继续扩大变形的（如变形侵入二衬范围），要等变形基本稳定后由勘察设计单位重新变更优化初支增强加固施工方案。

施工单位严格按照变更后初支增强加固方案施工完成后，继续监测初期支护稳定情况，待达到初期支护稳定标准后方可浇筑二次衬砌。

为保证二次衬砌的结构安全，根据监控量测数据分析结果，最好在初期支护封闭成环后3〜6个月变形稳定后再施作二衬混凝土。

8）进一步加强监控量测，适当加密对初支开裂、底板隆起段的监控量测点，依据量测数据分析结果、及时调整优化支护参数，指导现场施工旳。

5结论与建议
5.1结论
1）岩体的高地应力强挤压性作用是隧道产生初期支护开裂及变形的主要原因，根据地应力和围岩实际变形监测情况，施工中应及时优化设计、完善施工方案、调整衬砌支护参数和施工工艺、增强支护措施。

现阶段综合运用增强初期支护措施主要有：底板变仰拱或加厚仰拱、增加或加密钢拱架（或加厚钢拱架）、增加砂浆锚杆、增加钢筋网片等。

初期支护及时封闭成环是解决高地应力的主要技术措施；同时在开挖时要预留足够的变形量，给予地应力释放留有足够的空间，防止初期支护变形过大造成拆拱换拱和过早浇筑二衬混凝土造成衬砌结构开裂破坏。

2）加强监控量测，及时对数据进行分析，预测施工中的变形量大小，为隧道优化设计施工方案和围岩变形研究提供数据支持，保证施工质量和安全W
5.2建议
1）本项目应依据围岩的应力变化情况或初期支护的应力应变特性和监测数据资料的积累，进一步完善围岩变形机制的研究。

2）在隧道施工过程中，要充分认识到隧道围岩地质的多变性，要及时分析监控量测数据资料，提供动态分析数据，作为隧道施工或优化设计的参考依据，确保隧道施工方案合理。

3）本文可供高地应力区隧道设计、建设、施工、监理等有关人员借鉴参考。

=====参考文献=
［1］刘清松.挤压性软弱围岩隧道大变形控制技术的研究［D］.成都:西南交通大学,2004.
［2］王成虎，沙鹏，胡元芳，等.隧道围岩挤压变形问题探究［J］.岩土力学, 2011（増刊2）:143-147.
［3］关宝树.1®道施工要点集［M］.北京:人民交通出版社,2003.
［4］刘招伟，王明胜，方俊杰.高地应力大变形隧道支护系统的试验研究卩］.土木工程学报,2010（5）:30-31.
［5］许再良，孙元春.雁门关铁路隧道挤压变形问题分析［J］.岩石力学与工程学报,2014,33（增刊2）:3834-3839.
［6］黄鸿健.堡镇隧道高地应力软弱围岩段施工大变形数值模拟预测研究［J］.铁道标准设计,2009（3）:93-95.
［7］吴广明.高地，应力软岩大变形隧道施工技术［J］.现代隧道技术, 2012,49（4）:94-98.
［8］刘元华.高地应力隧道施工技术［J］.公路,2000（12）:27-29.
微信扫描二维码
、（"i A f＞）））
《建筑施工》微信公众号
进入公众号，了解更乡齋也
建筑施工•第41卷•第"期。