李雪林

(中铁三局集团西南工程有限公司， 成都 610083)

天生桥隧道古溶蚀洼地段初支大变形控制技术

李雪林

(中铁三局集团西南工程有限公司， 成都 610083)

沪昆客运专线天生桥隧道通过古溶蚀洼地段，围岩具有中等～强膨胀性，遇水后发生软化，导致上台阶初期支护产生49 m长、最大4.2 m的沉降量。通过采用在未变形段加强初期支护强度、增加临时支撑,以及在大变形产生段施工中采用上台阶回填、超前帷幕注浆、初期支护及二次衬砌加强、拱墙径向注浆、拱脚部位锁脚锚管加强、上台阶设置φ32纵向槽钢梁、基底钢管桩注浆加固等综合技术，成功控制围岩变形，顺利通过大变形段，对同类地质条件工程具有重要参考价值。

初期支护大变形； 径向注浆； 帷幕注浆； 钢管桩

软弱围岩隧道开挖过程中易发生大变形等情况，尤其膨胀性围岩遇水后更容易产生大变形。关于大变形隧道理论研究、支护理论、施工技术的研究一直属于该领域的热点和难点问题。关于软岩隧道大变形产生机理和理论分析，孙钧[1]等人提出了高地应力条件下隧道软弱围岩发生挤压大变形的复杂力学行为，归属为变形速率快而收敛速率慢的非线性流变变形。何满潮[2]等人对小变形力学数值方法分析软岩工程大变形问题的合理性问题进行了研究。在软岩大变形隧道的支护理论研究方面，申鹏[3]等人提出了一种环状间隔式衬砌与主动性卸载相结合的永久性支护理念。司贤超[4]认为前人提出的“先柔后刚、先放后抗”的处理原则和理论不适应软岩大变形隧道的控制。在软岩大变形隧道的支护设计和施工中，侯超[5]提出了采用调整隧道边墙曲率，预留变形量、加长中空锚杆、加长系统锚杆、加强单层初期支护的方案等措施，确保施工安全。朱安龙[6]等人提出支护初期维持原支护体系原有支护刚度，在充分发挥支护体支护力的前提下实现大变形让压，以释放围岩压力，提高支护效果，控制围岩及初期支护变形量的观点。在现场施工过程中，针对大变形隧道初期支护的施工控制也采取了诸如超强钢支撑加强支护、注浆加固、扩挖换拱[7-8]等措施。本文结合天生桥软岩膨胀性围岩在开挖过程中出现的长距离大变形(最大值4.2 m)、重复大变形等问题，从大变形产生原因机理、变形控制措施、安全施工等方面进行阐述。目前，关于如此大变形隧道初期支护的控制技术应用等方面的研究也鲜有报道。

1 工程概况

沪昆客运专线云南段天生桥隧道某段埋深约85 m，岩性为玄武岩，拱墙范围为全风化层，仰拱位于弱风化层，属于V级围岩。坡面覆盖第四系全新统坡残积(Q4dl+el)膨胀土。该段为古溶蚀洼地，原始地貌覆盖有一些古冲、洪积的沉积物，为一富水的负地形，既有原来古洼地的沉积风化物和岩浆喷发的火山灰形成的凝灰岩的风化物，也有玄武岩本身风化成土状和角砾状的成分复杂，整体性差。同时该段地表相对为一负地形，有利于降雨下渗，导致该段富水，地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水。坡面坡残积土层、第四系松散土层孔隙水量较丰富。岩体发育的裂隙贯通性好，裂隙水发育。洞身岩溶发育，岩体多破碎，溶洞、溶槽、溶蚀破碎带发育，富水岩体比重含量大，岩溶水极发育。复杂的围岩成分与地下水的软化作用，导致该段塌方和突泥风险较高。

