鄭 超

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

軟巖大變形隧道施工難度非常大，且影響施工和安全的因素比較多，目前國內(nèi)外在軟巖大變形隧道施工中，大多采取先加固，再支護，最后開挖的方法[1]。此種施工方法雖然也可以保證施工質(zhì)量，但耗時長，成本高，經(jīng)濟效益不高，難以滿足現(xiàn)代化隧道工程施工的要求。根據(jù)軟巖大變形程度，選擇合適的臺階開挖方法，可有效解決傳統(tǒng)施工技術(shù)存在的弊端和不足[2]，既能為隧道開挖施工營造一個安全穩(wěn)定的平臺，又能有比較高的施工效率，可按期完成施工任務(wù)，在保證施工質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)上，獲得更大的經(jīng)濟效益。基于此，開展基于臺階法的軟巖大變形隧道施工技術(shù)研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

拉林鐵路，新建正線長度403.14 km，正線橋隧總長300.853 km，占線路長度的74.63%。其中，隧道47座,共216.436 km，占線路長度的53.69%。江木拉隧道位于青藏高原東南部朗縣境內(nèi)，隧道進口里程D1K268+625，出口里程D1K277+335，全長8 700 m，均為單線隧道，隧道最大埋深1 492.5 m。隧址區(qū)位于青藏高原東南部朗縣右側(cè)雅魯藏布江大轉(zhuǎn)彎形成的夾塊地帶，屬于岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山之間的藏南谷地。隧道最大埋深約1 493 m。其中Ⅱ級圍巖1 335 m，Ⅲ級圍巖4 975 m，Ⅳ級圍巖1 310 m，Ⅴ級圍巖1 080 m。線路縱坡分別為3.0/4 070，-9.0/400,-10.0/3 200,-6.0/1 411.555的人字坡，隧道進口端1 908.345 m位于直線上，洞身3 101.403 m位于R=10 000 m的右偏曲線上，出口端3 690.252 m位于直線上。江木拉隧道洞身工程地質(zhì)縱斷面示意圖見圖1。

圖1 江木拉隧道洞身工程地質(zhì)縱斷面示意圖

江木拉隧道實際軟巖大變形發(fā)生在D1K270+170～D1K270+718段，共計長548 m。其中，輕微大變形段長296 m，占軟巖變形段總長約54%；中等大變形段長146 m，占軟巖變形段總長約26.6%；嚴重大變形段長106 m，占軟巖變形段總長約19.4%。本段開挖揭示圍巖巖性為千枚巖、板巖，強風(fēng)化，受區(qū)域雅魯藏布江斷裂帶(F1-5)等地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴重，節(jié)理很發(fā)育，褶曲發(fā)育，受構(gòu)造擠壓作用明顯，巖體層理較紊亂，巖體整體呈破碎～極破碎狀。尤其D1K270+390～D1K270+642段，圍巖炭質(zhì)含量相對較高，局部段落圍巖裂隙水發(fā)育，開挖后圍巖自穩(wěn)性差，成粉狀，無粘結(jié)力，且圍巖遇水易軟化，具塑性變形特性。根據(jù)現(xiàn)場確認情況，對本段軟巖大變形等級進行統(tǒng)計，詳情見表1。

表1 江木拉隧道軟巖大變形實際發(fā)生段落統(tǒng)計表

2 超前地質(zhì)預(yù)報

就江木拉隧道而言，埋深大，圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要做好工程現(xiàn)場勘查工作，及時找到工程現(xiàn)場存在的各種問題，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險，保證后續(xù)施工安全，需開展全方位的超前地質(zhì)預(yù)報。在實際預(yù)報中，涉及的內(nèi)容有對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土的地層巖性預(yù)報分析，對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構(gòu)造發(fā)育情況的地質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)報，以及對坑洞、瓦斯等發(fā)育情況的不良地質(zhì)評估預(yù)報和地下水發(fā)育情況的預(yù)報等。要想確保超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果的有效性，在本工程施工建設(shè)中，以地質(zhì)調(diào)查為重點，通過各種現(xiàn)代化的超前地質(zhì)預(yù)報方式，實現(xiàn)全面預(yù)報，可探知掌子面前方圍巖破碎程度及地下水發(fā)育情況，為臺階法隧道施工提供了全面詳細的地質(zhì)水文條件數(shù)據(jù)。綜合超前地質(zhì)預(yù)報配套模式圖見圖2。

