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摘要：为确保软岩大变形隧道的施工安全，提高隧道施工进度，以古夫隧道进口工程为实例，通过地质雷达、TSP等进行超前地质预报，以判定掌子面围岩情况，再通过预应力锚杆加固洞身周边围岩，最后增加预留变形量，缩短台阶长度，减少封闭成环时间。通过现场实践证明，通过以上技术措施可以有效的控制软弱围岩的变形，保证隧道净空满足设计要求。

关键词：高速铁路隧道;软岩;大变形;施工控制

引言

随着中国高速铁路的不断发展，高速铁路隧道施工技术不断进步，隧道线路必将穿越很多软弱围岩，而高速铁路大断面软弱围岩安全快速施工，则是目前隧道施工的一项重要技术。本文以郑万高铁湖北段ZWZQ-9标古夫隧道进口为例，介绍软岩大变形的施工控制技术。

1工程概况

古夫隧道进口位于湖北省宜昌市兴山县古夫镇，出口位于兴山县南阳镇，进口里程D2K577+090，出口里程D2K581+197，隧道全长4107m，最大埋深590m，隧道为越岭隧道，双线合修，单面上坡，纵坡为6.9‰、14‰;全隧除进口D2K577+090～D2K580+328.122段位于半径R=8000m的右偏曲线和出口D2K580+609.6895～D2K581+197段位于半径R=6000m的左偏曲线上，其余地段为直线。隧道围岩较差，多以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，占隧道长度的82%，围岩占比数量表见表1，隧道支护参数见表2。

2现场情况

2.1围岩情况

D2K577+720～D2K578+025段开挖揭示地层岩性为弱风化页岩，深灰色，泥质结构，以泥、钙质胶结为主，薄层装构造，岩质较软，岩层产状差异大，总体倾向右，层理面局部有起伏，节理裂隙发育，岩体破碎;揭示层受构造作用影响明显，多处发育褶皱带，褶皱带岩层节理极发育，岩体极破碎，部分结构面见光滑薄膜，岩石结合差，局部节理密集带有软化现象，揭示掌子面局部潮湿，未见地下水出露，掌子面拱顶围岩稳定性差～极差，开挖坍塌风险高，掌子面围岩典型照片见图1。

2.2变形情况

根据监控量测数据曲线图，隧道沉降及收敛变形较大，初支开裂严重。该段拱顶最大沉降速率29.5mm/d，最大累计沉降量268.2mm;最大收敛速率39.1mm/d，最大累计收敛量322.3mm。部分各代表性监控量测数据如下表：

2.3原因分析

⑴围岩节理裂隙发育，岩体破碎，稳定性差。

开挖揭示围岩为薄层状页岩夹砂岩，页岩为主，节理裂隙发育，本隧道临近新华区域断裂的尾端，受构造影响发育小褶皱，在小褶皱处岩层产状紊乱，岩体破碎，呈碎块状，导致岩层稳定性差，支护变形量大，开裂掉块严重。

⑵施工工序较多，封闭成环时间长。

三台阶施工时，中、下台阶开挖过程中，造成上/中、中/下台阶初支支护钢架基础悬空，虽然设置了锁脚措施并进行了加强，但由于围岩差，围岩压力大，造成每次开挖台阶就有一次变形突变。同时由于三台阶开挖，工序多，落台阶次数多，加之该段围岩软弱、稳定性差，累计变形量较大。累计变形量大又造成围岩松弛区大、围岩压力持续增大，在支护成环前变形基本不能达到一个稳定状态。

仰拱初支施工完成后，收敛数据明显变小趋势，仰拱衬砌施工后逐步稳定。因累计沉降、收敛数据较大，造成封闭成环后初支表面开裂，部分位置喷混凝土剥落掉块。

⑶设计的锚杆为组合中空锚杆和砂浆锚杆，注水泥砂浆，早期强度较低，不能增加围岩的纵向拉力。待砂浆强度起来后，围岩变形已经发生。

2.4现场采取的措施及效果

采用三台阶法施工，施工过程中在每处台阶处增加一组锁脚锚管，锚管采用Ф42长4.5小导管，注1：1的水泥浆，上、中台阶拱脚增加钢垫板，增加措施施工一段里程后，通过数据分析开挖过程中沉降变形量有所减小，但收敛变形量未得到有效控制。

采用三台阶法施工，用I18工字钢增加钢架间的纵向连接和对已施工段进行径向注浆加固，施工一段里程后通过数据分析总结，措施增加后沉降变形量明显减小，收敛变形量有所减小但不明显。

采用两台阶法开挖，缩短初支封闭成环的距离，减少对围岩扰动。拱部采用Ф25预应力涨壳式锚杆代替原设计的中空锚杆，注硫铝酸盐早强水泥浆，增加锚杆的早期强度，加强对围岩的纵向拉力。通过数据分析开挖过程中拱顶沉降和周边收敛值明显减小，因为初支封闭时间缩短，累计变形量大大减小。

3 施工控制技术

古夫隧道进口D2K577+720～D2K578+025段围岩变形较大，开挖后易发生掉块、坍塌、变形等风险。现场需要进一步采取措施加以控制，加快仰拱初支封闭。上台阶控制在8m以内，下台阶控制在5m以内，仰拱初支紧跟下台阶施工，初支封闭成环控制在20m以内，加强衬砌施工，步距控制在70m以内。

