張秀良/ZHANG Xiu-liang

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

在軟弱、膨脹性圍巖修建隧道，非但有垂直壓力，而且有較大的側(cè)壓力和底壓力，因此襯砌應(yīng)采用曲墻帶仰拱的結(jié)構(gòu)，形成封閉的整體結(jié)構(gòu)，提高襯砌的承載力[1]。隧道二次襯砌一般是在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，從隧道縱向變形特點(diǎn)看，軟弱圍巖隧道變形快速增加主要圍巖開挖后[2]。因此，軟弱圍巖隧道實(shí)際上是由臨時(shí)支護(hù)與初期支護(hù)形成的許多分部的、完整的初期支護(hù)閉合支護(hù)體系來完成變形控制的。蘭渝鐵路胡家灣和馬家坡隧道在分析軟弱圍巖大變形機(jī)理基礎(chǔ)上，有針對性地采取及早、及時(shí)封閉巖面、開挖后盡可能短的時(shí)間內(nèi)形成斷面閉合體系，及早對圍巖提供抗力，取得了較好的大變形控制效果。

1 工程概況

蘭渝鐵路胡家灣隧道和馬家坡隧道典型的軟巖地質(zhì)隧道。隧道穿過的地層主要以斷層角礫為主的碎裂結(jié)構(gòu)巖體和上第三系成巖較差的粉細(xì)砂巖散體結(jié)構(gòu)巖體。按常規(guī)的臺階法施工，出現(xiàn)了拱部下沉大變形和掌子面失穩(wěn)滑塌等異常現(xiàn)象。

胡家灣隧道全長2 862m，最大埋深420m。隧道穿越臨夏-漳縣-天水（F1)斷層束之f6、f7、f7-1 三個(gè)斷層破碎帶。隧道處于高地應(yīng)力區(qū)。

馬家坡隧道全長5 830m，洞身通過的地層以上第三系泥巖夾砂巖（NMS+SS)為主，其中DK114+584～DK115+300 段長716m 為上第三系砂巖。隧道設(shè)計(jì)為雙線，初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，隧道均采用曲墻帶仰拱復(fù)合式襯砌[3]。軟弱圍巖級別為Ⅴ、Ⅵ級，開挖斷面面積為140m2以上。

胡家灣隧道f7 斷層破碎帶巖性為以炭質(zhì)頁巖為主的斷層角礫，灰黑色，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體極破碎，呈泥礫狀，掌子面普遍滲水，局部有股狀水涌出。馬家坡隧道上第三系砂巖，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)，膠結(jié)很差～極差，手捏即碎成散沙，掌子面普遍滲水。含水狀態(tài)開挖后軟化嚴(yán)重，多呈塑性流變狀態(tài)，強(qiáng)度降低快，穩(wěn)定性極差，含水多部位約4h 顯現(xiàn)失去穩(wěn)定。

2 施工難點(diǎn)

隧道施工前期均采用三臺階七步開挖法[4]。胡家灣隧道通過以炭質(zhì)頁巖為主的斷層破碎帶時(shí)，隧道出現(xiàn)拱頂下沉大變形，現(xiàn)場量測38d 累計(jì)最大沉降量為820mm，初期支護(hù)嚴(yán)重侵入二襯限界。馬家坡隧道通過上第三系粉細(xì)砂巖層，掌子面滑塌失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重，成洞極為困難。

3 軟弱圍巖變形原因分析

3.1 地質(zhì)因素

胡家灣隧道以炭質(zhì)頁巖為原巖的斷層角礫變形機(jī)理。

1)炭質(zhì)頁巖含有高嶺土、石膏、云巖、綠泥石及其它云母礦物等泥質(zhì)巖，屬于含軟弱礦物的軟巖，其親水性強(qiáng)，遇水膨脹。

2)賦存于高地應(yīng)力環(huán)境，開挖后地應(yīng)力得到釋放，圍巖松弛嚴(yán)重，形成較大塑性區(qū)。炭質(zhì)頁巖有明顯的蠕變特性。