圖2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報配套模式示意圖

對預(yù)報獲得的地質(zhì)資料數(shù)據(jù)進行綜合判斷分析，并編制地質(zhì)綜合分析成果報告，結(jié)合施工單位反饋的開挖情況進行對比驗證，建立起圍巖變化對比分析表，進行定期分析，以保證超前地質(zhì)預(yù)報的準確性。

3 基于臺階法的軟巖大變形隧道施工技術(shù)應(yīng)用要點

3.1施工方法和工藝的確定

在本工程基于臺階法的軟巖大變形隧道施工中，采取了加強超前預(yù)報、超前支護，優(yōu)化開挖工法，強化初期支護，勤支護早封閉，加大預(yù)留變形量，弱爆破或機械開挖等綜合措施，以減少對隧道巖石的擾動，有效控制變形量[3]。大變形段變形程度不同，采取的施工工法也不相同，比如在輕微大變形采取了“臺階法+臨時橫撐法”施工工法，而在中等大變形、嚴重大變形段采用“三臺階法+臨時橫撐法”施工工法，具體的軟巖大變形隧道施工工序見圖3。

圖3 軟巖大變形施工工序流程圖

3.2 選擇合適的支護措施

本工程軟巖變形復(fù)雜，不同施工段，軟巖的變形程度也不相同，這就大大提升了支護的難度，需要結(jié)合軟巖大變形的程度，采取不同的支護措施，才能更好保證施工的安全性和質(zhì)量。為解決這一問題，本工程在施工中采取了如下支護措施。

3.2.1 超前支護

圖4 嚴重大變形段支護斷面圖(mm)

3.2.2 變形量預(yù)留

輕微大變形段變形量預(yù)留為拱墻20 cm；中等大變形段為拱墻30 cm；嚴重大變形段為一支拱墻40 cm，二支拱墻20 cm。

3.2.3 初期支護

3.2.4 二次襯砌

3.3 施工工況分析

結(jié)合國內(nèi)外大變形分級方法與分級標準及我國烏鞘嶺隧道大變形的強度應(yīng)力比Rb/σmax特征，確立了拉林鐵路江木拉隧道大變形分級標準(表2)，并結(jié)合定性指標與定量指標對江木拉隧道大變形進行綜合分級。

表2 軟巖大變形分級標準

3.3.1 輕微大變形段

在對本工程進行現(xiàn)場勘查時，發(fā)現(xiàn)D1K270+170～D1K270+180段由于仰拱開挖支護施工，該段圍巖變形速率較大。特別是D1K270+180斷面收斂變形值已經(jīng)接近設(shè)計預(yù)留變形量值。而其他斷面變形速率也都在15 mm/d以上，變形依然在繼續(xù)，尚未出現(xiàn)趨于穩(wěn)定的跡象。針對這一問題，對D1K270+180段的拱墻及時布設(shè)直徑為42 mm的徑向鋼花管，每根長度控制在4.0 m，環(huán)形和縱向的間距都是0.8 m，并注入水泥漿液加固周邊圍巖[6]。通過超前地質(zhì)預(yù)報分析，該段掌子面前方為破碎軟巖大變形段，變形程度比較小，為輕微變形等級。在施工現(xiàn)場對圍巖監(jiān)控的數(shù)據(jù)進行收集和整理，選擇一個輕微大變形段的監(jiān)測斷面進行分析，其D1K270+170拱頂下沉量測曲線圖、周邊收斂量測曲線圖如圖5～圖6所示。

圖6 D1K270+170周邊收斂量測曲線圖

3.3.2 中等大變形段

通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，自D1K270+385往掌子面前方施工相同工序時變形呈逐漸增大趨勢，且單側(cè)收斂最大變形量達到145.9 mm，已經(jīng)接近20 cm的變形量預(yù)留值，且變形依然在繼續(xù)。掌子面揭示圍巖情況比后方已施工段有變差的跡象，通過超前地質(zhì)預(yù)報分析，發(fā)現(xiàn)從此段開始，就進入到了中等大變形階段，需要采取中等大變形支護措施進行施工。D1K270+390拱頂下沉量測曲線圖、周邊收斂量測曲線圖如圖7～圖8所示。

