单线隧道双层套拱支护施工技术浅析

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摘要:为解决单线铁路隧道初期支护结构施工后所遇到的大变形问题，以丽香铁路中义隧道施工为例，对其变形规律进行统计分析，并通过分析数据，依据设计文件及相关的施工经验，结合现场地质情况，制定了切实可行的施工方案，从而有效控制初期支护变形。

关键词:单线隧道;初期支护变形;双层套拱

1概述

丽香铁路中义隧道位于新建铁路丽江至香格里拉线新尚站—虎跳峡站区间，隧道穿越主要地层岩性为三叠系(Tβ)片理化玄武岩;二叠系虎跳涧区(Pβ)玄武岩夹凝灰岩、下统(P1)大理岩及石炭系(C)大理岩。本区属玉龙雪山强烈隆起区，隧道址区发育5条断裂构造，均与隧道傍行，其中冲江河活动断裂，隧道址区金沙江河谷深切，玉龙雪山强烈隆起，新构造运动强烈、构造应力集中度高、多期岩浆侵入导致区域地质环境复杂，岩体普遍发生变质，完整性差，并且结构面常有绿泥石、蒙脱石等蚀变矿物富集，极大弱化了岩体的强度，造成正常岩体中分布有透镜状软弱夹层。加之受褶皱、断裂及岩浆侵入活动的影响，岩层扭曲变形严重，层间结合性差，多有分离现象，结构面强度处于残余状态。岩体完整性遭受严重的破坏，结构松散破碎。中义隧道在施工过程中受高地应力影响，初支支护施工后发生大变形，变形数据较大，现场根据变形规律进行统计分析，分析数据，依据设计文件及相关的施工经验，结合现场地质情况，采取不同的施工措施，才能有效控制初期支护变形。

2工程概况

新建铁路丽江至香格里拉中义隧道全长14745m，为时速为120km/h客货共线电气化铁路隧道。隧道洞身最大埋深约1240m，最小埋深约37m。全隧道共设有2座横洞，1座平导。其中1号横洞全长193m，采用单车道无轨运输。2号横洞全长460m，采用双车道无轨运输。出口平导长6095．27m，其中洞口段238m采用双车道无轨运输，其余段落采用单车道无轨运输［1］。

3原设计支护参数与现场采取的实际参数

3．1原设计参数

大变形ⅡA型断面施工支护设计参数见表1。

3．2实际支护参数

目前中义隧道2号横洞大里程方向实际采用支护参数为:全环设H175型钢架加强支护，钢架纵向间距0．6m，喷混凝土厚度27cm。钢架间增设纵向Ⅰ14工字钢连接，每环7根，锁脚锚管28根/榀(分别设置于每榀拱架B单元拱脚4根，共8根(上台阶)、C单元拱脚4根，共8根(中台阶)、D单元拱脚4根，共8根(下台阶)，仰拱初支E单元腰部2根，共4根)，4m/根。型钢钢架B，C，D单元增设尺寸为46cm×20cm×1．6cm的锁脚固定钢板，钢板冲孔用于固定锁脚锚管，B单元拱脚增设2块，C单元拱脚增设1块，D单元拱脚增设1块，每榀拱架共计增设8块。为防止拱腰部位(B单元区域)混凝土剥壳掉块，在此区域拱架内外铺设双层φ8mm钢筋网片。为防止掌子面开挖后发生溜坍，开挖后立即进行喷混凝土封闭，喷混凝土厚度15cm。拱部采用设φ42mm小导管超前支护，每根长3．0m，环向间距0．3m，纵向间距1．5m，每环29根。

