山西科技 文章编号：１００４—６４２９（２０１６）０２—０１５５—０４ ＳＨＡＮＸＩ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６年第３１卷第２期 收稿日期：２０１６—０２—０６ 长大隧道软岩大变形施工控制技术 张超 （中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安，７１００２１） 摘要：随着我国铁路客专建设的不断发展，隧道工程已经向长、大、深、 难的方向发展，如何在地质环境恶劣的软弱围岩区修建隧道，控制软岩大 变形，是隧道施工中最大的难题。结合新建吉林至珲春客专工程Ⅵ标后安 山隧道实例，详细介绍了长大隧道软岩大变形施工控制技术。 关键词：隧道施工；软岩大变形；施工控制技术；后安山隧道 中图分类号：Ｕ４５５ 文献标识码：Ａ 新建吉林至珲春客专工程Ⅵ标后安山隧道位于高 沟岭低山丘陵区山麓斜坡地带，坡面地形复杂。在隧道 施工过程中，隧道埋深浅、偏压、围岩软弱且具有膨胀 性，受地表积水、地下水人渗影响大，初期支护后就出 该段隧道穿越地层为第四系残坡积粉质黏土夹碎 石块石、第三系珲春组（Ｅ２—３ｈ）全～强风化砂质泥岩及 砂岩，为膨胀性岩土，具有遇水软化、崩解、膨胀的特 性，受水浸泡后围岩工程性质急剧恶化，造成掌子面坍 塌、初期支护变形侵限、钢架扭曲变形、喷射混凝土开 裂和剥落等问题。现场取芯试验资料显示：砂质泥岩性 地质，呈深灰色、紫红色、褐红色，砂泥质结构，遇水易 软化、崩解，具有中～强膨胀性；自由膨胀率为１０％ 现严重的大变形情况。为了保障工程质量和人身安全， 我们根据工程情况，探索了经济合理的治理措施，达到 有效控制软岩变形及快速掘进的目的，保证了工程施 工的顺利进行。 １工程概况 后安山隧道位于吉林省图们市嘎呀河东岸，设计 为双线隧道，起讫里程ＤＫ３０６＋０２９一ＤＫ３１２＋５８０，全长 ６ ５５１ ｍ。其中，Ⅱ级围岩段长６２５ ｍ，占９．５％，Ⅲ级围岩 段长３ １７５ ｍ，占４８．５％；１Ｖ级围岩段长７２５ ｍ，占 ４０％，平均值２４％；含蒙脱石１２．４２％～４９．８７％，平均值 ２５．８６％；阳离子交换量１ ８２．９４ ｍｍｏｌ／ｋｇ～４０２．５５ ｍｍｏｌ／ｋｇ， 平均值２７３．８６ ｍｍｏｌ／ｋｇ；吸水率２７．８１％～４７．３３％，平均 值３４．５６％。砂岩性地质，呈灰黑色、深灰色，泥质胶结， 中、细粒结构，遇水易软化、崩解，具有中～弱膨胀性；自 由膨胀率９％￣４０％，平均值１７％；含蒙脱石４．０４％～ １１．１％；Ｖ级围岩段长２ ０２６ ｍ，占３０．９％。 ２６．２６％，平均值１ ２．７９％；阳离子交换量１ ２３．６２ ｍｍｏｌ／ｋｇ～ Ｔａｌｋｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃａｂｌｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｄｅｓｅｒｔ Ａｒｅａｓ ＸＵ Ｌｉｙａｎ ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｂｌｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔｓ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｂｅｓ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｂｌｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｄｅｓｅｒｔ ａｒｅａｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｔｃ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｂ］ｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ；ｄｅｓｅｒｔ ａｒｅａ １Ｓ 张超长大隧道软岩大变形施工控制技术 本刊Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｘｋｊｚｚｓ＠１６３．ＣＯＩＩＩ 应用技术 ３ １２．０６ ｍｍｏｌ／ｋｇ，平均值１９９．０６ ｍｍｏｌ／ｋｇ。 隧道软岩地层段采用三台阶预留核心土法开挖。 