谷竹高速青峰隧道软岩大变形控制技术研究

刘秀芝

【摘 要】谷竹高速公路青峰隧道为膨胀性构造偏压软弱围岩隧道,施工中多次出现险情,后经实践验证及多方论证,采用“刚柔结合、加强支护整体性、加强超前支护、加强锁脚支护、控制性注浆加固”的控制理念,结集“跳跃式”刚柔结合拱架支护技术、“整体式”刚性锁脚支护技术、无损伤“密棚式”超前预支护技术、控制注浆技术于一体,成功地突破了大变形段的施工,化解了施工风险,保证了工程施工的安全和质量.

【期刊名称】《铁道建筑技术》 【年(卷),期】2018(000)007 【总页数】4页(P69-72)

【关键词】大变形;跳跃式;整体式;超前预支护;注浆;刚柔结合 【作 者】刘秀芝

【作者单位】中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安271000 【正文语种】中 文 【中图分类】U455.4

1 工程概况

青峰隧道为谷城至竹溪高速公路重点控制工程，是一座分离式双向四车道隧道。左线长1 942 m，右线长1 943 m，最大埋深约164 m。隧道穿越著名地质学家李

四光命名的“青峰断裂带”［1－2］，隧道全长含断裂破碎带520 m，浅埋段340 m。青峰断裂有中风化片岩及千枚岩，有明显构造软弱夹层，围岩破碎，岩体完整性差，开挖自稳能力差。地下水主要为基岩裂隙水，洞室有渗水或滴水现象。隧道顶部开挖易坍塌，侧壁易变形。断层走向297°近直立，由于断层走向与线路呈小角度相交，对隧道稳定造成较大影响。自2010年开工以来，施工过程举步维艰，曾多次出现喷层开裂、剥落，钢架扭曲、折断，变形侵限等大变形现象，最大初支变形达2.4 m，甚至几次出现坍塌险情以及二次衬砌开裂、掉块现象，变形控制过程十分困难。为解决这一难题，经反复试验、论证，最终提出了软岩大变形控制技术。

2 青峰隧道软岩大变形控制技术理念

青峰隧道软岩大变形控制技术采用“刚柔结合、加强支护整体性、加强超前支护、加强锁脚支护、控制性注浆加固”的控制理念。主要采用刚柔结合的型钢与格栅间隔布置支护技术、与钢架连接良好的大刚度锁脚支护技术、避免型钢打孔的无损伤“密棚式”超前预支护技术和可控制性注浆加固技术、型钢纵向连接等，加强支护结构的整体性，控制掌子面围岩稳定和隧道支护结构稳定性，从而实现软岩偏压隧道的大变形控制。 3 软岩大变形控制技术

3.1 “跳跃式”刚柔结合拱架支护技术 3.1.1 “跳跃式”刚柔结合拱架支护技术的提出

由于围岩具有膨胀性，以及受青峰断裂带、地形偏压、构造偏压、地下水、围岩二次损伤等影响，往往导致初期支护开裂、围岩荷载超过型钢的承载能力，从而出现初支大变形、塌方等不良现象。因此，综合考虑后，在青峰隧道施工过程中采用了“跳跃式”刚柔结合拱架支护技术。通过试验对比，现场采用“一榀型钢＋一榀格栅”的支护方式，这样，在抑制围岩大变形方面，既发挥了格栅拱架的柔性支护特

性，又发挥了型钢拱架的刚性特性［3］。 3.1.2 优化拱架参数

采用型钢拱架与格栅拱架间隔布置形式，即“一榀型钢拱架＋一榀格栅拱架”，拱架间距0.6 m。型钢拱架采用 25b工字钢；格栅拱架主筋采用φ28螺纹钢，蝴蝶筋采用φ14螺纹钢，箍筋采用φ10圆钢，主筋截面采用25 cm×25 cm。拱架间距60 cm，喷射混凝土标号为C20，连接筋采用φ22螺纹钢双层八字形连接，间距1 m，采用φ8双层钢筋网，网格间距20 cm×20 cm。 3.1.3 操作要点

