中老铁路炭质软岩隧道施工关键技术

梁镜宇

(中铁二局集团有限公司， 成都 610031)

琅勃拉邦缝合带处于墨江-程逸缝合带中南段，宽约40 km，带内地层有层无序，比较杂乱。带内增生杂岩体，南北边界分别为两条延长数百公里的壳曼性深大断裂所挟持，其间平卧、斜歪、复式褶皱和区域性大断裂发育。区域内炭质软岩岩性变化快、变形收敛大，当隧道通过此类地层时，受地下水及爆破开挖扰动影响明显，围岩变形持续时间长、变形量大[1-2]。部分隧道在施工期间频繁发生初期支护喷混凝土开裂、钢架扭曲断裂、溜坍、变形侵限换拱等问题，施工安全风险高，施工进度极为缓慢。

在隧道施工过程中，围岩变形甚至软岩大变形是客观存在的，同时也是可以控制的[3]。本文以中老铁路会福莱隧道正洞施工为研究对象，总结出炭质软岩隧道施工技术及变形防治措施，以期为类似地质环境的隧道工程施工提供参考。

1 工程概况

新建中老铁路起于中老边境口岸磨丁，北接我国云南玉磨铁路，南至老挝首都万象市，线路全长 418 km，铁路沿线主要褶皱21个，长大断层破碎带30条，全线1/3的隧道穿越石炭系板岩、泥灰岩、炭质板岩夹砂岩地层。泥灰岩为夹层，分布无规律，浅灰色，隐晶质结构，中层状。炭质板岩为深灰、灰黑色，变余致密结构，薄层板状构造，裂隙极发育，炭质含量高，遇水易软化[4]，多为Ⅳ、Ⅴ级围岩，地层岩土物理学指标如表1所示。

表1 岩土物理力学性质指标表

2 工程地质

隧区位于琅勃拉邦缝合带内，北以班会海、班内海断裂带为界，以北为兰坪-思茅地块，南以班献伦断裂带为界，以南为南海印支地块[5]。该区地质构造成因复杂，属次级构造发育，为剥蚀中高山地貌，沟壑发育，地形起伏较大，偶有“V”字型河谷，地表多被植被覆盖，基岩出露较差。隧区地表水多为山间沟水、河水，水量受季节降雨控制，地下水主要为基岩裂隙水，水量较丰富。洞身围岩受构造影响，节理裂隙发育，岩体较破碎且软硬不均，局部受地下水或地应力影响，围岩自稳性差。

典型工点以会福莱隧道、普亚村一号隧道、达隆一号隧道、森村二号隧道为代表，开挖揭示地质岩层为夹层，岩体呈碎石、板状结构，部分层面光滑，层间结合性差，岩质软，局部泥化较严重，开挖时易掉块或局部小溜坍，影响人员及设备安全。

3 关键施工技术与实践

3.1 关键施工技术

3.1.1微台阶开挖

隧道穿越软岩等复杂地质地层较多，易发生软岩变形的段落多为Ⅴ级围岩，下台阶开挖或仰拱开挖施工时，支护结构的突变给隧道施工造成极大的安全风险，为保证仰拱快速封闭成环、控制围岩变形，现场优化传统的三台阶开挖方案，采用“短进尺、弱爆破”的微台阶法开挖，并根据围岩情况设计加工悬臂拼装多功能台架进行施工。上台阶长度为3～5 m，操作方便，翻渣量小[6]。上台阶高度为3～3.5 m，每循环进尺为1.2 m ,下台阶紧跟，仰拱每循环开挖进尺不大于3 m，仰拱初支不超过6 m封闭成环，初支封闭成环位置距离掌子面不超过15 m，并及时施作仰拱及衬砌。采用微台阶法施工后，量测某隧道最大拱顶沉降为 31 mm，拱腰收敛34 mm，绝大部分拱顶沉降和周边收敛在20 mm以内，现场施工安全可控。

