新乌鞘岭隧道软弱围岩快速施工技术

黄毅功

0 引言

随着我国铁路建设的不断发展，山区特长隧道的设计与施工越来越普遍，而穿越软弱围岩地层逐渐成为一种常态，如何安全快速地通过软弱不良地层成为参建各方所关注的重点。本文介绍了兰张三四线铁路新乌鞘岭隧道穿越 F4 断层软弱围岩的施工重难点，为同类施工提供参考。

1 工程概况

兰张三四线铁路新乌鞘岭隧道全长 17 125 m，为一座双线一级高风险隧道，是我国第一座越岭选线中利用既有斜井施工的隧道，设计时速 250 km/h，最大埋深 952 m，进口段 1 289.05 m及出口 1 696.13 m 分别位于R-6 000 m 和 R-9 000 m 的右偏曲线上，其余地段均位于直线上，洞内最大坡度为 25 ‰。

2 软弱围岩地质情况

2.1 地质构造复杂

隧道洞身横穿存在复杂高地应力、包含 F4、F5、F6、F7 四条区域压性断层（断层宽度合计 1 587 m）的岭脊宽大挤压构造带（宽度约 8 000 m）。破碎带主要为断层角砾、断层泥和压碎岩，岩体极破碎，围岩由沉积岩、变质岩和软弱构造岩交互构成、由不均匀含水甚至富水的第四系、第三系、白垩系、三叠系、志留系和奥陶系等六套地层构成。

2.2 软弱围岩变形问题

隧道通过的 F4、F7 断层破碎带，志留系板岩及千枚岩在既有兰武二线施工中均存在不同程度的围岩大变形问题。隧道 F4 断层破碎带在施工过程中最大水平收敛达 324 mm；通过 F7 断层时，最大拱顶下沉和水平收敛分别达1 209 mm 和 1 053 mm；在志留系板岩及千枚岩地层中，隧道收敛变形达 500～700 mm［1-2］。

3 施工技术

3.1 施工方案

为有效地控制围岩收敛变形，减少掌子面坍塌掉块风险，确保软弱围岩的快速施工，坚持“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、速反馈、控变形”的施工原则。通过总结新乌鞘岭隧道 F 4 断层的施工经验，形成了一套较为安全可靠、切合该型地层的施工方案，主要方案为：双层小导管超前加固，台阶法施工，上导弱爆破开挖，预留核心土，下导机械错挖槽口，中部仰拱弱爆破开挖，仰拱初支钢架封闭成环，仰拱快速施工，二次衬砌紧跟施工。

3.2 施工方法及措施

3.2.1 超前支护

F 4 断层内无水段落拱部采用双层Φ42 超前小导管，小导管长 5 m，环向间距 40 cm，内层外插角5°～10°，外层小导管外插角 20°～40°，小导管纵向搭接长度≥1.5 m。采用 YT-28 风动凿岩机钻孔插管，小导管管壁四周按 15 cm 间距梅花形、钻设 Φ8mm 压浆孔，为防止漏浆，管尾端无孔部分长 1 m，管前端锻成铁尖，尾端焊上Φ6 mm 钢筋加劲箍，导管顶入长度不小于钢管长度的 90 %。注浆前对开挖面喷射厚 3～5 cm混凝土封闭，采用注浆机注入水泥浆，水泥浆水灰比在 0.5～1.0 之间调节，液浆由稀到浓逐级变换，即先注稀浆，然后逐级变浓至 1.0 为止，由两侧对称向中间进行，自下而上逐孔注浆，出现窜浆或跑浆时，采用间隔注浆。注浆压力控制在 1 MPa 内，注浆达到设计注浆量和注浆压力时可结束注浆（见图 1、图 2）。

图1 双层超前小导管正面设计图

图2 I-I 剖面示意图

3.2.2 开挖

开挖采用两台阶法开挖，上断面一次开挖台阶高度为 7 m，下断面一次开挖台阶高度 3 m，上下台阶距离控制在 35 m 之内。上台阶预留核心土，采用弱爆破、局部机械配合开挖；核心土高度 4 m，核心土上宽 2 m、下款 4.5 m，核心土四周环形预留高度满足台架就位及拱架安装的施作空间。

上台阶每循环进尺控制在 0.6～1.2 m，不超过 1.2 m 间距；下台阶左右侧错开开挖，错开间距 3～5 m，每循环进尺控制在 1.2 m，采用开挖槽口的形式尽量减小开挖断面，开挖槽口宽度 3.5 m，开挖采用机械开挖，局部配合松动爆破，减少扰动，下台阶开挖支护后及时反压回填拱脚，减少收敛变形；中部岩层采用松动爆破、破碎锤配合开挖，严禁下台阶和中部同时开挖。

