软弱破碎围岩铁路隧道变形控制关键技术

软弱破碎围岩铁路隧道变形控制关键技术

曹新刚丁飞

中煤第三建设（集团）有限责任公司安徽省合肥市230000

摘要：隧道围岩的变形特征主要表现为隧道拱顶的下沉，掌子面上方围岩是整个隧道变形下沉最剧烈区，只要控制住变形的初期发展，就可以控制隧道围岩的松弛,初期支护全断面闭合越早,闭合距离越短，对控制软弱破碎岩体的变形效果越好，在工程实践中较多采用分部台阶法预留核心土开挖工艺，采用掌子面超前预注浆、超前小导管、洞身管棚、加强锁脚等加固技术，对软弱破碎围岩变形控制有明显效果。

本文结合了国内有关研究成果，以福建南龙铁路端西隧道工程为依托，阐述了软弱破碎围岩隧道的岩体变形特征、控制技术措施、施作工艺三方面内容，通过理论与实践相结合方式，更利于技术人员对围岩变形关键控制技术的理解。

关键词：软弱破碎地质变形支护控制

1、引言

近些年我国铁路建设快速发展，铁路隧道的建设任务逐年攀升，隧道成为了控制全线工期的关键节点。尤其在南方多山地区，各种复杂地质如高压富水、软岩破碎、裂隙断层等较为常见，由于技术储备的不足会导致塌方、突水、甚至关门等各种安全事故的发生。本文作者长期任铁路隧道工程技术总工，拥有较为丰富的复杂地质隧道现场处置经验，本文从基本理论切入、以工程实践为依托，阐述了软弱破碎围岩铁路隧道变形控制关键技术，希望值得广大技术人员参考借鉴。

2、软弱破碎围岩的含义

软岩定义归属于地质学描述的范畴，按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量泥质、炭质、膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层,该类岩石多为泥岩、页岩、千枚岩等单轴抗压强度小于25MPa的岩石。软弱破碎围岩除具备软岩特征外，其显著特征为岩体完整程度差、结构面结合程度弱，这类岩体强度较低，主要包含未成岩的岩石、已风化的岩石以及含有软弱矿物的岩石。该类围岩多受强烈构造运动影响或赋存环境差，如赋存于断层、高地应力、富水等不良地质环境中，导致其节理、裂隙、断层等结构面发育，从而致使岩体强度降低，岩体稳定性变差。

3、软弱破碎围岩隧道变形原因

隧道开挖前围岩处于初始应力状态，称之为初始应力状态；隧道开挖后由于应力重分布，隧道围岩处于二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和开挖方法的强烈影响。如果二次应力状态满足隧道稳定的要求，不加任何支护,围岩即可自稳。如果围岩不能自稳就需施加支护措施,促使其稳定，这就是三次应力状态，这种状态与支护结构的类型、方法以及施作时间等有关。在实际施工中，岩体的变形特征主要表现为隧道拱顶的下沉，不同里程部位的拱顶下沉有其自身规律：第一种是掌子面前方15～20m范围内岩体变形，该类岩体受到已开挖岩体应力释放影响，在开挖前既已发生失稳，该失稳多数以岩体朝向洞内纵向位移为主，当裂隙水达到一定条件时，并可能产生泥石流等灾害性地质。该情况在我国南方地下水充沛的隧道施工中较为常见，一般采取掌子面超前（周边）预注浆加固方法，图1为水平钻探法获取掌子面前方地质。第二种是掌子面上方拱顶岩体变形，该部位变形与开挖方法、地质条件等密切相关，如台阶法开挖，暴露面积过大，如支护不及时跟进，拱顶岩体极易变形下沉，一般来说，掌子面上方是整个隧道岩体变形下沉最剧烈区，在施工中需要做好防范；第三种是开挖后已支护岩体的变形，该部位岩体变形典型特征是，随着开挖面的推进，拱顶下沉不断增大，且初期下沉速率很快，而随着与掌子面距离加大，下沉速率减缓并趋于稳定，最后达到收敛。该种变形一般不可预测，实际施工中均采取加大开挖预留量加以预防，图2为已支护岩体变形下沉侵线换拱。

