大跨度软弱围岩隧道变形控制技术

时间：2024-07-28

刘立明

(中国铁路设计集团有限公司土建院，天津 300142)

大跨度软弱围岩隧道施工一直是个工程上的技术难题，由于围岩软弱、开挖跨度大，使得围岩的稳定性难以控制，施工控制不当的话可能出现大变形、塌方冒顶或边仰坡垮塌等事故。尤其是结构高跨比较小的隧道，其呈现出的扁平状更加不利于结构的稳定性，扁平状洞室开挖后很容易降低围岩稳定性，集中围岩的应力，相对地增大了其松弛压力，当围岩变形应力超过支护结构提供的内力时，便会直接威胁到隧道的施工安全。因此，对于超大断面隧道，特别是在浅埋软弱围岩条件下修建大断面隧道，选择一种合理的施工方法及相应的支护体系对于安全、经济、快速地进行隧道施工具有十分重要的意义。

新建京沈与盘营客专联络线工程燕都隧道，进口段受京沈客专朝阳北站疏解方案及线路曲线影响，隧道内线间距由8.4 m渐变至5.0 m。隧道最大开挖断面宽18.2 m，开挖面积215 m2，埋深17.6 m，隧道穿越土层有人工填土、粉质黏土、泥岩、砂岩、砾岩等。本项目在设计过程中，根据燕都隧道地质、水文、地形条件的特点，提出一套适用于大跨度软弱围岩隧道开挖的新方法，即爆破控制、多层次强支护和三台阶法开挖相结合的综合施工技术，有效地解决了大跨度浅埋软弱围岩隧道下穿建筑物而引起的地面变形过大、施工风险过高等问题，为未来类似工程的建设提供了借鉴。本文将结合燕都隧道的特点，对爆破控制、多层次强支护和三台阶法开挖相结合的综合施工技术进行详细的论述。

1 工程概况

燕都隧道位于辽宁省朝阳市双塔区燕都镇姜家窝铺村境内，为单洞双线隧道，隧道进口里程为DIK4+868，出口里程为DIK6+000，全长1132 m。隧道位于低山丘陵地区，地形稍有起伏，植被较发育，多辟为耕地，隧道最大埋深52.91 m，在DIK5+310～DIK5+370 m处下穿既有环城公路。

隧道沿线地表周边为某部队战术训练用地、朝阳市环城公路等。线路走行区地下管线较密集，主要有天然气管线、雨水管及通信管线，基本沿环城公路路侧分布。隧道洞身下穿既有环城公路、人行天桥及改移道路等构筑物情况详见表1。

表1 燕都隧道穿越既有环城公路、人行天桥等构筑物情况统计

隧道区范围内表覆第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)粉质黏土，第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)粉质黏土，下伏侏罗系上统九佛堂组(J3jf)砂岩、砾岩，岩层产状160°∠19°。隧道区地下水类型主要为基岩裂隙水。基岩裂隙潜水分布较广，以浅部为主，含于基岩风化带、风化裂隙及构造节理裂隙中，水位和水量受季节降雨量影响明显。

隧道进口DK4+896～DK4+936段采用大跨路堑式明洞衬砌(内轮廓标准线间距D=8.0 m)，填土高度不大于4 m。隧道进口DIK4+936～DIK5+400段线间距由7.5 m渐变至5.0 m，渐变段长度464 m。综合考虑大跨度变截面暗挖隧道地质条件、工程风险、近接构筑物影响及施工难度等因素，将隧道进口大跨暗挖段划分为5个段落，具体情况如图1所示。

2 大跨度软弱围岩隧道变形控制方法

对于大跨度软弱围岩隧道来说，选择适当的施工方法尤为重要，若施工方法选择不当，将会极大促进隧道大变形的产生，隧道施工方法、支护措施以及支护强度将直接决定大变形的发生。

2.1 控制爆破

掌子面前方岩体在未受到施工扰动时，处于初始应力状态。随着隧道的开挖，受掌子面向前推进和隧道爆破开挖的影响，岩体受到扰动，初始应力场的平衡被打破，洞周岩体初始地应力的大小和主应力方向均会在一定程度上发生调整。尤其对于软弱围岩隧道，受开挖影响产生的松动区和塑性区范围较大，围岩的力学参数迅速降低，应力重分布的结果往往会超过围岩的承载力，这也就形成了变形失控的结果。在隧道开挖的过程中采用控制爆破的方式，减小对围岩的扰动，保持围岩的完整程度，对于控制大跨度软弱围岩隧道的变形尤为重要。

图1 进口线间距渐变段平面示意

2.2 多层次强支护

采用多层次强支护施工，先开挖断面并施作相应的支护，紧贴初期支护的松散岩体随着第一层初期支护共同变形，力学参数增长恢复过程相对较慢，形成一定的压密区。随着第二层钢架的施作，初期支护的支护强度大大提高，围岩的变形受到支护反力增强，岩体力学参数被快速提高。随着仰拱施作，初期支护闭合成环，压密区受到的挤压作用力逐渐趋于稳定，围岩变形速率大幅减小，岩体力学参数增长速率逐渐减小，从而围岩与支护体系达到了平衡状态。在整个开挖—支护的过程中，随着围岩变形、破坏的发展，多层次强支护的支护方法将围岩应力向深部进行了转移。

