天池坪隧道大变形处理技术
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摘 要：天池坪隧道全长14528 m，是新建铁路兰州至重庆线兰州至广元段的一座特长双线隧道，隧道通过主要软岩地层有二叠系板岩夹炭质板岩、三叠系板岩夹炭质板岩、志留系千枚岩夹炭质千枚岩。受软岩的影响，天池坪隧道均不同程度的发生了大变形，拱顶沉降量最大达到400 mm，水平收敛最大达到790 mm。对已发生变形段采取长锚杆、径向注浆、分榀置换钢架等措施进行处理，对未开挖段采取三台阶七步法开挖、加大预留变形量，加强初期支护参数等措施控制隧道变形，保证隧道施工安全。
关健词：隧道 软岩 大变形 处理技术
中图分类号：U451.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0114-05
伴随着国家大规模铁路建设的开始，西北与西南的重要铁路干线，跨甘川渝三省市的交通大动脉兰渝铁路已于2008年9月26日开工建设。兰渝铁路（兰州至广元段）大草滩到陇南之间分布有21座98 km的软岩隧道，在施工中大部分隧道均不同程度的发生了大变形，造成较长段落的初期支护拆换，给施工带来了巨大的困难，提高了工程费用，因此，如何控制及处理大变形侵陷已成为兰渝铁路隧道施工中高度关注的问题。
1 工程概况
天池坪隧道位于甘肃省宕昌县境内，为兰渝铁路兰州至广元段的一座特长双线隧道，全长14528 m。沿线山高沟深，岸坡陡峻，地面最小高程为1350 m，最大高程2980 m，相对高差为1630 m。沿线经过的主要沟谷为：池家山沟、邓桥沟、天池里沟、广坪沟，多为'V'字型沟谷，坡降较大，沟谷中由于河流侵蚀，使得岸坡陡峻，山体陡崖遍布，部分基岩表层风化剥落，形成缓坡。隧道最大埋深1500 m，洞身沟谷中最小埋深86 m（邓桥沟），天池坪隧道共设邓桥沟、天池里沟、广坪沟三个斜井，隧道工程总体交通条件较差。隧道进口1911.776m位于R-4500 m的曲线上，出口617.85m位于R-4500 m的曲线上，其余段落位于直线上，隧道内线路分别为12.8‰、13‰和12.8‰的单面下坡。
2 变形原因分析
2.1 地质原因
天池坪隧道初支变形区域属于西秦岭高中山区，隧道洞身通过的地层主要为第四系地层洪积、坡积粗角（圆）砾土、碎石土、三叠系砂岩、二叠系板岩夹炭质板岩、三叠系板岩夹炭质板岩、志留系千枚岩夹炭质千枚岩（图1）为主。隧道地下水类型主要为松散层孔隙潜水、基岩裂隙水、灰岩岩溶水等。在施工过程中，开挖岩体后，岩体破碎，褶皱较发育，风化并遇水膨胀、导致初支钢架产生较大变形并已侵入二衬限界，而且在DK286+128～DK286+173段初支变形最为严重，拱顶沉降量最大达到400 mm，水平收敛最大达到790 mm。
2.2 施工原因
由于对二叠系板岩夹炭质板岩、三叠系板岩夹炭质板岩、志留系千枚岩夹炭质千枚岩等岩层认识不到位，而且在施工时围岩渗水点较多，导致岩体遇水膨胀；另外由于阶及下台阶在落底接钢架时，使上导的钢架悬空；以及在开挖仰拱初期支护时，两侧初支边墙脚最薄弱。这些施工因素导致初期支护产生了变形。
2.3 设计原因
天池坪隧道实际地质与图纸设计地质相差甚远。设计方面对这种软弱围岩的认识不够，围岩的设计支护参数远远满足不了现场的实际情况。还有就是围岩软弱破碎，钢架的锁脚锚杆起的作用不大。
3 变形处理技术
天池坪隧道初期支护发生变形后，针对围岩量测结果，我单位对已发生变形的初期支护区域采取了锚杆加长加密、边墙脚钻孔排水减压、径向注双液浆、分榀置换钢架的处理技术，对未开挖段采用了三台阶七步法开挖、加大预留变形量、初期支护参数加强、加大围岩量测频率、缩短隧道安全步距等处理技术。
3.1 初支发生变形后的处理技术
3.1.1 锚杆加长加密
在换拱前，对已变形初期支护进行锚杆加长加密处理，锚杆长度曾至6m，这样就避免压浆及置换过程中原有初期支护钢架发生失稳现象。
3.1.2 钻孔排水减压：
变形的初期支护区域喷射砼表面潮湿并多处渗水，由此判断其后应该有大量的水，由于初期支护形成了不透水层，水在钢架背后形成压力。所以，在距离仰拱顶面1～2 m处以及初支渗水处钻2 m深的排水孔（见图2）将水排出，这对已变形的初支减轻其后的压力是非常有利的。
3.1.3 径向注双液浆
初期支护发生变形一个重要的原因就是围岩软弱破碎、遇水膨胀。通过注浆的方法，使破碎的围岩形成一个整体，成为稳定的压力环。注浆采用Φ42 mm，L=4.0 m长径向小导管注浆，小导管采用钢花管（图3），环向间距1.0 m，纵向间距0.8 m，梅花形布置，在每榀初期支护钢架与小导管连接处将小导管与钢架锁死，以保证在开挖拆除拱架时拱架的稳定。浆液采用1∶1∶0.5双液水玻璃浆，注浆压力：0.5～1.0 MPa。注浆完毕后等待4 h后方可进行拆换钢架的施工。
3.1.4 拆换钢架
在注浆完成并终凝后，就应该开始拆换钢架，拆换钢架时应先拱后墙、从内向外逐环进行，置换完一榀方可进行下一榀拱架置换的原则进行施工。在换拱部前应先对下导部分进行回填处理，保证下导的稳定以及对围岩的支承作用。