3)賦存于裂隙水環(huán)境，斷層破裂巖體結(jié)構(gòu)面填充物遇水進(jìn)一步泥化、軟化，加速其強(qiáng)度流失。

4)開挖后巖面受風(fēng)化影響，臨空面巖體易于崩解。

馬家坡隧道上第三系粉細(xì)砂巖細(xì)顆粒間泥質(zhì)膠結(jié)松散，在水的作用下膠結(jié)物由固態(tài)變成塑態(tài)甚至液態(tài)。隨著隧道開挖產(chǎn)生臨空面，必然使指向臨空面的水力梯度增大，所產(chǎn)生的動水壓力差使得孔隙水與礦物顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度較弱，在自重應(yīng)力或側(cè)向壓力作用下，粉細(xì)砂巖礦物顆粒間的膠結(jié)作用基本失效，在水壓力作用下出現(xiàn)流沙而失穩(wěn)。

3.2 施工因素

3.2.1 隧道縱向變形特征

隧道施工引起的縱向圍巖變形（圖1)分為微小變形區(qū)、急劇增大區(qū)、緩慢變形區(qū)和穩(wěn)定變形區(qū)，其中急劇增大區(qū)變形量約占總變形量的50%～60%[5～6]?？刂屏思眲≡龃髤^(qū)變形就控制了總的變形值。

圖1 隧道圍巖縱向變形分區(qū)示意圖

3.2.2 施工時(shí)機(jī)延誤

掌子面后方區(qū)域軟弱圍巖大變形，具有明顯的時(shí)空效應(yīng)[7]。隨著掌子面的推進(jìn)，開挖擾動迅速增大，早期變形不斷增大。但隨著距離掌子面越遠(yuǎn)，開挖擾動的影響逐漸減小。因此，軟巖圍巖變形控制的重點(diǎn)和關(guān)鍵是急劇增大區(qū)。因此開挖后要及時(shí)實(shí)施極其有效的支護(hù)，為圍巖提供足夠的抗力。否則，因施工組織不力，支護(hù)不能及時(shí)施作，或不能及時(shí)形成閉合支護(hù)體系，將使圍巖松弛區(qū)域迅速擴(kuò)大，進(jìn)一步惡化軟弱圍巖條件，變形快速發(fā)展。一些大變形發(fā)生與支護(hù)時(shí)機(jī)的延誤有很大關(guān)系。

4 軟弱圍巖變形控制

4.1 工法選擇

不論是具有蠕變特性的胡家灣隧道炭質(zhì)頁巖斷層破裂巖還是掌子面易失穩(wěn)的馬家坡隧道上第三系粉細(xì)砂層，開挖后都急需支護(hù)加以控制，在開挖后盡可能短時(shí)間內(nèi)形成斷面閉合支護(hù)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場選擇了分部開挖分部支護(hù)的上臺階臨時(shí)仰拱和六部CRD 法施工，主要是基于以下因素。

1)從安全成洞角度考慮，完成斷面開挖、支護(hù)所需時(shí)間必須在其圍巖自穩(wěn)時(shí)間內(nèi)，且須在此時(shí)間內(nèi)確?；炷聊馨l(fā)揮一定的承載。

2)對比三臺階法和CRD 法兩種計(jì)算工況，采用六部CRD 法優(yōu)于三臺階七步法[8]。六部CRD 法無論從圍巖位移、圍巖塑性區(qū)，還是支護(hù)結(jié)構(gòu)受力角度均明顯優(yōu)于三臺階七步法。

3)CRD 法優(yōu)點(diǎn)：①各部位成環(huán)時(shí)間短，結(jié)構(gòu)受力均勻，支護(hù)剛度大，施工中隧道地面沉降小，易于控制[9]；②由于施工時(shí)由大跨度變?yōu)樾】缍?，逐步閉合，各開挖擾動土層范圍小，閉合時(shí)間短，結(jié)構(gòu)整體很快就會處于較好的受力狀態(tài)。同時(shí)，臨時(shí)仰拱和中墻也起到了增加結(jié)構(gòu)剛度、抑制結(jié)構(gòu)變形的作用[10]。