探究隧道变形的主要原因需从围岩“岩体自身稳定性不足”和“支护措施不到位”两方面分析，总结如下：

（1）岩体自身稳定性不足

软弱围岩强度低，有的软岩本身就具一定的膨胀性，它们在较高的地应力条件下，开挖后容易发生塑性变形，地应力的大小随着隧道埋深增大而增大，岩体在高地应力作用下屈服、破坏，是软岩变形重要原因；同时，地下水对岩体有明显侵蚀、软化作用，其降低了岩石的强度和结合面摩擦系数，使岩体产生较大塑性变形。

（2）支护措施不到位

由于设计的不足或施工误差，采用的支护措施较弱或支护闭合时间长是影响岩体变形的重要原因。隧道开挖一般采用爆破法,该工艺对围岩的扰动较大，开挖后初期变形速度快，变形值大，只要控制住变形的初期发展，就可以控制隧道围岩的松弛,减少隧道周边围岩的塑性区，初期支护全断面闭合越早,闭合距离越短，对控制软岩的变形效果越好，但施工过程中往往开挖后不能及时施工初期支护封闭围岩,致使围岩产生较大变形，导致隧道变形超限,甚至引起失稳坍塌。

4、软弱破碎围岩隧道变形控制原则与措施

4.1、变形控制基本原则

“短开挖、预支护、快闭合、勤量测”是控制隧道围岩变形的基本原则，深刻领会其含义，主要体现在以下几方面：

(1)重视预支护，控制前期变形

软弱破碎围岩隧道变形的一个主要特征是掌子面前方围岩变形较大,采用超前支护措施控制掌子面前方围岩变形是必要的。很多隧道施工中对超前支护重视不足,往往出现了较大变形后方才加强支护措施,这些是补救性措施其效果不如对掌子面前方作有效的预加固来的明显。

(2)采用少分部工法，缩短闭合时间

施工步序复杂、速度慢是软弱围岩隧道施工方法的主要特征。软弱破碎围岩隧道多采用分步开挖来达到控制围岩变形的目的，因此隧道超前预支护技术、早闭合技术是软弱破碎围岩隧道安全快速施工需解决的关键技术。

(3)合理划分开挖断面和进尺,控制后期变形

根据围岩应力特征和变形规律合理划分开挖断面和进尺，必须充分考虑围岩应力和变形调整的结果。因此，在软弱围岩隧道施工中根据围岩应力调整的特征及其变形规律，合理选择开挖分部和开挖进尺，如台阶的数量、高度、长度等，是实现软弱围岩隧道安全快速施工的理论基础。

4.2、变形控制基本措施

首先，在设计中应做好地质详勘，制定合理科学的线路方向，尽可能少穿越溶岩、夹层、断层、偏压等不良地质带，以避免隧道侧墙内挤、底部隆起、拱顶下沉等不稳定现象；其次，在施工中对预留变形量进行预测，留足变形量，宁大勿小，避免二次拆换等等这些都是控制变形的基本方法。根据隧道不同里程部位的岩体，控制其变形措施如表-1。

4.2.1、掌子面前方围岩变形控制措施

施工过程中，掌子面前方围岩变形量一般占到总变形量的20%，控制此变形一般采取超前预支护的方法，即通过技术手段将快凝浆液配合刚性构件注入掌子面前方围岩，使原本破碎的岩体结块增加自身稳定性，从而达到减小变形的目的。常见的有超前（周边）预注浆、洞身管棚、超前小导管、水平旋喷桩。