2 初期支护变形产生和发展过程

2.1 首次大变形发生过程描述及变形情况

在D1K 1135+938～939安装上台阶拱架过程中(掌子面里程D1K 1135+939.2)，拱顶不断有土向洞内溜坍。4小时后，D1K 1135+890处裂缝明显变大(长约为3.5 m，宽度约2 cm)，并能清晰的看到D1K 1135+890处初支混凝土在剥落，同时能听到掌子面土体滑塌的声音。掌子面拱架安装完1 d后，监控量测结果显示：上台阶D1K 1135+890～+939台阶面出现隆起，隆起高度1.5 m，D1K 1135+904～+939段初期支护下沉，5 d后最大下沉量达到4.2 m。隧道下沉如图1所示。

图1 隧道下沉示意图

2.2 二次大变形发生过程描述及变形情况

初期大变形产生后，通过进行地质补勘和初步原因分析后，对大变形段采取环向两榀钢架中间施作套拱、槽钢垫板纵向贯通连接钢架、施工锁脚锚管。隧道内钻孔地质柱状图如图2所示。

图2 隧道内钻孔地质柱状图

套拱加固完成后，上台阶施工临时仰拱并进行临时斜撑加固，隔榀支撑，并辅以径向注浆和拱部设置大管棚超前支护、超前小导管注浆后变形区域稳定后进行换拱施工，隧道内临时支撑设计如图3所示。

图3 临时支撑设计图

隧道换拱结束后，继续向前开挖，对洞内的剩余监控量测点进行沉降观测，变形情况如下：D1K 1135+935(下沉24.2 cm)、+930(下沉14.7 cm)、+925(下沉6.1 cm)、+920(下沉0.6 cm)。

2.3 大变形的发生发展主要特点

隧道初期支护大变形发展的主要特点：

(1)变形的速率快：初期支护从产生变形到达到最大值4.2 m的时间为5 d。

(2)波及范围广：变形最大值至初期支护发生裂缝的距离达到49 m长，变形波及范围广。

(3)呈现多次重复发生的特点：首次发生大变形后，通过采取多种组合措施后，变形呈现趋稳状态，待重新进行开挖后，隧道初期支护即产生二次大变形，呈现反复发生大变形的特点，但第二次的变形量较第一次明显变小。

3 大变形产生的主要原因分析

3.1 膨胀性围岩因素

根据地质补勘和超前钻探揭示，该段为玄武岩与灰岩接触带，施工扰动层土体呈软塑～流塑状，该段地层自由膨胀率82%～153%，为中等～强膨胀土。膨胀岩胀缩特性的实质是由于膨胀岩吸水和失水作用而发生的体积变化。

3.2 古溶蚀洼地不良地质因素

地勘资料显示隧道初支大变形段位于古溶蚀洼地揭示范围内。古溶蚀洼地原始地貌覆盖物主要为古冲、洪积的沉积物，且地表相对为一负地形，有利于降水富集，岩浆岩在高温蚀变和后期地下水软化的共同作用下，围岩的完整性、自身支护强度被显著弱化，隧道发生塌方和突泥风险较高。

3.3 水的影响作用

膨胀性岩中的大量膨胀矿物在围岩的破坏区吸收自由水引起膨胀压力，对支护结构产生附加的膨胀性地压，特别是在断层及裂隙发育带，膨胀压力更为严重，岩石表层在开挖几天后即黏土化，丧失大部分强度。

3.4 软岩大变形隧道的支护强度

隧道开挖过程中，由于地应力、膨胀压力等影响，导致初期支护受力过大，已不足抵抗外部荷载，初期支护的承载力不足导致钢架和支护下沉变形，是产生软岩大变形的主要原因之一。

4 变形控制施工技术

4.1 变形段处理技术

(1)下台阶已开挖段采用φ200钢管对拱顶进行竖向支撑，上台阶段初期支护设置临时仰拱及φ200竖向支撑，临时仰拱及竖向支撑纵向间距1 m。

(2)拱墙范围进行径向注浆，以改良拱墙范围内土体。

(3)对变形、侵限钢架进行逐榀拆换，每次拆换不超过两榀。

(4)初期支护采用全环I25a型钢钢架支护，纵向间距0.5 m，拱墙初支预留80 cm变形量，第二层补强钢架根据监控量测适时确定。

(5)钢架每台阶接头处采用4根φ76注浆锚管加强锁脚，长度6 m。

(6)上台阶拱脚位置设置纵向槽钢，槽钢长1 m，满足两榀钢架架设条件，每个接头两侧槽钢底部各设置1根φ76注浆锚管，槽钢与管身之间设置木垫块，确保槽钢平整。

4.2 基底处理

隧底承载力不满足要求时，采用钢管桩注浆加固。加固深度为进入弱风化灰岩0.5 m，仰拱基底范围孔口管按1 m间距交错布置，边墙基底范围按0.6 m交错布置，钢管桩注浆加固施工情况如图4所示。