3.1.2溜坍处治措施

当发生溜坍时，暂停开挖施工，利用洞渣或砂袋施作反压平台稳定掌子面，采用湿喷混凝土对空腔部位围岩和溜坍体进行封闭处理，对洞身塌体及周边进行注浆加固，超前支护采用超前小导管及管棚联合支护[7]。对初支发生变形处及时拆换拱架，逐榀跟进，空腔最高处预留高低错落埋设混凝土泵管，待拱架落地后，分次泵送混凝土回填。处理完成后，在溜坍段支护衬砌处设置监测断面，跟踪监测围岩稳定情况。

3.1.3加强监控量测

以信息化为手段，提高工程质量和安全，全线隧道均实行围岩监控量测信息上传，及时报警处置，降低隧道安全事故发生的概率[8]。根据监控量测情况及时掌握围岩变化规律，开挖时按实际测出的预留变形量确定开挖轮廓尺寸，防止变形后侵占隧道净空[9]。

3.1.4含水岩组富水性较强地层施工技术

隧区洞身有水的软弱围岩断层地段，其破碎带主要由板岩夹砂岩、泥灰岩组成，角砾胶结差，导水性好，岩层裂隙富水。为防止开挖施工引起涌泥或地下水，采取“以堵为主、限量排放”原则加强初期支护，通过采取超前周边注浆加固破碎带等措施，控制地下水流量，降低施工安全风险，保证围岩稳定，支护结构体系如图1所示。

图1 富水软岩支护结构体系图

3.2 工程实践

3.2.1工程概况

会富莱隧道全长6.969 km，为单线隧道，全线控制性工程，洞身最大埋深635 m，隧道穿越普巴道山、会福莱1号、会福莱2号、班会海断层破碎带。隧道在Ⅴ级围岩地段施工过程中，累计发生12次较大～大规模塌方，初期支护产生9次较大变形，不同失稳类型失稳次数统计如图2所示。

图2 不同失稳类型失稳次数图

现场采用三台阶法进行开挖，D2K 130+330～D2K 130+360预留变形量上台阶为65 cm，下台阶为60 cm， 采用I16型钢支护。该段落岩层产状扭曲变形严重，岩体挤压破碎强烈，隧道施工过程中初期支护变形严重，主要表现为喷混凝土开裂、拱架扭曲、初期支护侵限等。D2K 130+335里程段施工过程变形曲线如图3所示，D2K 130+300～D2K+400段复合式衬砌支护参数如表2所示。

图3 D2K 130+335变形曲线图

表2 复合式衬砌主要支护参数表

3.2.2原因分析

(1)工程地质原因：①隧道位于琅勃拉邦缝合带，岩体节理裂隙发育，地质条件复杂，区域内炭质板岩分布广泛，岩体抗压强度极低，受构造应力影响极易诱发高地应力软岩大变形现象。②岩层的单轴抗压强度低，隧道D2K 130+230～D2K 130+370段围岩开挖揭示为板岩夹炭质板岩、炭质泥岩，岩石单轴饱和抗压强度分别为2.25 MPa和3.89 MPa，属于极软岩类。③水平构造应力场特征极其明显，隧址区地应力测试结果显示，埋深530 m时最大水平应力达20.41 MPa，竖向应力13.81 MPa，侧压力系数高达1.47。④岩体极破碎，节理裂隙发育，岩质软，稳定性差，TSP超前地质预报该段均为Ⅴ级围岩。

(2)施工原因：①采用三台阶不留核心土法施工，仰拱及二次衬砌不能紧跟掌子面，导致初期支护变形持续时间增加，不能有效控制洞室稳定；②现场存在钢架安装不到位、支护不及时、监测不到位、变形加固不及时等问题，造成变形增大甚至侵限换拱。