圖7 D1K270+390拱頂下沉量測曲線圖

圖8 D1K270+390周邊收斂量測曲線圖

3.3.3 嚴重大變形段

圖9 交叉口施工換拱前D1K270+598拱頂沉降量測曲線圖

圖10 交叉口施工換拱前D1K270+598周邊收斂量測曲線圖

圖11 交叉口施工換拱后D1K270+598拱頂沉降量測曲線圖

圖12 交叉口施工換拱后D1K270+598周邊收斂量測曲線圖

通過分析各工況段時間-位移曲線變化圖，發(fā)現(xiàn)了以下情況：

1) 本工程軟巖大變形，周邊收斂變形累計值要大于拱頂沉降變形的累計值。在采用臺階法施工中，下一級臺階開挖之后，會引起軟巖進一步變形[8]。

2) 不同軟巖大變形程度不同，造成的危害和影響也不相同，為保證施工的安全性和質(zhì)量，在軟巖大變形臺階法施工中，需要結(jié)合軟巖大變形的程度，采取有效的加固和支護措施，才能避免變形進一步加大，保證施工人員的生命安全。

3) 隧道小里程方向D1K270+170及隧道大里程方向D1K270+718兩個斷面，按Ⅴ級Ⅴ型復(fù)合襯砌支護參數(shù)進行施工過程中，圍巖變形未得到控制，并有加速發(fā)展趨勢，并最終導(dǎo)致發(fā)生初支開裂，累計變形值接近隧道開挖預(yù)留變形量。由此得出結(jié)論：江木拉隧道小里程側(cè)從D1K270+170處開始進入軟巖大變形施工，而隧道大里程側(cè)從D1K270+718處開始進入軟巖大變形施工。

隧道小里程側(cè)按照輕微大變形支護措施，D1K270+170～D1K270+390段，圍巖變形可控，未發(fā)生異常情況，說明輕微大變形支護措施滿足本段施工要求；從 D1K270+390斷面開始，圍巖變形持續(xù)發(fā)展，周邊收斂累計變形量接近預(yù)留變形量，存在拆換拱危險；進行自進式錨桿加固處理后，變形得到控制并趨于穩(wěn)定，說明輕微大變形支護措施已無法滿足控制變形要求。由此隧道從D1K270+390開始進入中等大變形施工。

在江木拉隧道橫洞與正洞交叉口(D1K270+595～D1K270+610)段施工過程中，圍巖變形嚴重，初支侵入二襯凈空。拆換施工后變形仍然未得到控制，再次變形侵限，現(xiàn)場不得不采取對交叉口進行封堵，并采取輔助坑道繞行進入正洞施工的處理方案。后續(xù)，在交叉口及附近范圍D1K270+642～D1K270+536段按照嚴重大變形支護措施施工過程中，圍巖變形得到了控制，且未出現(xiàn)拆換拱施工，說明嚴重大變形支護措施滿足本段施工要求。隧道D1K270+390～D1K270+536段按照中等大變形支護措施進行施工，未出現(xiàn)異常變形，說明中等大變形支護措施滿足本段施工要求。

4 結(jié) 語

在軟巖大變形施工中，僅僅采取初期支護，并不能完全消除圍巖的收斂情況。軟巖地段開挖之后，需要采取剛度大，但同時又具有柔性的支護措施，在控制圍巖變形速率的基礎(chǔ)上，控制圍巖應(yīng)力釋放速度，保證支護體系的安全性。軟巖大變形施工，也是地應(yīng)力釋放和應(yīng)力重新分布的過程，穩(wěn)固開挖輪廓線周圍圍巖，讓圍巖形成自穩(wěn)定性，是控制軟巖大變形的主要手段，可采取超前管棚、超前小導(dǎo)管、徑向注漿花管等，對周圍圍巖進行多次注漿加固，以促使初期支護能夠整體均勻地承受地應(yīng)力。大變形段變形程度不同，采取的施工工法也不相同，比如在輕微大變形段采取了“臺階法+臨時橫撐法”施工工法，而在中等大變形、嚴重大變形段采用“三臺階法+臨時橫撐法”施工工法，大變形段噴射混凝土采用C30早強混凝土，嚴重大變形地段噴射混凝土采用C30早強鋼纖維混凝土。采用更高強度等級的噴射混凝土，能在大變形發(fā)生的初期，降低變形速率，為后續(xù)支護提供較長的施工時間；添加鋼纖維的噴射混凝土更具延展性，降低了初期支護因變形開裂時突然掉塊的概率，提高了施工過程的安全系數(shù)。軟巖大變形段圍巖多為炭質(zhì)千枚巖，巖體破碎—極破碎。江木拉隧道軟巖大變形施工期間，大量使用自進式錨桿，有效地避免了因塌孔造成的施工困難，同時縮短了系統(tǒng)支護工序時間，提高了施工效率。另外，交叉口設(shè)置避開大變形段落，合理設(shè)置鋼架接頭，開挖預(yù)留出足夠變形量，遇到異常情況及時處理。