2.3 台阶法施工

采用台阶法施工，隧道断面一次成型，通过加强永久支护的方式控制隧道围岩变形，减少了拆换临时支护的工序。若对大跨度隧道采用分断面开挖时，临时支护的拆除会打破支护结构的平衡，破坏原有结构的应力平衡，不利于充分发挥围岩的自稳能力，对于最终变形的控制，效果并不明显，且临时支护的施作不利于隧道内快挖快支作业。台阶法配合控制爆破+多层次强支护的综合施工技术适用于大跨度软弱围岩隧道的施工环境，可有效控制隧道变形，在确保施工质量的同时，达到了安全且经济的效果。

3 燕都隧道施工方案

3.1 开挖工法

为保证燕都隧道的安全修建，在下穿既有建筑物地段采用三台阶法施工，同时优化上台阶开挖高度，最终上台阶开挖高度4 m，一次开挖2榀钢架间距，中台阶高度3.6 m，下台阶高度3.8 m，中、下台阶一次开挖进尺均为1.2 m，如图2所示。

图2 燕都隧道三台阶法开挖示意(单位:cm)

图3 燕都隧道复合式衬砌断面(单位:cm)

3.2 施工顺序

燕都隧道采用复合式衬砌断面形式，如图3所示，隧道施工顺序为：

(1)开挖上台阶，上台阶高4 m，采取控制爆破+机械开挖相结合方式进行施工，同时加强对燃气管线附近地表的监测。

(2)开挖完成后，安装钢拱架与钢筋网，进行超前支护，喷射混凝土混凝土至设计厚度进行初期支护，最后根据要求施作系统预应力锚杆。

(3)继续开挖上台阶，若下一次开挖上台阶后将与中台阶距离超过5 m，则停止开挖。

(4)开挖中台阶，中台阶两侧错开施工，左右侧纵向间距不小于3 m，中台阶与下台阶纵向间距控制在5～10 m。

(5)施作第二层初期支护，每个循环施作4～6榀钢架，并在拱脚位置处施作锁脚锚杆。

(6)开挖下台阶，下台阶两侧错开施工，左右侧纵向间距不小于3 m。下台阶两层初期支护分层次进行钢架安装，钢筋网安装和初期支护混凝土喷射。

(7)开挖深埋中心水沟，深埋中心水沟一次开挖长度不大于5 m。

(8)开挖隧底，施作钢拱架进行封闭成环。

(9)施作仰拱及仰拱填充。

(10)施作防水及二次衬砌。

3.3 控制爆破方案

燕都隧道实施光面爆破设计，不仅有利于围岩稳定，避免超、欠挖，同时具有减振的作用。为了充分发挥炸药的最大爆破效率和减小对围岩的破坏，周边孔采用小直径药卷不耦合装药结构，并采用导爆索药串引爆。采用的炸药为低爆速(爆速2 000 m/s)或小直径药卷(25 mm或32 mm的药卷)类型，采用这类炸药与这种装药方式就可以达到良好的光面爆破效果。

根据现场实际开挖断面及高度，制定相应钻孔参数，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深20 cm，采用直孔掏槽。严格控制周边眼的装药量，采用间隔装药，使药量沿炮眼全长均匀分布，导爆索起爆(图4)。

图4 炮孔布置示意

4 施工监测及效果分析

4.1 爆破监测

(1)测点处质点振动能真实反映爆破振动对被保护燃气管线的影响。

(2)测点处介质振动须排除其他振动的影响。

(3)在燃气管线附近地面布置测点。

(4)若需获得振动衰减规律，测点至爆源距离按近密远疏的对数规律布置。

(5)根据测振结果来验证控制爆破振动的效果，如出现监测数值异常，应分析原因及时调整。

4.2 变形监测

地面沉降直接在地表布置监测点，通过测量位移监测沉降。

洞内变形监测点的埋设方法和拱顶下沉监测点的埋设方法相同；围岩周边收敛点与拱顶下沉监测点布置在同一断面上，以便进行数据分析。结合监控量测点位埋设要求及现场施工现状，对于三台阶开挖方法，净空变化设置的高度为台阶底以上1.5 m，如图5所示。

图5 隧道监控量测测点布置

4.3 监测结果分析

对隧道开挖爆破进行监测：隧道在不同里程爆破开挖产生的质点最大震动速度均小于5.5 cm/s，满足规范要求，表明燕都隧道施工控制爆破措施有效。

对隧道洞内变形进行监测：洞内变形监测数据最大的位置产生在DK5+080处，最大拱顶沉降为21.9 mm；洞内收敛值最大位置产生在DK4+975处，最大收敛值为26.2 mm。两处围岩均稳定，不影响正常施工。

对隧道地表上方环城公路左右边坡和路肩分别进行沉降观测：其中左侧边坡坡顶累计沉降量最大值1.5 mm，坡脚累计沉降量最大值1.3 mm；右侧边坡坡顶累计沉降量最大值1.4 mm，坡脚累计沉降量最大值1.3 mm；左侧路肩累计沉降量最大值0.4 mm，右侧路肩累计沉降量最大值0.2 mm。根据设计中对周边环境检测项目控制值的要求，周边环境稳定，变形均控制在容许范围内。