（1）加工场地表面用混凝土铺筑。加工场地根据图纸准确测放出 25b工字钢及φ28格栅的大样，用油漆绘出其轮廓线，每隔2 m安装一个定位装置，定位装置要固定，保证安全可靠。钢架按设计尺寸下料分节焊接制作，制作时严格按设计图纸进行，保证每节的弧度与尺寸均符合设计要求。

（2）工字钢各单元之间连接钢板、钢格栅各单元之间的连接角钢按设计尺寸采用数控切割机切割，钢板和角钢预留的螺栓孔采用冲孔机冲孔，其连接材料要符合设计和规范要求加工。

（3）工字钢与钢板、格栅拱架与角钢焊接完成后，进行试拼，其平面扭曲、尺寸偏差、轮廓线偏差均需满足现行规范及设计图纸要求。

（4）拱架间的连接钢筋采用φ22螺纹钢，焊接成内八字，弯角严格按照135°进行加工。

（5）所有半成品都要经过质量检查合格后才能进洞使用。

（6）立架时 25b拱架及格栅拱架交错架立，施工人员根据测量放点，合适后方可焊接；焊接过程全程紧盯，钢拱架应垂直于隧道中线，上下、左右偏差应小于±5 cm，钢架倾斜度小于2°，控制连接筋数量焊接及其网片连接；对法兰盘螺栓连接逐一检查，保证螺栓上紧，法兰盘紧闭。

3.1.4 “跳跃式”刚柔结合拱架支护技术优点

（1）钢格栅与工字钢交替支护，刚柔并济，格栅与混凝土接触面积大、粘结效果好，能够有效控制初支后期变形［4－5］，工字钢前期刚度较大，能够弥补格栅前期刚度不足，形成共同变形，共同受力，减少因纯工字钢支护出现的收缩裂缝。 （2）由于其拱架间空隙大，喷射混凝土密实，其后面不容易出现空洞现象。 （3）格栅拱架受其韧性较好的缘故，达到极限强度后，不会出现拱架脆断等现象，较适应青峰隧道岩体。

（4）如用纯型钢拱架做支撑，在施作超前导管时，需在拱架上割孔，严重影响型钢拱架刚度，但格栅拱架间空隙大，利于施作超前小导管且不影响拱架刚度，避免了纯型钢拱架受割孔造成的整体刚度不足。 3.2 “整体式”刚性锁脚支护技术 3.2.1 “整体式”刚性锁脚支护技术的提出

青峰隧道是典型的膨胀性构造偏压软岩隧道。为解决隧道台阶法施工过程中台阶转换时易发生初支开裂、钢拱架变形、围岩失稳等危险难题［6］，对原锁脚支护进行缺点分析，针对性地进行改进，特提出“整体式”刚性锁脚支护技术［7］。 总体思路为：用大工字钢作为相邻拱架的整体连接，用大孔径、大刚度加长钢管作为锁脚，打设围岩中，使相邻拱架、连接工字钢、大钢管锁脚刚性焊接，从而将初支体系整体性刚性体现，增强初支的承载力。 3.2.2 优化拱架参数

青峰隧道采用三台阶七步开挖法，初支在采用“跳跃式”刚柔结合拱架支护的基础上，锁脚采用φ76注浆导管，外径76 mm，壁厚4 mm，长9 m，主要在上、中台阶底部施作。管壁上每隔15 cm交错布眼，眼孔孔径φ10 mm，每根钢管尾部1.5 m范围不割孔。采用氧气焊加工，钢管底部加工成尖状。连接工字钢采用 20b，腹板厚9 mm，长度等同拱架间距。增加超前导管密度，同时增加刚度，通