3.2.3优化设计

通过组织现场会勘，做好设计变更，优化设计参数。

(1)调整开挖轮廓线，加大初期支护边墙和仰拱曲率，改善受力结构。

(2)加强支护型钢，钢架支护由I16工字钢调整为HW175型钢，间距0.6 m。

(3)钢架内外侧均设置纵向连接钢筋，并在上台阶拱脚处增设I14工字钢作为连接型钢。

(4)系统锚杆采用长短结合主动强支护。短锚杆长度4 m，采用φ22速凝药包锚杆。长锚杆长度8 m，采用φ32自行式锚杆，快凝早强浆液注浆。

(5)在拱部140°范围内采用φ42小导管进行超前支护，单根长度为4.5 m，环向间距0.4 m，每环27根，按纵向2.4 m/环布置。

(6)喷射混凝土强度由C25调整为C30。

(7)加强钢架连接板接头连接质量，M20×65高强度螺栓由4颗调整为6颗，钢架连接板采用三面满焊以增强钢架整体性。

(8)采用双锁脚，在原设计基础上增设一道锁脚锚杆，加强支护抗变形能力。

(9)根据监控量测数据，适当调整预留变形量。

3.2.4施工方法及措施

(1)暂停掌子面掘进，增加临时支撑，防止初期支护侵限，现场采用快速注浆工艺。

(2)现场严格规范施工，因变形侵限需换拱的部位，注浆完成待围岩变形稳定后，对拱墙逐榀进行换拱处理，避免再次换拱，同时做好超前地质预报和监控量测工作[10]。

(3)优化工法，将爆破开挖调整为机械开挖，采用铣挖机开挖以消除爆破震动对围岩的扰动。现场采用微台阶法施工，开挖过程中控制台阶长度不超过6 m。

(4)安全质量控制措施：①完善安全质量管理制度，制定应急预案，完善救援措施，定期组织突发事件处置演练；②软岩地段严格按设计方案施工，下台阶和仰拱施工及时跟进，避免工序安全步距超标；③做好地质风险揭示工作，及时制定技术措施，确保施工安全和开挖进度；④及时清除喷混凝土回弹的虚碴，做好基础处理与支垫措施，安装钢架要位置准确，下台阶开挖一次不超过2榀，避免钢架悬空吊脚；⑤加强施工过程自检，规范湿喷工艺和混凝土灌注工艺，现场严格工序交接验收程序；⑥对境外水泥性能进行课题研究，通过国内外水泥检测指标对比，优化混凝土配合比，同时加强对试验室、拌和站的专项检查，从源头抓好质量控制；⑦定期开展施工安全及工期风险分析专题会议，现场采取有效措施，保证不良地段施工安全质量；⑧洞身通过石炭系地层炭质板岩时，可能存在瓦斯等有害气体，施工中应加强有害气体监测和隧道通风，确保施工安全。

3.2.5处理效果

通过优化断面及支护参数、严格重要工序关键环节、采取施工技术改进措施和做好监控量测工作，初期支护开裂情况减少，围岩变形得到有效控制，基本无侵限换拱现象发生，隧道软岩段开挖月进度从 22.8 m提高到43.7 m，施工进度明显加快。变形从开挖到二衬施工完成一直存在，后期速率降低，但不能完全收敛[11]，优化后D2K 130+445的不良地质变形曲线如图4所示。

图4 D2K 130+445变形曲线图

4 结束语

中老铁路炭质软岩地层主要集中在琅勃拉邦缝合带内的24座隧道工程施工管段，隧区围岩自稳能力差，其中石炭系地层易引起软岩大变形。当掌子面地质情况发生变化时，需注意做好围岩级别、支护形式等变更设计工作，已发生软岩变形的隧道，选择合适的工法施工，在对变形侵限部位更换初支的基础上，采用微台阶开挖、增加临时横撑、施作临时仰拱、地表注浆、径向注浆、超前注浆、增设锁脚、增加超前管棚周边注浆、加大超前支护范围等措施，能有效控制隧道软岩大变形。