1、针对性辅助措施在老东山隧道特殊地质段施工中的综合应用【摘 要】软弱围岩隧道大变形现象主要表现为变形侵限、喷层脱落掉块、支护开裂、钢架扭曲、拱脚失稳、底板隆起，甚至局部地段发生坍塌或二次衬砌开裂等。这些现象的发生，不仅容易引发施工安全和质量问题，同时也对建设工期和投资造成严重的不利影响。本文结合广昆铁路老东山隧道为例，通过围岩量测和地应力测试为支撑，采用“刚性支护”作为控制变形的理念，坚持“快挖、快支、快闭合”的基本原则，配合多项针对性辅助措施，对施工过程实施“动态管理” ，从而实现变形开裂的长期有效可控，对今后同类围岩隧道施工提供了可贵的借鉴经验。 【关键词】软弱围岩 变形开裂快挖、快支、快闭
2、合 针对性辅助措施 动态管理 中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号： 1 工程概况 老东山隧道地处滇中红层地段，位于广通北站与禄丰南站之间，洞身主要穿过的地层为白垩系泥岩夹砂岩、泥灰岩，砂岩夹泥岩，侏罗系泥岩夹砂岩、泥灰岩。隧道穿越老东山断层（F4） 、官村至白云寺断层（F2） 、哨村断层（F1） 、蒙七铺向斜等地质构造，是广昆线的重难点控制性工程之一。 2 工程地质 地表覆盖第四系全新统坡残积（Qdl+el4）粉质黏土；下伏白垩系下统高丰寺组(K1g)灰紫、灰黄、浅灰色薄厚层状不等的砂岩夹泥岩，砂岩以石英砂岩为主，部分为粉砂岩，岩质普遍较硬，泥岩以粉砂质泥为主，岩质较软。其下为
3、侏罗系上统妥甸组(J3t)紫红、灰紫夹灰黄、灰绿色薄中层状泥岩夹砂岩、泥灰岩。两端受两条区域性断层官村至白云寺断层(F2)和哨村断层（F1）影响，节理裂隙发育，岩体破碎，石质软硬不均，围岩稳定性较差；隧道洞身穿越地层为侏罗系上统妥甸组(J3t)泥岩夹砂岩、泥灰岩。 施工揭示地质主要为紫红、暗紫色夹灰绿色泥岩夹砂岩、泥岩、砂岩夹泥岩、泥灰岩，薄中厚层状，泥质、细粒结构，泥岩为泥质胶结，砂岩、泥灰岩为钙质胶结，属软质岩，强风化与弱风化相间，砂岩以强风化为主呈碎块状、泥岩为全风化呈土状（硬塑） ；岩层层理零乱，错动剧烈，微褶皱发育；刚揭示时掌子面岩体呈碎块夹土状、较破碎、密实，岩体呈潮湿状态，随揭示
4、时间的增加地下水逐渐渗出，水量逐步增大，拱顶呈点状断续下滴，而施工面则呈股状或面状渗出，岩体逐渐呈饱和状态，施工时上台阶、中台阶长度控制在 3-5m，上台阶掌子面及侧壁易出现掉块和局部溜坍，中下台阶及侧壁出现坍塌时间比上台阶短，坍塌范围比上台阶掌子面及侧壁大。 3 施工遭遇的主要问题 由于受老东山隧道复杂工程水文地质条件的影响，施工过程中先后遭遇塌方 1 次、突水涌泥 2 次、软岩及初支变形 8 次、小变形开裂 10 余次。根据历次变形开裂的现象，本隧软岩及初期支护变形开裂呈现以下特征： 3.1 水的影响大 初期支护变形开裂均受渗水或股水的影响，软岩遇水泥化，无自稳能力，并向开挖轮廓外延伸，作
5、用于初支的压力增大，初支总是从小变形开始，然后累积到一定的程度，在一处或者几处关键部位首先产生破坏，进而导致整个支护系统失稳。 3.2 变形大、距离长、比例高 围岩下沉量大于收敛量，平均下沉量大于 20cm，最大下沉量可达45cm，平均收敛量大于 15cm，最大收敛量可达 40cm；单次初期支护变形开裂最小距离均在 15m 以上，变形开裂段落占施工段落比例超过 35%，严重影响了施工安全和进度。 3.3 变形速度快 初期支护后下沉速率一般可达到 30mm/d、收敛速率一般可达到25mm/d，特殊地质段下沉速率最大可达到 70mm/d、收敛速率一般可达到48mm/d，而且其变形速度降低缓慢。 3