过逐步总结将原设计环向间距40 cm的超前导管加密为20～25 cm；原设计纵向间距2.4 m，即4榀拱架一个循环，根据围岩情况改为2榀（1.2 m）拱架一个循环，在格栅拱架处打设，避免了型钢腹板割孔施工。这样整个初支结构连接形成一个整体。 3.2.3 操作要点

（1）“整体式”刚性锁脚支护是将相邻拱架、锁脚钢管有效地组合成一个整体。连接工字钢和拱架之间、锚垫板和钢管之间的接触面都要满焊，保证焊接质量达到规范要求。

（2）通过连接工字钢，保证了拱架间的连接力；通过连接工字钢、锚垫钢板、锁脚钢管，保证了锁脚钢管与拱架的整体性。

（3）台阶转换时不能出现拱架悬空的现象，必要时，施作临时支撑（支撑钢管或下垫混凝土预制块）。

（4）保证锁脚钢管的长度。钻孔要从工字钢预留孔钻入，保证下插角30°～45°，钻孔要及时、连续，按照要求深度进行钻孔，钻孔结束后及时进行钢管安装，防止塌孔。

（5）通过对锁脚锚管的注浆对其周围围岩进行加固，钢管刚度的加强使现锁脚钢管成为大的水泥钢管销钉，插入岩体。注浆泵压力突然升高时，可能发生堵管，立即停机检查，并及时清洗注浆管路；串浆时要及时堵塞串浆孔；注浆压力应符合设计要求，若注浆量超限，还没达到压力要求，就应该调整浆液浓度继续注浆，持压15 min后可停止注浆［8］。 3.3 无损伤“密棚式”超前预支护技术 3.3.1 无损伤“密棚式”超前预支护技术的提出

原设计超前支护的密度、刚度不能满足现场实际围岩需求，通过逐步总结增加超前导管数量。通过增加超前导管数量有效地加强了管棚自身刚度和减少导管之间的空

隙，大大提高了超前支护的承载能力，也增加了软弱围岩的自稳能力，有效地控制超挖欠及滑塌现象。加强超前小导管与“跳跃式”刚柔结合拱架支护技术相结合，在格栅拱架处施工超前小导管，避免了割孔而降低型钢的刚度，并且能有效地将超前支护与初支体系连接成整体，从而形成无损伤“密棚式”超前预支护技术。通过超前加密后有效地控制了塌方及围岩超挖现象，收到了良好的施工效果。 3.3.2 工艺流程

（1）注浆小导管要提前进行加工，即注浆小导管采用φ42热轧无缝钢管，壁厚4 mm，管节长度3.5～4.5 m，管口段0.5 m范围内钢管不开孔，其余部分按15 cm间距交错设置注浆孔，孔径8 mm［9］。（2）在格栅拱架安装完成以后，进行小导管施作。①首先在开挖面拱部测量放线，在设计孔位上喷漆标记位置。 ②选择直径大于导管直径20 mm的钻头进行钻孔，在拱架腹部沿拱架环向周边按仰角10°～15°角度进行钻孔，钻孔深度要根据掌子面围岩确定，且保证足够的搭接长度。

③钻孔结束后进行高压清孔，保证钻孔深度及孔内干净。

④将加工合格的小导管穿过格栅拱架腹部顶入钻孔内，尾部外露20 cm，导管尾部与格栅拱架焊接牢固。 （3）注浆。

①焊接注浆阀门，保证焊接密封并预留排气孔；喷射混凝土封闭掌子面，形成止浆盘；连接注浆设备，调试注浆管路，正式注浆前清洗管内沉淀物。

②注浆由下至上，由两侧至中间进行，将提前配置好的注浆液通过注浆泵的压力，将浆液通过小导管渗透、扩散到岩体孔圈和裂圈中，以改善和增强围岩的力学性能，小导管注浆压力为0.5～2 MPa，注浆过程中注浆压力应逐级缓慢提升；当地下水较大时则压注水泥－水玻璃浆液，水泥浆水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5，水玻璃浓度35°Be，注浆压力不变。