下台阶槽口开挖安排在上导开挖打钻期间完成，两道工序错开，在确保上导正常施工的前提下，利用间隙完成左右侧下导开挖和支护，因此下导的开挖与支护不影响上导的开挖与支护是软弱围岩快速施工的关键之一（见图 3～图 5）。

图3 两台阶法横断面图

图4 两台阶法纵断面图

图5 两台阶预留核心土法横断面图

3.2.3 上台阶支护

上台阶拱架采用 I22 型钢，间距为 0.6 m，Φ8 双层钢筋网片，Φ42 系统锚管代替系统锚杆，间距为 1 m 梅花状布置，锁脚锚管直径为Φ42 mm，长度为 4 m，初支厚度为 30 cm。

3.2.4 下台阶支护

下台阶接上台阶拱架，拱架采用 I22 型钢，间距为0.6 m，Φ8 双层钢筋网片，Φ42 系统锚管代替系统锚杆，间距为 1 m 梅花状布置，初支厚度为 30 cm。

3.2.5 仰拱

通过分析监控量测数据发现下导槽口开挖后，相应断面的拱架收敛变形平均为 5 cm，下导中部及仰拱开挖后平均收敛再增大 8 cm，仰拱初支钢架及喷射混凝土完成封闭后，相应断面的收敛值迅速得到了控制，每天平均收敛值≤3 mm，所以仰拱开挖后必须迅速地完成拱架安装和喷射混凝土施工是确保软弱围岩安全通过的关键（见图 6）。

图6 仰拱栈桥侧面图（单位：mm）

仰拱开挖采用跨径 28.5 m 长液压移动栈桥辅助施工，仰拱开挖每循环开挖支护完成 4 m，支护完成后栈桥迁移继续施工下一循环，直至满足仰拱 12 m 为止，通过大跨度栈桥确保仰拱初支和仰拱可同时施工，实现仰拱开挖、初支、仰拱的流水化施工。

3.2.6 二次衬砌

二次衬砌浇筑采用整体式衬砌台车，台车长度为12 m，二次衬砌的浇筑一般在围岩变形基本稳定后施作，但考虑到软弱围岩的受力特点，经设计院以及专家论证后，对于软弱围岩地段的二衬要求提前施作，二衬距离掌子面的距离≤80 m，二衬钢筋采用双层钢筋，环向钢筋为Φ22mm，间距 20 cm，纵向钢筋为Φ14mm，间距 25 cm，二衬厚度为 55 cm，确保衬砌结构足够的强度和刚度，二衬施作完成后，通过对应力元件的检测，发现初支内受力明显趋于稳定，二衬表面未发现结构性裂纹等病害。

4 经验与体会

1）新乌鞘岭隧道地质结构复杂，要实现软弱围岩的快速施工，灵活且稳妥的爆破开挖方法是关键，只要能减少扰动、杜绝拱部塌腔，任何开挖技术均可采用；其次足够强大的支护体系是保证，支护体系的加强可以通过增加型钢尺寸、缩短拱架间距等措施实现。

2）锁脚锚管对抑制收敛变形十分必要，在软弱围岩地段，要适当增加锁脚锚管的长度和数量，长度由设计 4 m 增大为 4.5 m，数量由单侧 2 根增加为单侧 4 根。

3）适当增大预留变形量，确保沉降收敛后净空满足设计要求，减少因侵限造成的拆换拱问题。

4）必要情况及时设置套拱，有效抑制变形趋势。日常要加强监控量测的指导作用，一旦发现局部段落收敛或沉降值持续而未达到控制，要果断采取增设套拱的措施。套拱应采取≥ I22 的型钢，必要时采用H175 型钢，间距≤60 cm，喷射混凝土厚度以有效覆盖拱架即可，待该段仰拱浇筑完成后再对套拱进行拆除处理。

5）按照“设备先进、选型科学、成龙配套、满足需要”的原则，对机械设备进行优化配置，降低风险、提高工效，是实现软岩隧道快速施工的必备条件。

5 结语

新乌鞘岭隧道是兰张三四线铁路的重点控制性工程，也是既有兰武二线乌鞘岭隧道建设完成后的又一条特长隧道，在吸取既有乌鞘岭隧道建设经验教训的基础上，通过合理的资源配置，并加强支护体系和施工工艺的优化，进度指标得到了大幅提高，最终安全高效地实现了软弱围岩的快速施工，也为其他类似围岩的隧道施工提供一定的参考作用。Q