6、.4 突变几率高 由于隧道沉降收敛速度高，在短时间内，围岩强度降低，地压随时间增长，围岩变形破坏发展迅速，围岩与支护结构相互作用，导致薄弱环节发生的突变几率高。 3.5 破坏大 围岩变形的破坏力大，突变易造成初期支护钢架发生折曲，甚至折断，变形开裂主要出现在线路右拱腰处，呈纵向开裂，随时间推移出现环向开裂并不断加剧。斜井正洞掌子面由于强大的围岩应力，累计挤出位移 4 米多，50cm 厚钢筋砼封堵墙被完全破坏。 4 施工工法试验 4.1 双层钢架支护法 “双层钢架支护法”是初期支护采用 I22b 双层型钢钢架，即在 80cm开挖范围内设置两榀弧长不同的型钢钢架，使初期支护形成内外两层，既减小了钢
7、架的间距又增加了喷射砼的厚度。 4.2 大拱脚台阶法 “大拱脚台阶法”是施工过程中通过分别在上、中台阶拱脚处设置扩大基础的方式加强初期支护刚度，有效控制初支沉降，同时根据实际揭示地质情况适时增设“临时仰拱”的一种施工方法。一般地段采用 I22型钢钢架，地质较差地段采用 H175 型钢钢架，间距 60cm；并将单层连接筋调整为双层连接筋同时增大钢筋直径和加强锁脚锚管。 5 采用的相关辅助措施 在总结经验教训的基础上，经过多次研究，以通过围岩量测和地应力测试为支撑，采用“刚性支护”作为控制变形的理念，坚持“快挖、快支、快闭合”的基本原则，配合多项针对性辅助措施除了实施 TSP、地质雷达、75 超前
8、水平钻孔等综合物探手段外，还采用了高密度电法、地应力测试等方法对前方地质进行预测预报和相互验证，并辅以每循环加深炮孔、超前钻孔探水放水，加强围岩量测工作，根据预报量测结果，动态调整施工方案，对施工过程实施“动态管理” ，实现变形开裂的长期有效可控。 通过分析研究，对老东山隧道软弱围岩变形开裂按“掌子面先行位移、掌子面挤出位移、掌子面后方位移、各台阶拱脚下沉和地下水对初期支护影响”等五个方面进行控制，隧道刚开挖后变形发展很快，掌子面先行位移和挤出位移以及后方位移同时都在发展，虽然无法及时测出其数据，但其位移值随着掌子面的通过会一直延伸并直接影响到总位移值，前期施工过程中掌子面先行位移和挤出位移的
9、控制易被忽视，而仅仅重视了掌子面后方位移的控制。经过多方深入研究，采取了如下措施进行控制： 5.1 掌子面先行位移控制 通过加密超前小导管纵、环向间距的方式控制掌子面先行位移，确保其位移值控制在总位移值的 30%以内。小导管的长度和纵向间距由型钢钢架纵向间距确定，一般地段采用长度为 33.5m， 1.21.8m 一环，环向间距 3040cm；地质较差段落每循环施作超前小导管，小导管长度为 3m， 1.2m 一环；地质差异较大时，加密地质较差侧的小导管环向间距，间距控制在 2530cm，此法的实施有效控制了掌子面的先行位移。 5.2 掌子面挤出位移控制 通过采用环向开挖预留核心土的方式控制掌子面
10、挤出位移，确保其位移值控制在 70100mm。当位移值超出 70mm 时，通过对掌子面实施钢管支护和喷射砼封闭等方式控制挤出位移，具体采用 42 注浆钢花管，2.5m/根，间距 100100cm，梅花型布置，两循环打设一次，喷射 10cm厚 C25 砼封闭掌子面。 5.3 控制掌子面后方位移 通过采用大刚度钢支撑、增加预留沉落量、非爆开挖、提高喷射砼强度等方式控制掌子面后方位移，确保其位移速度控制在 20mm/d。施工过程中要坚持按“快挖、快支、快闭合”的施工原则组织施工，尽可能缩短工序作业时间、减小作业循环总时间。为有效控制初支变形开裂，经多次实践和综合比选，施工过程中，在地质差异大、挤压扭
