高速铁路软弱围岩隧道挤压变形控制技术

摘要:当前，我国高速铁路建设规模日益提高，在规划高速铁路中，有相当一部分比例属于软弱围岩隧道。当隧道处于软弱破碎带时，围岩破碎、稳定性差、围岩偏压等现象普遍存在，支护受力情况复杂，围岩大变形、塌方等工程事故极易发生，给隧道建设带来极大困难。围岩变形是评价隧道围岩稳定性的重要指标，也是隧道设计的基本准则之一。隧道开挖后，围岩变形稳定性大致经历3个阶段:弹性变形阶段、弹性变形和塑性变形共存阶段、以流变为主，流变和塑性变形共存，同时围岩发生损伤、断裂、挤出及膨胀耦合作用阶段。本文主要对高速铁路软弱围岩隧道挤压变形控制技术进行论述，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。

关键词:高速铁路; 变形控制; 软弱围岩; 挤压变形

引言

近半个世纪以来，挤压性大变形一直都是铁路建设领域需要重点解决的技术难题。挤压性大变形多出现在埋深较高、构造应力较大、地质活动历史复杂、岩性多变的区域，体现为围岩在隧道开挖后迅速松散、劣化甚至呈碎屑状或泥状，自稳能力迅速衰减，造成施工中的初期支护大变形、侵限、混凝土开裂、钢架扭曲甚至围岩垮塌等问题，给工期及成本造成严重影响。

1软弱围岩变形的特点

1.1变形量大

隧道开挖后，能够产生显著的塑性变形是软弱围岩最主要的显性特征，往往表现为初期支护严重破裂，如喷射混凝土开裂脱落、钢架扭曲，甚至引起二衬混凝土的开裂。

1.2变形持续时间长

软弱围岩不仅初期变形速度快，而且延续时间长，具有明显的流变特征。众多研究表明，软弱围岩隧道开挖后一段很长的时间内，支护或衬砌上的压力一直在变化，这可解释为软弱围岩蠕变的结果。

1.3压力增长快

围岩变形受到支护约束而产生的压力。除与围岩应力有关外，还与支护时间有关，在很短的时间内，围岩即与支护结构接触产生较大的围岩压力。如果施工方法和支护措施得当，支护封闭后变形就应得到控制；反之，即使支护封闭后，变形还会发展，以致支护发生破坏。因此，掌握施工阶段大变形的发展规律和控制技术，是软弱围岩隧道施工的关键。

2高速铁路软弱围岩隧道挤压变形控制技术

2.1现场控制措施

1)采用双层支护结构，增设临时支护。当遭遇挤压性大变形时，常规喷射混凝土支护可能会出现“柔有余而刚不足”的情况。采用双层支护结构可弥补单层支护的不足，在第一层支护充分变形吸能后用第二层支护对其进行补强，控制围岩变形的进一步发展，实现“刚柔并济，控放结合”的要求。隧道大变形段的双层支护参数为:a.第一层支护:全环H175型钢，间距0.6m;拱墙设φ8@200mm钢筋网;喷30cm厚C30喷射混凝土;b.第二层支护:全环I22a型钢，间距0.6m;喷26cm厚C30喷射混凝土;增设φ22@1000mm纵向连接筋以及4

道I18纵连型钢。此外，为改善支护结构在施工过程中的受力状态，在上台阶和中台阶开挖后分别增设临时支撑以及时形成封闭式结构。上台阶采用I20a工字钢，并喷20cm厚的C30喷射混凝土，形成临时仰拱;中台阶开挖后采用I20a工字钢横向连接两侧钢架拱脚，每2榀钢架施作1榀横撑。2)增加φ42mm小导管替代径向系统锚杆，并采用大直径锁脚锚管。采用小导管替代径向系统锚杆，一方面可以提高锚杆杆体性能，增加锚杆的主动支护力，另一方面可以作为径向注浆加固的通道，增强围岩自承能力，体现了积极主动的支护理念。大变形段采用长度为4.0m的φ42mm小导管，环向间距1.2m，纵向间距1.0m，梅花形布置，打设范围为拱部及边墙。注浆材料为水灰比(质量比)1:1的普通水泥浆，注浆控制压力为1.0MPa～2.0MPa，到达终压后持续注浆10min，并用体积比为1:1～1:0.6的双液浆进行补浆。此外，为应对锁脚锚杆拉断的情况，采用长度为6m的T76自进式锚杆代替原锁脚锚杆，并采用型钢将锁脚锚杆与钢架可靠连接，避免了钢架在挤压性围岩荷载作用下发生整体下沉［1-2］。