设计采用的支护参数：拱墙喷射Ｃ３０混凝土，厚度２８ ｃｍ，仰拱喷射Ｃ２５混凝土，厚度２８ ｃｍ。ｄ ８ ｍｍ钢筋 网、网格间距２０ ｃｍｘ２０ ｃｍ，拱部设ｄ ２２ ｍｍ组合中空 锚杆，锚杆长４．０ ｍ、间距１．５ ｍｘ１．５ ｍ（环×纵），边墙设 ３．１．２地下水 地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。孔隙 水主要赋存于第四系残坡积粉质黏土、粗角砾土中，基 岩裂隙水主要赋存于第三系珲春组砂质泥岩、砂岩裂 隙中。孔隙水和基岩裂隙水均受大气降水入渗补给，水 位及水量随季节变化较大。受地下水渗入影响，围岩呈 塑状黏性土及饱和砂土状。 ３．２浅埋且偏压 ｄ ２２ ｍｍ砂浆锚杆，锚杆长４．０ ｍ、间距１．２ ｍ×１．０ ｉｎ， 梅花形布设，初支设全环１２２型钢钢架，钢架间距０．５ ｍ／榀。 隧道洞身岩层产状：Ｎ５０。～７０。Ｅ／１８。～２５。Ｓ，倾向坡 ２隧道变形特征 ２．１围岩变形特征 （１）变形量大。隧道开挖后围岩变形强烈，日最大 变形量１９ ｃｍ／ｄ，累计拱顶最大下沉１２５ Ｃｌ＇ｌｌ，边墙最大 水平收敛３８ ｃｍ，拱顶下沉大于周边收敛。 （２）变形持续时间长。在初期变形后，变形并未停 止，而在持续发展，拱顶下沉较快。在大变形段，隧道围 岩变形持续时间长。 （３）围岩变形具有阶段性。根据监控量测数据显 示，上台阶开挖拱顶下沉占总量的３８％左右，中、下台 阶和仰拱开挖占拱顶下沉量总量的４２％，上、中、下台 阶和仰拱开挖时产生突变现象，对围岩变形影响很大。 （４）围岩变形不均。隧道围岩左右侧变形不均和不 对称，洞身左侧变形比右侧变形更为严重。 ２．２初期支护变形特征 初期支护后，随着围岩的变形，初期支护边墙开 裂，喷射混凝土剥落掉块，拱顶下沉，初期支护严重变 形破坏，钢架扭曲变形成ｓ状、麻花状，导致初期支护 侵限严重，需要大面积换拱，严重影响施工安全，影响 工期，造成巨大经济损失。 ３隧道大变形原因分析 ３．１水文地质特征 ３．１．１地表水 本段隧道地处斜坡地带，坡面地形复杂，局部反坡 洼地及缓坡平台有积水现象，尤其在春季冰雪融化及 雨季大气降水充沛时段，洼地内常有积水，呈沼泽湿地 状。由于隧道埋深较浅，地表积水易沿围岩松动裂隙人 渗，对施工的影响较大。 １５６ 面，隧道开挖后首先导致洞身内壁的软弱岩体产生不 均压缩变形，从而为上部岩体提供变形空间，上部浅表 层岩体将产生由ＮＥ向陡缓结构面构成的阶梯状滑动。 上部岩体的变形将使隧道初期支护及洞身外壁岩体承 受更大的应力，当变形累计到一定程度时，隧道初期支 护及洞身外壁岩体将会产生破坏，造成隧道大变形。偏 压造成左侧变形较右侧更为严重。 ３．３岩体特征 膨胀性岩土，具有遇水软化、崩解、膨胀的特性。岩 土膨胀的实质是由所含黏土矿物的亲水性造成的。相 关研究显示：蒙脱石具有巨大的膨胀能力，其次是伊利 石。当蒙脱石达７％以上或伊利石达２０％以上时，软岩 即具有明显的胀缩特性，且其含量愈高胀缩率愈大。所 以膨胀岩开挖后产生了较大的塑性变形。 ３．４开挖扰动 隧道在开挖前岩体处于三向受力的应力环境，处 于稳定平衡状态。隧道开挖后，岩体原有天然受力状态 遭到破坏，引发围岩应力状态重新分布，一部分应力以 变形的形式释放，另一部分则向围岩深部转移，发生应 力重分布和局部区域应力集中，并不断调整以期达到 与当前环境相适应的新平衡状态。开挖卸荷导致应力 重分布，局部应力集中，隧道围岩开始变形，随着时间 的增长和开挖扰动的影响，变形不断增加。 ３．５支护强度弱且施工方法不当 许多工程实例证明，由于设计初期对围岩变形认 识不足，采用的初期支护参数较弱（超前预支护弱、系 统锚杆短、钢支撑弱、预留变形量小等），导致围岩变形 大，造成初期支护破坏。同时，施工时开挖台阶过长，初 期支护不能及时闭合成环，仰拱、二次衬砌施作滞后等 也对围岩变形影响显著。 张超长大隧道软岩大变形施工控制技术 本刊Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｘｋｊｚｚｓ＠１６３．ｔｏｍ 应用技术 ４隧道大变形施工控制技术 隧道在埋深浅、偏压、围岩软弱且具有膨胀性的作 定。 （４）控制要点。高压旋喷桩施工前认真做好试桩工 作，确定合理的施工技术参数和浆液配合比。钻机放置 要平稳、水平，钻杆的垂直度偏差不大于１％～１．５％，钻 头对准孔位中心，严格控制孔位偏差。旋喷注浆应自下 而上均匀提升，钻杆分段提升的搭接长度不得小于１０ ｃｍ，以防止出现断桩。