图4 钢管桩注浆加固示意图

4.3 超前加固

(1)采用洞碴回填上台阶至掌子面段落。

(2)于D1K 1135+933～+937段设置止浆墙，墙身采用C20模筑混凝土，止浆墙内预埋φ133孔口管。

(3)采用超前预注浆对D1K 1135+937～+962段岩体进行超前帷幕注浆加固。注浆加固长度25 m，开挖20 m，预留5 m止浆岩盘。注浆扩散半径2.0 m，孔底间距3.0 m，每循环设置7环注浆孔，共129孔。

4)注浆参数：钻孔孔径φ108 mm，注浆终压不小于8 MPa，注浆材料为硫铝酸盐水泥，水灰比0.8～1∶1。

(5)钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈孔间隔施工，采用后退式注浆。

(6)注浆量：根据地层围岩孔隙率37%～55%，单孔每米设计注浆量4.5～7.0 m3，超前帷幕注浆孔位布置如图5所示。

图5 超前帷幕注浆孔位布置图(cm)

4.4 衬砌加强

该段采用特殊设计衬砌，拱墙厚60 cm，仰拱厚度65 cm，衬砌环向主筋型号为HRB400，仰拱主筋为3根一束，由5束/1 m调整为6束/1 m，拱墙衬砌主筋采用双排钢筋，由10根/1 m调整为12根/1 m。

5 效果分析

通过采用上述措施后，隧道初期支护变形得到有效控制，监测结果表明，沉降变形值及变形速率满足控制要求。

6 结束语

本文通过对软岩大变形段隧道产生大变形原因分析、变形控制措施等的研究和试验，得到如下结论：

(1)膨胀性围岩遇水膨胀作用及围岩承载力不足，是初期支护产生大变形的主要影响因素。

(2)通过上台阶回填后超前帷幕注浆，辅以初期支护及二次衬砌加强、径向局部补注浆、加强拱脚部位锁脚锚管、上台阶设置纵向槽钢梁、基底钢管桩注浆加固等综合措施，可改善隧道初期支护大变形段支护体系的受力性能，改善支护效果，确保施工安全。

(3)在隧道大变形段施工中，加强初期支护，提高基底承载力，在控制软岩大变形方面是有效的。

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(编辑：苏玲梅 张红英)

Technology for Large Deformation Control of Primary Support of Tianshengqiao Tunnel in the Ancient Karst Depression Section

LI Xuelin

(Southwest Engineering Co.,Ltd of China Railway No.3 Engineering Group Chengdu 610083, China)

The surrounding rock of ancient karst depression section where Tianshenqiao tunnel passes through on Shanghai-Kunming Passenger Dedicated Line is of medium to strong expansibility and is softened when the water infiltrates into the rock, which leads to settlement with a length of 49 m and a depth of 4.2 m in the primary support of upper bench. In the section without deformation, the primary support has been strengthened and temporary support has been increased. In the large deformation section, such comprehensive construction technologies have been used as upper bench backfill, advanced curtain grouting, strengthening of primary support and secondary lining, radial grouting in the arch wall, strengthening of locking anchor pipes at the arch foot, setting of φ32 mm longitudinal steel channel beams at the upper bench and grouting strengthening of pipe pile at the bottom of the tunnel. The above measures have effectively controlled the deformation of surrounding rock and ensured the construction of the tunnel is successful in the large deformation section, which can provide important reference for projects under the similar geological conditions.

large deformation of primary support; radial grouting; curtain grouting; steel pipe pile

2016-05-27

李雪林(1973-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)06—0052—04

U452.2

A