4)閉合支護(hù)是能最大限度發(fā)揮支護(hù)支撐作用的結(jié)構(gòu)體系。

4.2 閉合支護(hù)體系

4.2.1 上臺階臨時(shí)仰拱（圖2）

圖2 上臺階臨時(shí)仰拱步序圖

1)開挖上臺階①部，然后施作①部臺階周邊的初期支護(hù)Ⅰ和臨時(shí)仰拱，鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，完成上臺階支護(hù)閉合體系。

2)開挖②部，臺階周邊部分初噴4cm 厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，接長鋼架，并設(shè)鎖腳錨桿，鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度[11]。

3)在滯后于②部10m 左右，開挖③部，施作隧底仰拱噴混凝土，完成初期支護(hù)閉合成環(huán)。

4)根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后，拆除I18 臨時(shí)鋼架，灌注仰拱與邊墻基礎(chǔ)。

5)澆筑拱墻二次襯砌混凝土，完成二次襯砌閉合成環(huán)。

4.2.2 六部CRD法

1)利用上一循環(huán)架立鋼架施作隧道超前支護(hù)，開挖①部土體，及時(shí)施作①部初期支護(hù)Ⅰ及臨時(shí)支護(hù)Ⅰ-1，打設(shè)鋼架鎖腳錨管，安設(shè)橫撐Ⅰ-2，形成①部閉合支護(hù)。

2)①部施工至適當(dāng)距離后，開挖②部，接長鋼架，施作②部初期支護(hù)Ⅱ及臨時(shí)支護(hù)Ⅱ-1，打設(shè)鋼架鎖腳錨管，安設(shè)橫撐Ⅱ-2，形成②部閉合支護(hù)。

3)滯后適當(dāng)距離如上步驟，開挖③部、④部土體，施作初期支護(hù)Ⅲ、Ⅳ及臨時(shí)支護(hù)Ⅲ-1、Ⅳ-1，形成中臺階以上閉合支護(hù)。

4)④部施工至適當(dāng)距離后，在穩(wěn)定的上部支護(hù)環(huán)境下，開挖⑤部，接長鋼架，施作⑤部周邊初期支護(hù)Ⅴ、Ⅴ-1 及臨時(shí)支護(hù)Ⅴ-2，形成⑤部閉合支護(hù)。

5)滯后適當(dāng)距離，開挖⑥部土體，施作⑥部邊墻初期支護(hù)Ⅵ、Ⅵ-1，形成全斷面初期支護(hù)閉合成環(huán)。

6)澆筑二次襯砌混凝土，完成二次襯砌封閉成環(huán)。

圖3 六步CRD法施工步序圖

5 結(jié)語

1)現(xiàn)場通過形成閉合支護(hù)，隧道變形控制在25cm 以內(nèi)，很好地發(fā)揮了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束圍巖松弛和過度變形的功能。

2)在不具備全斷面施工技術(shù)條件下，采取分部開挖、分部支護(hù)閉合的施工方法，能夠?qū)崿F(xiàn)Ⅵ級圍巖進(jìn)度22～28m/月，達(dá)到了進(jìn)度上明為慢實(shí)為快的目的。

3)軟弱圍巖隧道大變形具有變形初期變形速率快、變形量值大的特征。在開挖后盡可能短的時(shí)間內(nèi)施作并形成閉合支護(hù)，以實(shí)現(xiàn)距掌子面盡可能短的距離內(nèi)變形收斂。

4)對軟弱圍巖隧道，做好并發(fā)揮好閉合支護(hù)體系的前提是必須有與地質(zhì)條件相適合的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5)做好閉合支護(hù)，還需根據(jù)圍巖賦存條件，進(jìn)行必要開挖前降水、開挖后巖面封閉等輔助措施施工。