（1）超前（周边）预注浆

该方法适用于涌水量较大但水压不大的地层，通过超前预注浆控制地下水流量，保证施工安全。其注浆范围为开挖轮廓线3～5m外进行，每一注浆循环长度为30m，开挖25m，保留5m止浆盘。注浆孔不小于110mm，孔口采用Ø108mm壁厚5mm热轧无缝钢管，破碎岩体注浆采用前进式注浆，注浆材料选用普通水泥或化学浆液，注浆压力一般参考注浆处静水压力加1.0～2.0Mpa。注浆完成后，需在开挖轮廓线内打设检查孔检查效果，每循环拱部2个、左右边墙各1个，底部1个，共计5个。

（2）洞身管棚与超前小导管

该方法适用于断层破碎带甚至偏压地层、地下水发育，易塌方段。管棚采用Ø89mm壁厚5mm钢花管，外插角3～5°，环向中心距40cm，注浆采用1:1水泥浆液、注浆压力0.5～2Mpa。在不良地质段，洞身管棚与超前小导管配合使用能取得更好的效果，管棚对松散围岩起到骨架支撑的作用，小导管则将管棚上方围岩固结，从而提高了围岩的整体稳定性。

（3）定向水平旋喷桩

该方法适用于富水软弱、淤泥质、砂质地层，每环旋喷长度10m，前后搭接3m，旋喷桩直径500mm，中心距350mm，注浆压力40Mpa，加固范围为拱部180°

4.2.2、掌子面上方围岩变形控制措施

掌子面上方围岩变形量一般占到总变形量的70%以上，是控制变形的关键。

（1）预留核心土

开挖时把掌子面中央部分土体留下，促使掌子面稳定的方法。在台阶法施工中，采用预留核心土法开挖，能有效防止掌子面坍塌，控制变形。

（2）掌子面挂网喷浆

在开挖后的掌子面喷射5～10cm厚的混凝土，与掌子面锚杆和预留核心土并用，可提高掌子面的稳定性。开挖过后立即喷砼使掌子面暴露的时间尽可能短一些，可防止掌子面初期的崩塌和抑制掌子面围岩的松弛。

（3）加强锁脚

大量的工程实践表明，保证拱脚的稳定性对于维护初支体系的稳定意义重大，控制拱脚沉降一般采用锁脚钢管，每侧拱脚设2根4m以上长钢管锁脚并注浆起到很好的控制沉降效果。

4.2.3、掌子面后方围岩变形控制措施

围岩沉降变形是一个长期的过程，不会因为初支的闭合而停止，有案例表明，当二衬闭合后，围岩仍然向下挤压二衬结构一同沉降，随着时间不断趋于稳定，由于该过程是长期的，为避免后期因沉降导致二衬侵线，在变形控制中也显得尤为重要。

（1）加强支护

采用双层支护法加强初期支护的强度，使围岩处于较高支护力作用下的变形过程中，实现围岩发生可控的变形。施作完第一层初期支护钢架，喷射混凝土后，迅速施作第二层初期支护并喷射混凝土，第二层支护钢架型号规格同第一层。通过双层初期支护，有效地控制了大变形，

（2）基底加固

大变形隧道一般都发生基底鼓起、基脚下沉等现象，为保证基底稳定，采用改变仰拱曲率、加强锚杆、增加仰拱强度、底部注浆或旋喷桩等手段能有效加固基底进而有利于支护系统的稳定。

（3）二衬跟进

变形持续时间长是软岩隧道的特点之一，初期支护施作完成后，围岩难以达到最终稳定，此时应当及时跟进二衬，给围岩施加强有力的支护，这也是控制围岩的重要措施，避免变形过大引起初期支护破坏和围岩失稳。

