限阻器施工技术在中老铁路项目沙嫩山二号隧道中的应用

张英达

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024）

隧道在穿越高地应力软弱围岩地层时极易发生大变形灾害，严重增加施工安全风险、滞后施工进度、提高建设投资、增加运营期维护负担。

中老铁路磨万段沙嫩山二号隧道穿越破碎的碳质板岩地层，在施工过程中初期支护变形严重、开裂和侵限及其诱发的塌方施工病害严重影响了施工进度和质量，导致安全风险极高。本文依托中老铁路沙嫩山二号隧道施工中产生的塌方及初支侵限换拱，提出采用限阻器施工技术解决侵限换拱问题，为其他软岩大变形隧道开挖支护施工提供新思路。

1 工程概况

1.1 工程概况

沙嫩山二号隧道进口里程为DK209+505、出口里程为DK211+595，隧道全长2090m。为单线铁路隧道，设计行车速度160km/h。隧道为上坡，纵坡为5.5‰和1‰。DK209+230.747～DK209+645.362 段位于R=9000m 的曲线 上 ，DK210+653.997 ～DK210+958.036 段 位 于R=11000m 的曲线上，其余地段均为直线。DK209+505～DK210+990 为单线隧道，DK210+990～DK211+595 为双线隧道。隧道进口接沙嫩山二号中桥万象端桥台，出口接沙拉巴土三线大桥磨丁端桥台，最大埋深约635m。进口段作业面施工任务为1000m，出口段为1090m，利用5#拌和站至森村隧道的施工便道，作为材料运输和隧道施工通道。

1.2 工程地质与水文地质

隧道属构造剥蚀中高山地貌，地形起伏较大，地面高程440～680，相对高差大于100m。受区域构造影响，次级断层发育，隧道发育有沙嫩山2#断层（DK209+865），洞身岩性产状变化较大。地下水以基岩裂隙水为主，局部为岩溶水。洞身围岩岩质软硬不均、节理裂隙发育。设计不良地质为：滑坡、岩溶。分布于隧道进口端DK209+420～+650 左侧90～370m，轴向长约290m，滑体厚5～25m，物质主要为粉质黏土、碎石土，为中型切层滑坡。分布于线路左侧70m 以外，对隧道主体工程无影响。隧道通过石炭系板岩加砂岩、泥灰岩，泥灰岩为夹层，分部无规律，属可溶岩。岩溶一般不发育，但不排除局部发育的可能，隧道开挖可能岩溶涌水，突泥的危害，对隧道施工影响较大。

隧道地表水为山间槽沟流水，受大气降水补充，地表水不发育，水流流量受季节及降雨影响明显，地下水为第四系覆盖层孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶水，隧道洞身地段岩性主要为板岩夹砂岩、泥灰岩，基岩裂隙水较发育，局部岩体破碎和可溶岩地段含水量丰富。预测隧道一般涌水量为4800m3/d，雨季最大涌水量为5800m3/d。

2 隧道施工遇见的变形及换拱

2017 年10 月2 日在施工过程中DK209+643.5～DK209+653 段9.5m 范围左拱腰部位挤压变形，拱部发生坍方；2018 年2 月1 日DK209+658～DK209+676 段线路左侧拱部及边墙发生变形坍塌，如图1。

图1 初期支护大变形破坏现象

当遇见变形塌方后，对DK209+643.5～DK209+653段、DK209+658～DK209+676 段左、右侧拱腰及边墙处进行换拱。

3 限阻器施工技术

为了解决初支后大变形问题，以蒙华铁路阳山隧道的大变形治理为工程借鉴，并邀请到西南交通大学仇文革教授团队进行指导，基于阳山隧道“直板式限阻器”方案，对其在工作过程中出现的竖版弯曲方向不一致的问题进行优化，最终确定为“两台阶+弧板型限阻器”的治理方案。最终有限解决了沙嫩山二号隧道大变形换拱难题。

3.1 限阻器支护结构

限阻耗能型支护由原初期支护和弧板型环向限阻器组成，根据工程特点，分别在左右拱腰和边墙处设置4 处环向限阻器（图2）。限阻器在工作前期限制结构内力，让结构内力在达到一定水平时不再增长，以保护钢架和喷射混凝土不受破坏，并通过大行程的压缩变形释放围岩压力，最终达到预定目标后压实或封闭限阻器，支护又变回刚度和强度均较大的刚性结构，为后期的稳定工作提供安全储备。

