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。

图1 高地应力段T1断面结构图