5、南龙铁路端西隧道变形控制关键技术

5.1、工程概况

端西隧道位于福建沙县，起讫里程DK37+353～DK43+569，隧道长6216m，最大埋深约250.8m。隧址区地层主要为燕山早期第三次侵入（γ52（3）c）花岗岩；燕山早期第一次次侵入（ξυγ52（3）a）花岗斑岩；二叠系上统龙潭组（P2l）粉砂岩、页岩、石英砂岩；前震旦系（AnZjn）云母石英片岩、云母片岩，此外分布有第四系坡残积层。隧址区共发育有6条断层和1个侵入接触带，其特点和空间分布状况分述如表-2：

5.2、隧道围岩变形控制

隧道Ⅳ类围岩采用三台阶法施工，Ⅴ类围岩采用三台阶、三台阶法临时仰拱及四步CD法。针对不同类别围岩地段，分别采用喷、锚、网、钢架等施工支护；富水地段采用钻进式注浆锚杆或密排Φ42小导管进行超前支护、预留核心土法开挖，软弱破碎带采用超前预注浆及超前小导管加固，基底软弱段采用径向注浆加固。施工过程中加强对围岩变形的监控，主要观测内容为：净空变化、拱顶下沉、地表下沉、锚杆轴力量测、初期支护喷混凝土应变数测，其中，净空变化量测每5～10m测1～2条基线，拱顶下沉量测每5～10m测1～3个点。

5.2.1、浅埋、偏压段

隧道洞口及洞身浅埋、偏压地段应先预加固围岩后再开挖，视地质条件可采用地表砂浆锚杆、地面预注浆、水平旋喷桩、锚固桩等加固围岩，框架锚索（杆）或骨架护坡等加固边仰坡，并根据具体围岩情况设置长管棚、超前小导管等超前支护措施。DK42+800～DK43+000段偏压严重，施工前采用地表锚管注浆对该段围岩进行加固，注浆参数：Φ50钢花管，开孔范围为开挖轮廓线以上4m范围内，开孔间距15×15cm，压注1:1水泥水玻璃双液浆；加固范围为隧道中线左右各15m，开挖轮廓线以上4m，花管间距2.0×2.0m，梅花形布置。

5.2.2、断层破碎带

隧道地质条件较复杂，发育有6条断层带，岩体较破碎，地下水较发育，易引起塌方、涌水等地质灾害，施工时根据开挖过程中揭示的不同地质情况，进行以超前钻探为主、结合全断面地质素描、地震波反射法进行地质探测、炮眼加深等进行综合施工地质超前预测预报工作，采用超前帷幕注浆、径向注浆封堵地下水。

对地下水进行适当封堵，减少地下水对隧道施工带来的危害，避免因防涌水、突泥造成的人员事故。常用的超前支护有超前大管棚及超前小导管，超前大管棚直径70～159钢管，一般10～100m；小导管为直径32～60mm钢管，2.5m～6m长，导管跟进需要进行注浆。

5.2.3、富水地带

隧道在DK39+880～DK40+100、DK40+810～DK41+000、DK41+370～+400、DK41+965～DK42+010段断层破碎带及DK40+315～+660浅埋段，为强富水区；DK37+070~+180浅埋段、DK37+470~+520、DK42+820～DK43+088等地段为中等富水区。施工中根据超前地质预报和施工开挖对不良地质的影响及监控量测资料进行进一步评价，并根据评价结果进行注浆方案调整。具体如表-3：

5.2.4、二氧化碳侵蚀

端西隧道DK36+875～DK37+800、DK38+850～DK41+100段地下水具有二氧化碳、酸性侵蚀，在施工过程中要采用防侵蚀的水泥品种，同时调整水灰比或采取其他防水措施，防止侵蚀；在隧道施工缝及变形缝均采用综合防水措施，尽量隔绝环境水土中侵蚀介质对主体结构的作用。

6、结语

在软弱破碎围岩隧道施工中，需遵守“短开挖、预支护、快闭合、勤量测”的基本原则。重视预支护，控制前期变形、采用少分部工法，缩短闭合时间、合理划分开挖断面和进尺,控制后期变形是控制软弱破碎围岩变形的关键理念。

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