2.2红层软岩大变形隧道施工

红层系指侏罗纪到新近纪的陆相红色岩系，在我国西南和中南地区分布较广，其岩石多属于软岩类别，具有胶结性和稳定性差、易崩解软化的特点。隧道地应力过大，而围岩强度过低，经常发生挤压型大变形，施工过程中易发生钢拱架弯曲变形、喷射混凝土剥落，造成初支变形侵限。红层软岩大变形隧道施工时要注意以下几个方面具体内容：（1）加强钢拱架刚度。施工过程中及时调整支护参数，增大拱架刚度，同时缩短拱架间距，增加钢拱架混凝土支垫，用角钢代替钢筋加强钢架纵向连接，采用扩大拱脚法以防止拱架下沉；在隧道两侧边墙增加长径向锚杆，拱部采用双排超前小导管，针对拱顶及掌子面围岩不稳定或掉块情况增加钢筋网片，必要时掌子面喷射混凝土封闭，边墙增加超前水平小导管等方式减小初支变形。（2）加大仰拱曲率。通过分析底板（仰拱）隆起原因，

研究了不同仰拱曲率对隧道仰拱隆起的影响，以弯矩、剪力、轴力、安全系数及仰拱隆起变形量等指标来评判仰拱曲率的合理性，得出最佳仰拱曲率以应对施工中发生的仰拱底鼓病害问题

［3］

。

2.3挤压性大变形控制技术措施

深埋隧道挤压性大变形整体规律为:隧道的初期支护结构受力以压应力为主，拱腰部位的压应力较大，拉应力分布在拱底与拱脚部位;洞周沉降和隆起最大部位是在拱顶和拱底处，水平收敛较大的部位在上台阶，施工时要完成初期支护或采取临时仰拱等补强措施;掌子面的变形速度与挤出变形值很大，施工时可以选择超前预支护和预留核心土法，且核心土尺寸不宜过小。以相对变形和变形量为判断依据，将大变形等级分为四级:严重大变形、中等大变形、轻微大变形、无大变形［4-5］。基于层次分析法和模糊综合评价法建立了深埋隧道挤压性大变形分级标准评价体系，通过MATLAB软件计算各准则层和目标层的权重，计算出围岩物理力学指标、隧道断面形式、初始地应力状态、地下水状态和主要结构面产状的权重值，分析隧道施工评估等级和风险值并进行风险诊断，得出模型的风险值。并对该段采取了所提出的挤压性大变形控制技术措施，通过与隧道现场监测的变形值比较分析，表明所采用措施有效控制了围岩的变形。

结语

软岩大变形隧道施工，最基本作业工序为开挖和支护，开挖扰动地层围岩后，通过施作初支、二衬结构，控制隧道周边围岩力学动态，构筑长期稳定隧道构造物，完成围岩、地下水及周边环境再次平衡，实现“预设计—施工—变更设计—施工—竣工”动态、信息化过程。挤压性大变形的控制理念可总结为“积极主动，刚柔并济，控放结合”，即采用锚

杆、超前小导管等主动支护措施促进围岩和支护结构联合承载，适时施作具有足够强度和适当刚度的支护结构，引导围岩应力释放的同时严格限制过大的围岩变形。通过使用双层初期支护、临时支护、径向小导管注浆、大直径锁脚锚杆、超前管棚和超前小导管注浆，结合预留变形量和二衬施作时机的调整，可有效控制挤压性大变形，避免溜塌、初支侵限、二衬开裂等问题的发生。