11、曲严重、受地下水影响较大的地段采用双层 I22b 型钢钢架；在相同地质、地下水影响较小的地段采用单层 H175 或 I22b 型钢钢架支护。预留沉落量由原设计的 13cm 调整为 2530cm，通过“欠挖式爆破”配合松土器开挖的方式逐步替代全爆破开挖法，减少了超挖，并较大程度降低了爆破对围岩和支护结构的扰动；将喷射砼强度提高到 C30，进一步增加了喷射砼的强度。通过上述施工工艺和支护参数的优化，有效地控制了掌子面后方位移，效果较为明显。14 天内支护闭合成环，掌子面与仰拱、二衬距离分别控制在 30 米和 60 米内。 5.4 各台阶拱脚下沉控制 通过调整钢架连接板厚度、设置大拱脚、大锁脚锚管、
12、在拱脚处设置纵向连接系统等方式控制各台阶拱脚下沉，确保其下沉值小于拱顶下沉值。钢架连接板厚度由 14mm 调整为 2025cm，增加连接刚度强度；上、中台阶钢架增设大拱脚，分散上部荷载；设置 76 锁脚锚管，加大锁脚的承载力；在钢架拱脚设置纵向 I14 连接型钢，加强了钢架间的纵向连接。通过以上措施的综合作用，增强了初期支护的整体抵抗作用，有效的控制了各台阶拱脚的下沉。 5.5 对地下水影响的控制 施工实践证明，软弱围岩的强度受地下水的影响十分敏感，围岩遇水后会发生显著的软化和泥化，主要表现在突发性和后发性两个方面。现场采取了以预防为主的方式进行处理，对于突发性水的影响，主要采取定期进行水平钻
13、孔放水集中引流的方式处理；对于后发性水的影响，主要采取初期支护预埋钢花管排水的方式处理；对地下水丰富的段落，中、下台阶采取分次落底的方式，有效降低了地下水对施工和支护结构的影响。 6 取得的效果 在采取了上述一系列控制软岩变形开裂的措施后，取得的具体效果如下： 6.1 围岩变形值及变形速率减小 6.11 措施优化前 进口和 2#斜井典型地质段围岩变形值如下表: 变化量 隧道进口典型地质地段拱顶下沉和边墙收敛见图 1： 2#斜井典型地质地段双层钢架拱顶下沉和边墙收敛如图 2： 围岩量测成果显示，措施优化前采取的抑制变形的手段在典型地质地段取得效果不理想，需要对方案和各辅助措施进行优化。 6.11
14、 措施优化后 通过对老东山隧道进口和 2#斜井施工方案的优化，并采用 C30 喷射砼后典型地质段围岩变形值如下表: 变化量 优化方案并采用 C25 喷射砼后，典型地质段拱顶下沉和边墙收敛如图 3： 通过围岩量测及其回归分析，并对使用措施前后进行对比，可以得出采用相关针对性的辅助措施，较好的控制了在施工过程中围岩开挖后到初期支护闭合成环期间的围岩变形量及变形速率，使得在施工过程中初期支护的变化量及速率控制在安全范围内，为正常稳定施工提供了安全保障，也使该类软弱围岩在施工过程中较大的避免了施工安全隐患。 7 结论 针对该类软弱围岩隧道的施工，通过对施工方案和措施的优化，施工现场做到了快速开挖、快速支护，快速施作仰拱，及早闭合成环，软弱围岩的初期支护变形开裂得到了有效的抑制，掌子面与仰拱、二次衬砌的距离较从前实现了相对距离的扩大，为隧道施工的初期支护、仰拱、二次衬砌实现平行施工作业提供了安全、有效的时间和空间，同时较好的降低了施工安全风险，保障了人员机械的安全。 参考文献： 1 关宝树.软弱围岩隧道变形及其控制技术J.隧道建设 ，2011 年 1 期 2 关宝树.隧道工程施工要点集M.北京：人民交通出版社，2003 3 李晓红.隧道新奥法及其量测技术M.北京：科学出版社，2002 4 广昆铁路老东山地质资料及隧道施工监控量测资料