在旋喷注浆施工过程中，出现机 用下，其拱顶及两侧易发生破坏。为了抑制这种破坏， 首先尽量排除地表水及施工用水对膨胀岩土的影响， 同时隧道暗洞开挖前在地表进行预加固处理，以提高 围岩自身强度和整体性；其次，通过调整提高支护系统 刚度、支护结构形式和支护时间等，控制变形。 ４．１地表排水 膨胀岩隧道浅埋段易出现地表开裂现象，在降水 的影响下极易对隧道造成破坏。因此，应先施作洞顶完 善排水沟，截流山体坡面水进入洞身开挖区，然后排除 反坡洼地内形成积水，夯填隧道顶的大坑槽和洼地，避 免积水下渗。 ４．２施工排水 因为膨胀岩体具有吸水膨胀、失水收缩的特性，所 以在施工过程中加强现场排水管理非常重要。施工时 严格管理洞内施工用水，及时引排洞内渗水积水，防止 施工用水和水汽浸人岩体。特别是拱脚、墙脚不得积 水，以防拱脚、墙脚基础遭水浸泡软化。对于地下水丰 富地段，采取全断预注浆封堵；对于洞内渗漏水点，及 时施作盲沟或采用弹性软式水管，将水引入排水沟，排 出洞外。 ４－３地表高压旋喷桩预加固及止水处理 （１）处理方案。隧道开挖前在地表采用高压旋喷桩 （二重管法）对洞身穿越区域软弱围岩进行预加固、止 水处理，增强围岩自稳能力。具体做法如下：一是平整 洞顶加固区施工场地，修建排水系统，严禁施工场地积 水。二是沿隧道边墙开挖轮廓线外左右侧各设置２排 ｄ ６０ ｃｎｑ高压旋喷桩，间距４０ ｃｒｕｘ４０ ｃｍ，交错布置，桩 底标高至隧道仰拱开挖底面，对初支拱脚部位重点进 行加固。２排高压旋喷桩，纵、横向均应咬合，以利于控 制拱脚的沉降。三是沿隧道边墙开挖轮廓线以内范围 设置ｄ ６０ ｃｍ高压旋喷桩，间距８０ ｃｍｘ８０ ｏｍ，梅花型布 置，旋喷加固范围为隧道拱顶６ ｍ至开挖上台阶底部。 （２）机具选择。高压旋喷桩机具采用二重管旋喷机 具。 （３）浆液配比。浆液材料采用４２．５级普通硅酸盐水 泥，水灰比为１～１．５，施工中通过现场试验进行调整确 械故障中断旋喷注浆的桩，必须重新钻至桩底设计标 高后，再重新旋喷注浆。严格按试桩选定的浆液配合比 制作浆液。 ４．４提高支护系统刚度及整体受力性能 （１）提高支护系统刚度。原设计初期支护采用全环 Ｉ２２ａ型钢钢架，钢架间距０．５ ｎ１／榀；拱墙喷射Ｃ３０混凝 土，厚度２８ ｃｍ，仰拱喷射Ｃ２５混凝土，厚度２８ ｔｉｎ。开 挖后发生大变形，钢架严重变形扭曲，喷射混凝土产生 开裂、剥落掉块，初期支护发生结构性破坏，无法保证 施工安全。因此，将原设计Ｉ２２ａ型钢钢架调整为Ｉ２５ｂ 型钢钢架，钢架间距维持原设计５０ ｃＩＩ１／榀，初喷混凝土 厚度由２８ ｃｍ调整至３２ ｃｍ，提高支护系统的刚度和强 度，以减小围岩变形。 （２）加强支护体系整体受力能力。隧道支护系统是 指支护结构和周边围岩共同组成承载体系，通过超前 预支护、注浆加固提高围岩自承能力，加强钢架纵向连 接提高支护结构整体强度，从而加强支护体系整体受 力能力，达到控制大变形的目的。提高支护体系整体受 力能力具体措施如下：一是隧道拱部设置ｄ ４２ ｍｍ超 前注浆小导管配合ｄ ８９ ＩＴｌｍ管棚进行超前支护（ｄ ８９ ｍｍ管棚环向间距３３ ｃｍ，每环单根长度１０ Ｉｌｌ，纵向搭 接不小于３ １ＴＩ）；二是相邻钢架间上、中、下导拱脚上４０ （３ｍ处，设置Ｉ１６型钢进行纵向联结以增强拱脚处纵向 连接强度；三是初支完毕后及时进行初支背后充填注 浆，浆液采用普通水泥砂浆。 ４．５初期支护快速封闭成环 隧道采用三台阶预留核心土法施工，在保证台阶 稳定的情况下，尽可能缩短台阶长度，加快工序衔接， 缩短工序间距，使支护结构快速封闭成环，控制围岩变 形。要求仰拱紧跟下台阶，距离掌子面不超过２０ ｍ；及 时施作仰拱，可有效减缓围岩变形速率，使初期支护及 早闭合成环，承受围岩压力。实践证明，采用短台阶预 １５７ 张超长大隧道软岩大变形施工控制技术 本刊Ｅ－ｍａｉｈｓｘｋｊｚｚｓ＠１６３．ｃｏｒｎ 应用技术 留核心土法施工，可以使支护结构快速封闭成环，对于 ５结论 事实证明，做好以下工作可有效控制长大隧道软 控制围岩大变形具有显著效果。 ４．６减少对围岩的扰动 在施工期间要尽量减少诱发围岩变形的不利因 岩的大变形，保障工程质量及人身安全。第一，隧道开 挖后，及时施作初期支护并封闭成环，各施工工序的距 离尽量缩短，仰拱紧跟，衬砌尽早封闭。第二，开挖后应 及时初喷封闭围岩，减少围岩暴露时间及含水量变化， 素，控制围岩变形发展。具体措施如下：一是采用超前 预支护的辅助工法，主动对软弱围岩进行加固处理，以 此作为超前于预支护的加固措施。