4初期支护变形的阶段

4．1初期支护发展第一阶段

施工随着隧道埋深的加大(刚开始变形时埋深380m，后面埋深约730m)，掌子面围岩变化频繁，高地应力围岩变形引起初支变形侵限的情况越来越严重，采取大变形ⅡA衬砌断面及加强措施也未能控制变形，换拱频率持续增高，特别在DK42+610～DK42+658段(长48m)初支变形换拱达2次后依然继续变形侵限，该段采用套拱加固，该段已施作的仰拱及填充多处出现环向裂缝，且裂缝还在继续发展，仰拱填充面有明显隆起迹象。该阶段施工工法采用两台阶施工，采用支护参数均为全环设置Ⅰ20b工字钢，纵向间距0．8m，变形预留量40cm，变形后采取了径向注浆加固措施。监控量测数据显示该阶段收敛变形速率平均在50mm/d，平均收敛变形达570mm，最大收敛为1010mm，收敛变形速率达70mm/d。

4．2初期支护发展第二阶段

掌子面埋深约750m，施工工法由两台阶转换为三台阶施工，支护参数采用Ⅰ22b工字钢加工拱架，纵向间距0．6m;变形预留量拱部50cm，边墙到拱腰60cm，环向增加7道工字钢进行纵向连接，在设计基础上增加了锁脚锚管及径向注浆措施，对拱架弧度进行优化，增加上、中台阶拱架脚处的预留变形量15cm。喷混凝土开裂裂缝宽度达到15cm～20cm，纵向变形、开裂长度约10m，线左最大变形83cm，侵限达43cm，现场立即暂停掌子面施工，拱顶最大变形55cm，线路左侧边墙最大变形为此对此段采取全环换拱，期间及时施作初支成环及仰拱、二衬。监控量测数据显示该段阶段收敛变形速率平均在50mm/d，平均收敛变形达450mm，最大收敛变形达783mm，最大收敛变形速率达75mm/d。

4．3初支变形发展第三阶段

目前掌子面埋深约770m，围岩为粉末状玄武岩，稳定性极差，滑塌现象频发;支护参数采用H175型钢加工拱架，纵向间距0．6m，变形预留量50cm，环向增加了7道工字钢进行纵向连接，在设计基础上增加了锁脚锚管及径向注浆措施。监控量测数据显示该段收敛变形速率平均在55mm/d，平均收敛变形达550mm，最大收敛变形达853mm，侵限353mm，最大收敛变形速率达112mm/d;特别在中台阶处位置，初支拱架出现扭曲、挤断、重叠等变形情况严重，该段大部分拱腰位置初支已侵限需要进行换拱处理，特别在中台阶左侧初期支护已变形突出非常严重，有片帮现象，在还没有施工下台阶的情况下中台阶就已经发生变形侵限，为保证施工安全，暂停掌子面施工，进行换拱施工。

5隧道变形段控制调整总体施工方案

5．1总体施工方案

为有效控制变形在原讨论的双层支护方案的基础上增加了缓冲层措施，达到“先放后抗”的目的。1)断面优化:进一步优化断面，加大曲率，增加净空30cm，为补强措施进一步预留空间，同时也为将来运营、维护提供便利。2)双层支护总体方案:全环设置双层拱架初期支护，第一层采用H175型钢，预留变形量40cm，第二层采用Ⅰ20b型钢，预留变形量40cm，从中台阶开始与第一层拱架同时施工，第二层拱架与第一层钢架错开布置。3)先放后抗措施:a．考虑释放应力，在第一层拱架外侧设置一层10cm～30cm厚缓冲层;b．第一层拱架拱顶连接部位增加拱架限阻器，达到减小拱架变形破坏的目的。4)开挖方法:采用非爆开挖，改用大功率铣挖机;按三台阶法、仰拱滞后单独开挖及支护法施工，仰拱初支滞后30m封闭成环。5)钢纤维喷射混凝土:为防止隧道变形初支掉块伤人，提高喷射混凝土的抗拉性能，喷射混凝土采用钢纤维喷射混凝土。6)二衬结构保护措施:为防止初支变形损坏二衬混凝土结构，在初支与二衬之间加设一层5cm缓冲层。