③停止注浆前先关闭压浆泵，再关闭注浆阀门，最后清洗管路。 3.3.3 操作要点

（1）导管注浆顺序要按照先内圈后外圈（在双排孔时），从两侧往拱顶，先注无水孔，再注有水孔，先注小水孔，再注大水孔的原则进行。

（2）注浆过程中认真填写注浆记录，随时分析和改进作业，并注意观察施工支护面的状态。注浆参数根据现场实际情况及时调整。 3.4 控制注浆技术 3.4.1 控制注浆技术的提出

在青峰隧道施工过程中，初期支护出现变形，为了有效加固岩体，保证隧道施工的顺利进行，决定采用添加控制液的控制注浆技术分段加固前方及上方岩体［10－12］。

注浆前，不做封闭，通过专用控制液和专用注浆泵，调节双液浆注入比例，充分发挥围岩自身的止浆作用，及时有效地改变浆液渗透路径，通过反复对岩层的再劈裂、再注浆的过程，达到固结围岩，提高围岩承载力和密实性的效果。 3.4.2 操作要点

（1）用于孔口模袋封孔，注浆孔成孔后，在注浆管端头绑扎能够滤水的模袋，与注浆管一起放入孔中，先用专用工具向模袋中注浆，注浆过程中，浆液水分被滤出，逐渐凝固硬化，并由于模袋的膨胀作用，在孔壁与管壁之间形成预应力，达到牢固封口目的。

（2）控制液保留了水玻璃的速凝、早期强度高的特点，又克服了水玻璃液后期强度低、耐久性差的缺点，与泡花碱相比，速凝速度更快，渗透性更强，早期强度更高，后期强度能达到水泥净浆强度90%，在岩体中形成的浆脉密实、露天不粉化，耐久性好，由于具有早期强度高、硬化快、耐久性、团聚性好、水化过程中大量吸水、不宜被动水稀释分散的特点，因而更能起到加固岩体的作用。

（3）采用控制注浆时，为达到集中高压、集中劈裂固结的目的，须将单孔注浆长度控制在3～5 m范围内。因此，需要单孔分段注浆。分段注浆是用自制分隔器安装在注浆管不同长度位置，注浆时临时堵塞浆液流动而又能方便打通进入下一段位注浆。是用沙袋、钢管、窗纱等物件加工制作，配以模袋注浆封堵技术，一同实现分段注浆目的。 4 结束语

采用“跳跃式”刚柔结合拱架支护新技术后，既发挥了型钢拱架早期承载能力强的优势，又发挥了格栅拱架与混凝土结合良好的优势，很好地控制了围岩变形发展；采用“整体式”刚性锁脚支护技术施工，使初支受力形成整体，减少了局部单点受力带动全面初支侵限的现象，大大增强了支护强度，充分抑制了隧道向净空方向的位移；采用无损伤“密棚式”超前预支护技术可有效减小初期支护拱顶下沉和掌子面纵向位移，对改善拱架及喷射混凝土受力状态作用显著；采用控制注浆技术解决了青峰隧道的初支易开裂、钢拱架大变形、围岩易失稳等问题，初支侵限换拱范围得到明显减少，保证了工程质量和施工安全。

总之，青峰隧道软岩大变形控制技术的采用，改善了围岩条件，加强了支护结构的整体性，体现了“刚柔结合，加强支护整体性”的控制理念，控制效果良好。战胜了青峰隧道复杂地质条件造成的初支大变形等技术难题，保证了隧道初期支护的结构质量，提高了施工进度，为青峰隧道的顺利贯通提供了有力保障。同时，该施工技术在广东江罗高速大石岭隧道、北京兴延高速公路石峡隧道、利万高速磨盘山隧道等工程施工中得到了成功应用，并取得了较好的施工效果。 参考文献

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