二是开挖采用三台 阶预留核心土法施工，机械配合人工风镐开挖，严格控 制每循环开挖进尺（每循环进尺控制在０．５ ｍ），以减少 降低围岩快速风化及膨胀发生的几率。第三，隧道埋深 浅、具偏压、膨胀围岩地段地表采用高压旋喷桩进行预 开挖引起的围岩扰动。三是仰拱开挖一次不超过３ ｍ， 以免开挖进尺过大对围岩产生扰动。 ４．７及时衬砌 加固处理，可有效控制因围岩大变形而造成隧道建筑 物产生变形破坏。第四，施工中严格控制高压旋喷桩的 施工质量，保证桩的完整性和均匀性是加固处理成败 的关键。第五，施工中必须坚持“管超前、严注浆、短开 外、强支护、快封闭、勤测量”的１８字方针。 参考文献 由于大变形软岩隧道沉降量大，收敛速度慢，在收 敛变形速率远未达到施工规范要求时初期支护就已失 稳破坏，因此二次衬砌要及时施作，确保洞身稳定。后 安山隧道进口将１２ ｍ台车改装为７ ｍ，紧跟仰拱施工， 有效地控制了初支变形，取得了很好的效果。 ４．８加强监控量测与超前地质预报 ［１］王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［Ｍ］．北京： 人民交通出版社，２０１０． ［２］张敏，黄润求，巨能攀，等．浅埋偏压隧道出口变形 机理及稳定分析［Ｊ］．工程地质学报，２００８，１４（４）：４８２— ４８８． 加强施工期间现场监控量测与超前地质预报，动 态控制围岩变形。通过对洞顶地表沉降、隧道拱顶下 沉、周边收敛进行监控量测与数据分析，及时调整支护 参数、预留变形量等，为施工提供安全保障；通过ＴＳＰ 超前地质预报、超前地质钻探、红外探测、加深炮孔探 测等多种手段进行综合超前地质预报，预测掌握掌子 面前方地质情况，为隧道开挖采取应对控制措施提供 依据。 ［３］李延春．毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控 制技术［Ｊ］．现代隧道技术，２０１１（２）：５９—６７． （责任编辑：李作者简介：张敏） 超，男，１９７６年生，中铁十二局集团 第四工程有限公司工程师。 Ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｌａｒｇｅ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｆｔ Ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｌｉｎｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｈａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇｎｅｓｓ，ｂｉｇｎｅｓｓ，ｄｅｅｐｎｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｉｅｕｈｎｅｓｓ，ａｎｄ ｈｏｗ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｗｅａｋ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｚｏｎｅ ｗｉｔｈ ｂａｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ．Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｎｅｗｌｙ ｂｕｉｌｔ Ｈｏｕａｎｓｈａｎ Ｔｕｎｎｅｌ’Ｓ ＶＩ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ－Ｈｕｉｃｈｕｎ ｒａｉｌｗａｙ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｌｉｎｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｔｕｎｎｅ１． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ；ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ；ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；Ｈｏｕａｎｓｈａｎ Ｔｕｎｎｅｌ １５８