5．2施工参数

1)第一层初支钢架采取H175型钢架，钢架间距0．8m，喷射混凝土厚度25cm，预留变形量为40cm，超前小导管采用φ42mm钢管，单根长为3m，环向间距0．4m;在中台阶进行第二层支护施工，第二层支护采取Ⅰ20b型钢架进行支护，钢架间距0．8m，与第一层支护型钢钢架间隔错开布置，喷射混凝土厚度27cm，预留变形量为40cm。2)初支缓冲层材料采用高密度泡沫板(抗压强度300kPa)，设置部位在边墙至拱腰之间(具体布置位置见图1);该措施主要针对围岩应力释放变形时，先让该缓冲层受力，避免初期支护直接受力，起到初期支护受力开始时间延后，隔离作用，减少初支收敛变形和破坏。在初期支护变形趋于稳定之后，对初期支护进行无损检测及钻孔探测，检查初支背后是否存在空腔，对未完全挤压部位的空腔进行注浆填充处理，注浆材料中加絮凝剂，达到初支背后密实的目的。3)拱架限阻器采用14mm钢板加工，环向宽度40cm，纵向间隔30cm设置一块钢板，限位器长度根据拱架间距而定;主要作用是引导初期支护变形部位进行转移，让收敛变形发生在限位器处，减少其他部位收敛变形量，同时起到释放围岩应力的效果，避免初期支护结构直接破坏;待初期支护结构趋于稳定之后，对阻尼器部位补喷混凝土进行封闭。优化措施:为防止限阻器受压焊接的钢板裂开，中间连接钢板采用“U”型钢，和两侧钢板使用螺栓连接。4)C25喷射混凝土钢纤维每方含量40kg。5)增设纵向连接型钢及锁脚锚管环等措施，加强初支整体稳定性，并应根据现场施工及监测变形情况，适时进行径向注浆加固补强，在第一层及第二层初支之间存在局部超挖的采用喷射混凝土回填密实，第二层支护与衬砌间存在超挖部分则采用同标号衬砌混凝土回填，并将实际补强措施及相关工程量及时找相关单位进行签认，完善动态变更施工的手续。6)监控量测措施:监测项目以收敛变形监测为主，现场结合变形监测结果判断结构的稳定性及可靠性，并适时决定施工第二层支护，第一层支护正常布点，当进行第二层支护施工时，则测点需进行重新埋设，埋设位置同第一层支护埋设位置相同。

6施工工艺与施工方法

6．1施工工艺流程施工工艺流程见图2。

6．2初期支护施工

6．2．1超前小导管支护施工。采用风钻钻孔，注浆泵注浆。小导管的纵向搭接长度不小于设计，严格控制外插角角度，外插角与线路中线方向大致平行，孔位钻设偏差在允许误差范围内。小导管安装完毕后，及时注浆，注浆要饱满，确保施工效果［2－3］。6．2．2型钢钢架施工。1)拱架架立前先用全站仪定出测量导放点，拱顶放三个点，边墙两边各放一个点，拱脚位置导放点放于拱脚上50cm位置，导放点初支面与掌子面两个点的高度必须放在同一高度误差±1cm。2)立架过程中根据测量组点位先定拱脚高度根据测量组中线点位拉线固定钢架。各节钢架连接钢板以螺栓连接，连接板应密贴。为保证各节钢架在全环封闭之前置于稳固的地基上，安装前应清除各节钢架底脚下的虚渣及杂物。拱脚每侧安设2根锁脚锚杆将其锁定，锁脚锚杆应于距拱脚30cm左右位置施作，且必须与拱架成大约30°夹角向下打设，锁脚锚杆与拱架焊接牢固，拱部钢架基脚处设槽钢以增加基底承载力。3)为保证钢拱架位置安设准确，隧道开挖时在钢架的各连接处预留连接板凹槽。初喷混凝土时，在凹槽处打入木楔，为架设钢架留出连接板(和槽钢)位置。4)为使钢架准确定位，架设钢架时打设定位钢筋进行拱架定位。6．2．3钢筋网铺设。钢筋网在钢构件加工厂分片制作，安装时搭接长度不小于一个网格。钢筋网在锚杆施工后铺挂，临时固定采用冲击钻钻孔，埋设土钉的方式进行临时固定，随初喷面的起伏铺设，与初喷面密贴，钢筋网与锚杆连接要牢固，喷射混凝土时不晃动，搭接采用扎丝绑扎或电焊焊接。6．2．4锚杆施工。钻孔前在初喷面上根据设计图纸标出每根锚杆的位置，采用风动凿岩机成孔;按照设计间距布孔;钻孔方向尽可能垂直结构面或初喷混凝土表面，钻孔完成后，孔里石粉用高压风、水冲洗干净。用注浆机注入浆液，然后插入锚杆，安装锚杆时，要在锚杆上做出孔深标记，确认孔里浆体饱满后，将锚杆体缓慢均匀推入，保证浆体完全包裹锚杆。将锚杆与钢架或连接筋焊成一体，以增加支护整体受力。锚杆杆体安装完成，且锚固强度达到设计要求强度时，安设垫板，上好螺母并拧紧，锚杆垫板与喷混凝土面密贴，以保证锚杆受力良好。6．2．5喷射混凝土。隧道初喷采用湿喷工艺。喷射混凝土由拌合站集中拌制，混凝土罐车运输，根据设备配置采用湿喷机进行作业。在喷射混凝土之前，对基岩面进行彻底的清理。喷射作业分段、分片、分层，由下而上进行，有较大凹洼处，先喷射填平。喷射完成后应检查喷射混凝土与岩面黏结情况，可用锤敲击检查，确保喷射质量，喷射完成后及时养护。