图2 限阻耗能型支护示意图

3.2 施工步骤

3.2.1 隧道开挖施工步骤

（1）上台阶爆破开挖。

（2）打设定位筋，铺设钢筋网，架立上台阶钢拱架;安装左右拱腰限阻器，方法详见限阻器施工步骤;台阶分界处打设锁脚锚杆;喷射上台阶混凝土。

（3）下台阶爆破开挖。

（4）打设定位筋，铺设钢筋网，架立下台阶钢拱架；安装左右边墙限阻器，方法详见限阻器施工步骤；墙脚处打设锁脚锚杆；喷射下台阶混凝土。

（5）仰拱开挖，铺设钢筋网，架立仰拱钢拱架，喷射仰拱混凝土。

3.2.2 限阻器施工步骤

（1）工厂中将型钢钢架一端与限阻器配套的接头钢板及连接角钢焊接连接；工厂加工阻尼弧板和连接钢板，焊接成限阻器，运输至施工现场。

（2）立架时，首先将限阻器连接板上的预留孔与钢架接头螺栓孔对齐，螺栓连接二者。

（3）其次，通过帮焊钢筋，将本榀钢架限阻器与上一榀钢架上的限阻器在连接板处焊接在一起，限阻器首尾均得到固定。

（4）然后，在限阻器上、下连接钢板上焊接连接混凝土钢筋，在限阻器上下至少1m 范围钢架内侧铺设钢筋网。

（5）最后，在限阻器连接板上焊接位移量测靶点，用土工布填充塞实竖板间的空隙，以防混凝土喷入。

（6）喷射混凝土初凝后，取出预留空隙内的土工布，粘贴监控量测反光标。

3.3 现场实测验证

通过对现场变形监测及断面检测以及现场应力监测数据分析，实际施工反馈调整限阻器的有效变形行程，限阻器试验段的设计参数较为合理。在限阻器达到设计变形行程前，利用围岩压力以形变压力为主的特征，弧板型限阻器先引导组合结构进行变形，释放围岩压力，保护钢架混凝土结构，减少初期支护的破坏。当弧板型限阻器变形达到设计变形行程后，围岩压力降低至常规支护可承载水平。在限阻器变形达到设计行程或初期支护变形稳定收敛后，采用喷射混凝土及时封闭弧板型限阻器，实现与围岩协调变形的柔性支护与常规刚性支护的转换。从而以更经济性的支护参数，实现初期支护结构安全、稳定及变形可控的功能需求，见图3。

图3 三维激光扫描仪扫描成果图

3.4 实施效果综述

如图4 可以看出常规支护段存在拱顶、边墙掉块现象并且常规支护段出现多次换拱都未能有效解决问题。限阻器安装后明显可以看出其受力变形情况，通过限阻器自身主动的变形有效的将围岩及初支压力释放。在限阻器变形过程中并未发生掉块、围岩开裂等现象，在前期限阻器的效果达到了预期。限阻器产生了显著的变形，尤其以富水侧和上台阶的限阻器为甚。说明在高围岩压力区域，限阻器通过引导围岩-支护体系协调变形，释放围岩压力，转移或转化岩体应变能，是有利于岩体稳定及结构安全的。

图4 限阻器实施效果

4 结论

本文依托中老铁路沙嫩山二号隧道，对沙嫩山二号隧道施工中遇见的软岩大变形问题采用现场调查、数值模拟、监控量测等手段,对大变形地层隧道工程特性、隧道限阻器结构设计、施工方法等关键技术进行了研究,得出以下结论：

4.1 采用限阻器技术施工后，是否产生隧道大变形以及大变形的等级主要受地应力水平控制，同时也受节理物理力学参数及产状影响；而隧道大变形破裂的位置则主要受岩层及节理的产状所控制。大变形试验段线左节理倾角在40°～50°，其计算破坏位置现场施工反馈一致，而通过现场实测变形反推其地应力水平约为15～18MPa。

4.2 单线隧道大变形计算分析可得：在竖直水平地应力与水平地应力之比在0.5～1.5 变化，岩体节理产状不变时，隧道结构最大位移的位置并没有明显改变，但是位移量值随地应力矢量的模增大而增大。

4.3 隧道的初支破裂及大变形原因为自重应力场、构造应力场与岩体及其节理性质、产状综合作用的结果。采用优化设计限阻器型式，在剪应变较大区域设置可压缩的径向限阻器，则可取得良好的治理效果，径向限阻器的有效压缩行程在40～45cm 即可满足支护需求。

4.4 限阻器在与钢架连接处的变形明显大于与素混凝土的连接处，为施纵向变形更加协调，需要对此进行优化，采取非等刚度的限阻器参数。限阻器与混凝土的连接方式需要根据实际隧道的变形受力状态工况调整其连接方式。

4.5 限阻器变形方向诱导设计参数与限阻器与混凝土的纵向、环向连接参数需要看作一个体系考虑进行设计，否则在实际大变形应用时，由于方向诱导且与混凝土的连接约束较弱，会导致出现纵板弯曲现象，引起变形不协调而使限阻器上下缘混凝土剥落，甚至限阻器失效。

4.6 限阻器施工时用土工布堵塞限阻器内部以保护限阻器的有效变形空间。但由于存在超挖，堵塞并不密实，导致限阻器靠内部常有混凝土，清理凿除消耗人力，为避免这样的情况建议施工过程中采用防水板将限阻器两面都封闭，并用细钢筋或钢筋网片与限阻器焊接形成骨架，内部采用土工布堵塞，这样就可以达到预期效果。