3.1开挖施工工法和施工工艺

隧道开挖合理地利用围岩的自承能力，以尽量减少隧道开挖对围岩的扰动为原则，隧道开挖在保证土体相对稳定的前提下应尽量减少工序，缩短工序间距，减少开挖面暴露时间和施工对土体的扰动。

隧道暗挖Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用两台阶法施工，上台阶高度约6m，下台阶高度约5m。首先利用全站仪测量放开挖轮廓线，弱爆破开挖上台阶，之后测量放线架设上台阶初支钢架及设置锁脚钢管，钻设系统锚杆后喷射混凝土封闭开挖轮廓面，待上台阶开挖5～8m后进行下台阶开挖，接下台架钢架，随后喷射混凝土封闭，下台阶初支后，及时施作仰拱钢架，将隧道断面正式封闭成环。两台阶法开挖施工工艺见图2。

3.2支护施工

原设计Ⅳ、Ⅴ级围岩初支预留变形量为10～15cm，该段变形较大，初支预留变形量调整为25～30cm，临时仰拱视监控量测情况设置，各台阶拱脚或墙脚处位移量大于预留变形量的60%时及时增设;支护过程中采用I18工字钢进行纵向连接增加钢架间的整体性;拱部锚杆采用φ25的涨壳式预应力锚杆替代φ22组合中空锚杆，锚杆注浆材料采用硫铝酸盐水泥浆，提高水泥浆的早期强度，浆液水灰比按0.5：1试验，预应力锚杆施工工艺见图3.

3.3径向注浆加固

施工过程中，喷射混凝土在台阶接头处发生开裂，沿隧道纵向发展，局部地方混凝土开裂剥落。

为控制隧道初支变形，遏制裂缝继续发展，在施工段的裂缝两边采用径向注浆钢花管进行补强。钢花管采用Ф42小导管，单根长4m，每道裂缝上、下各设置一排径向小导管，环向与裂缝间距1.0m（2道）×纵向间距1.2m，注1：1单液浆，注浆压力0.5Mpa。

3.3.1钢花管加工

采用热轧钢管加工成花管，以便注浆。小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。小导管中间部位钻直径为10mm的溢浆孔，呈梅花形布置（防止注浆出现死角），间距为15cm，尾部大于1.0m范围内不钻孔以防漏浆。

3.3.2注浆材料及注浆参数

⑴浆液选择：按照设计要求，采用体积比1：1的水泥浆。

⑵注浆参数：根据常规的注浆经验，一般注浆参数初步确定如下：

①注浆扩散半径：拱部为0.5m，边墙及底部为0.65m;

②注浆速度：30～50L/min;

③凝结时间：30″～5′;

④注浆终压：0.5MPa;

⑤配合比：1：1（水泥：水）;

⑥单孔注浆量：以现场试验为准，设计数量为参考。

⑶径向注浆工艺流程如下：

3.4监控量测

施工中的监控量测是施工安全的保障，隧道将监控量测作为工序引入作业循环，测量后及时处理量测数据，并与工程类比法相结合，及时作出评价，优化初期支护参数，实施动态管理。隧道监控量测每隔5m进行布点监测，同一断面上、中、下断面各设置两测点用于围岩收敛量测，拱顶设置一沉降观测点。进一步了解和观察围岩动态发展情况，如有异常情况及时进行上报处理，保证施工安全。

调整隧道施工工法，加强初期支护锚杆早期强度，减少支护时间，缩短初支封闭成环后，监控量测数据显示，隧道在开挖下台阶过程中速率变化较大，初支封闭成环后2～3天数据大幅降低，3～5天后数据趋于稳定，总体变形速率在可控范围内，初支稳定后断面净空满足设计要求。典型断面变形趋势见图5.

4总结与提升

古夫隧道进口累计完成325m的软岩变形段的控制施工，其中V级围岩月进度65m，高于指导性施组45m指标;Ⅳ级围岩月进度90m，高于指导性施组70m指标，可以满足施工要求。

两台阶法较原设计开挖方法，施工进度快，初支封闭成环距离小、封闭时间短，及时形成全环封闭受力，最大日变形量和累计变形量均有减小。两台阶法施工与原设计施工围岩量测对比情况见表4。

5结论与讨论

本文通过对软弱围岩变形地段的施工控制技术的试验，得出以下结论：

⑴增加锁脚锚管和钢拱架垫板，可以一定程度上的控制沉降变形，但对收敛变形控制效果不大。

⑵增加钢架间的纵向连接可以增加拱架的整体连接性，可以有效的控制拱顶沉降变形，但对收敛变形控制效果不大。

⑶施工完后再对围岩进行围岩径向注浆，对变形控制效果不大。

⑷使用硫铝酸盐早强注浆锚杆，可以有效的增加锚杆的径向拉力，遏制围岩的径向变形，从而控制围岩的收敛变形。

⑸薄层状页岩施工过程中主要是开挖中、下台阶过程中变形较大，通过合并台阶，缩短台阶长度，减少对围岩的扰动，加快初支封闭时间，可以有效控制围岩变形，大大减少了累计变形量，让围岩变形在可控范围内。

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