7监控量测实施方案

7．1监控量测的项目和方法

中义隧道变形主要以收敛变形为主，根据变形收敛数据，及时施作第二层支护。

7．2隧道围岩变形监测

监测目的:隧道开挖后，隧道开始变形，周边收敛点开始变化，拱顶开始下沉，及时进行检测，并对数据进行分析，能够掌握变化规律，便于采取施工措施，确保施工安全［4］。7．2．1测点埋设。收敛测点由基座和反射膜片组成，基座由5cm×5cm钢板及φ16mm的钢筋焊接而成，待掌子面开挖完毕后，将基座固定在初支上或锚固在岩壁上，然后把反射膜片粘贴到基座上面;当进行第二层支护施工时，则测点需进行重新埋设，埋设位置同第一层支护埋设位置相同。拱顶测点由基座和反射膜片组成，基座由5cm钢板及φ16mm的钢筋焊接而成，待掌子面开挖完毕后，将基座固定在初支上或锚固在岩壁上，然后把反射膜片粘贴到基座上面。7．2．2数据采集。数据采集采用收敛仪的方式进行测量，测量后收集准确的数据，及时判断变形数据变化，便于指导施工。

7．3信息反馈

监控量测信息反馈应根据监控量测数据分析结果，对工程进行指导和安全分析，根据结果制定相应工程对策与建议［5］。8结语通过该工程实践，对于单线隧道高应力施工，必须采取强有力的支护措施，才能保证初期支护的效果，在遇到高应力地层时，必须找出变形规律和变化参数，制定切实可行的措施，才能有的放矢，否则就会出现不断的换拱，换拱增加成本，进度、安全也不能保证，该隧道在总结变形规律后逐步走向正常施工，为类似工程提供参考。

参考文献:

［1］中铁二院．新建铁路丽江至香格里拉线施工图变更设计大变形ⅡA型衬砌图:丽香隧变附－03－01［Z］．成都:中铁二院，2018．

［2］中铁二局集团有限公司．铁路隧道工程施工质量验收标准:TB10417—2003［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［3］中铁隧道集团有限公司．铁路隧道超前地质预报技术规程:Q/CＲ9217—2015［S］．北京:中国铁道出版社，2015．

［4］中国铁路总公司．铁路隧道监控量测技术规程:Q/CＲ9218—2015［S］．北京:中国铁道出版社，2015．

［5］中铁二局集团有限公司．铁路隧道施工规范:TB10204—2002［S］．北京:中国铁道出版社，2002．

作者:周伟涛 单位:中国中铁隧道局集团四处有限公司