拱完毕后，对更换的拱架与先前更换的拱架（或没有侵限的拱架）之间进行挂网、并及时喷射混凝土，并及时施作锚杆，使更换完的拱架及早受力，降低安全风险。衬砌应紧跟置换段，保证置换部位不发生变形，避免二次拆换。
天池坪隧道DK286+128～DK286+173段拆换处理时将喷射混凝土有原设计的25 cm调整为27 cm，预留变形量又原设计的9 cm调整为15 cm，同时将工字钢由原设计的1 m/榀I18调整为0.8 m/榀I20b，支护参数由原先设计的Ⅳ级围岩加强调整为Ⅴ级围岩复合。按照调整后的参数进行重新支护后，变形趋于稳定，未发生过较大变形。
3.2 防止大变形的处理技术
3.2.1 三台阶七步法开挖
针对隧道围岩的现状，天池坪隧道采用三台阶七步法的施工方法进行开挖施工，开挖支护进尺不大于2榀钢架间距，开挖时尽量减少对围岩的扰动，缩短围岩暴露时间，及时的进行支护作业。三台阶七步法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。
3.2.2 加大预留变形量
在图纸原设计中Ⅳ级围岩预留变形量为9 cm，Ⅴ级围岩预留变形量为13 cm。图纸设计的预留变形量已不能满足现场施工的需要，经过对变形区域围岩量测资料的分析，我施工单位提出将此类软弱围岩的预留变形量调整为40 cm（断面图如图6断面所示），也就是将初支的外轮廓线扩挖40cm，保证在浇筑二衬拱墙混凝土时，初支不会侵入拱墙的范围内，从而保证拱墙混凝土的设计厚度。预留变形量也不是一城不变的，是根据围岩量测资料随时变化的。以DK286+420段的围岩量测资料为例，来看看初支随时间的变化情况。
通过对表1、图4的分析，把预留沉降量变为40 cm是可行的。虽然放大设计的轮廓线会增加工程的投资，但比起后期处理变形所发生的费用，是不值得一提的。
3.2.3 加强初期支护参数
由于隧道工程未知因素太多，部分初期支护发生变形与支护参数太弱有一定的关系，通过对现场实际软弱围岩的分析，加强初期支护的参数是势在必行的。天池坪隧道加强初期支护的措施有：
加厚喷射混凝土、加大钢架型号及缩小钢架间距、锚杆加长加密、钢筋网与钢架连接筋双层布置，锁脚锚杆换成6.0 m长φ42小导管等措施。
由表2、图5～图6可以看出，变更后的参数比设计要加强了许多，在天池坪隧道后续的施工中，按照初期支护加强参数施工的地段，未在出现大的变形，施工正常。DK286+520就是按此加强参数施工，从它的围岩量测资料（图7～图11）可以看出，初期支护变形都在可控范围内，可见加强初期支护参数是非常可行的。
3.2.4 加大围岩量测频率
采用喷锚构筑法修建的隧道，围岩量测是施工工序中不可缺少内容，它不仅监测各施工阶段围岩和支护动态，确保施工安全。而且可为调整初期支护设计参数，确定二次衬砌和仰拱的施作时间。同时，积累的围岩量测资料为以后同条件下施工隧道提供了参考。天池坪隧道的围岩量测测点布置如图12所示。由于天池坪隧道的围岩状况不好，所以纵向量测断面间距按5 m布置，量测频率为1～2次/d，根据围岩变化情况可以适当加密，每天量测的数据及时进行整理和分析，发现异常立即采取措施进行处理，不能让初支侵入二衬拱墙范围内。
3.2.5 缩短隧道安全步距
隧道的安全步距是指仰拱和二次衬砌距掌子面的距离。业主与监理单位规定仰拱距掌子面的距离不大于50 m，二次衬砌距掌子面的距离不大于90 m。针对天池坪隧道软弱围岩现状，我单位将仰拱距掌子面的距离变为不大于35 m，二次衬砌距掌子面的距离变为不大于70 m作为施工准则，仰拱紧跟掌子面，这对控制隧道初支变形也起到了举足轻重的作用。
4 结语
天池坪隧道于2009年3月开始施工，由于我单位对软弱围岩认识不足，从而导致初期支护157m发生的大变形，初支侵入二衬拱墙内，直接导致天池坪隧道进口工区停工并且花了3个多月的时间去换拱，增加了工程费用。所以，在隧道施工中必须注重对大变形的处理技术。上述大变形处理技术，是采用了三台阶七步法开挖、加大预留变形量、加强初期支护参数等措施来实施控制，并且这些措施在实际的施工中易于操作，对工程的质量、进度、安全都有充分的保证，并为同条件下的隧道积累了成功的施工经验。本文对隧道大变形处理技术只进行了简要介绍，供参考，不妥之处望兄弟单位批评指正。
参考文献
[1] 铁道部经济规划研究院.铁路隧道工程施工技术指南[M].北京：中国铁道出版社，2008.
[2] 石家庄铁道学院.隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2010.
[3] 西南交通大学.隧道工程地质[M].北京：中国铁道出版社，1991.
[4] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至重庆线兰州至广元段施工图.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.