挤压性围岩隧道变形破坏控制技术

兰渝铁路新城子隧道受隧道内越行站临江铺车站的影响，结构特殊，隧道内先由两个双线断面转变为两个单线断面，再由双连拱断面变为大跨断面，最后变为一个双线断面。其中，大跨最大开挖断面350 m2，是普通双线断面的2.5倍，目前为我国在建铁路隧道之最大跨。若采用双侧壁导坑法施工，围岩受力复杂，变形不易控制，易发生挤压大变形或坍塌的情况。为控制围岩变形，保证支护的稳定，项目研究团队研究提出了适合大跨段的多重锁固支护施工技术。

1)技术特点

强挤压围岩隧道多重锁固支护施工的技术关键点为:排架式结构技术、压浆剂快速锚固锚索技术、锚索预留低预应力柔性张拉技术、三层支护技术。

(1)排架式结构支护

①根据围岩破碎状况、地质特点、母岩物理参数、地应力大小及变形情况确定H型钢拱架间距和各纵向分配梁之间的间距。

②架设H型钢，在拱架外沿隧道轮廓线布设多条纵向分配梁，通过焊接连接形成排架式结构。纵向分配梁可采用工字钢、型钢或槽钢对右成箱型，纵向分配梁的腹板面应沿隧腔径向，从而钢架间的纵梁能有较大刚度，以便荷载的传递。

③混凝土施工前，对纵向分配梁的连接头端进行包裹防护，以免被污染或被喷入混凝土中，避免下次接长时需要凿除而影响工效。

排架式结构技术，变单个H型钢拱架独立受力为所有H型钢拱架共同受力，完善了软岩隧道的初期支护结构体系，极大改善了支护结构的受力状况，实现了荷载的纵向传递，减小了应力集中，避免了因围岩局部较大变形导致局部H型钢拱架承受较大荷载而破坏，降低了因下部台阶开挖而使上部拱脚悬空而发生坍塌的风险。

(2)压浆剂快速锚固锚索技术

在水泥浆液中加入减水剂，并调整各材料配比，测定其凝结时间及凝固后的各时间段强度并记录，多次试验，科学论证，直至得出满足要求的数据，从而确定锚索快凝注浆液的配合比，使锚索锚固强度能在注浆后24 h内满足张拉要求，加快了锚索的施工进度，进而迅速提高了支护强度。

(3)锚索低预应力柔性张拉技术

只对锚索进行一次主动张拉，只张拉锚索强度的50%;允许围岩发生一定变形，但控制其变形速率，让锚索随着围岩变形;使钢绞线被拉伸，锚索强度逐渐达到设计值。

(4)三层支护

第一层支护为排架式结构支护，自进式锚杆锁脚、径向注浆加固，长锚索长锚杆联合锁固;第二层支护为型钢网喷支护，锚管锁脚，长锚索锁固;第三层支护为型钢模筑。其施工顺序为:第一层排架式结构支护→第一层长锚索自进式锚杆→第二层支护→第二层长锚索→第三层型钢模筑支护。

H型钢刚度高，抗弯能力强，能有效抵抗围岩变形;预应力锚索能充分发挥岩体的自承潜力，调节和提高岩土的自身强度和自稳能力，控制围岩变形;H型钢与锚索联合支护，减轻了支护结构自重，节约了工程材料;三层型钢支护与锚索锚杆结合，交替施工，层层锁固，极大提高了支护体强度，保证了施工安全和支护的稳定。

2)施工工艺流程

强挤压围岩隧道多重锁固支护施工工艺流程如图6.9所示，强挤压围岩隧道多重锁固支护示意图如图6.10所示。

图6.9　多重锁固支护施工工艺流程图

(1)排架式结构支护(图6.11)

在H型钢拱架外沿隧道轮廓线布设多条纵向分配梁，通过焊接连接形成排架式结构，使H型钢拱架与纵向分配梁形成整体结构，共同受力，减少了围岩的水平收敛和竖向沉降。

沿隧道轮廓线方向的纵向分配梁采用槽形连接板焊接接长，槽形连接板嵌入纵向分配梁内(为了方便施工，尽量减少支护结构厚度，避免开挖断面积增加过多而导致增加成本，同时能达到一定刚度，纵向分配梁采用12#槽钢加工而成，连接板6采用10#槽钢)，所有接触缝全部焊满，保证焊接质量。为了提高焊接进度，减少现场焊接工作量，槽形连接板的一端可在加工棚内预先与纵向分配梁焊接好，施工现场只需将槽形连接板另一端焊接在已立好的纵向分配梁上即可。

图6.10　大跨多重锁固支护示意图

图6.11　排架式结构支护示意图

具体实施步骤如下:

①先进行多台阶分部开挖。

②根据围岩破碎状况、地质特点、母岩物理参数、地应力大小及变形情况，确定H型钢拱架的间距和规格、各纵向分配梁之间的间距。

③架立H型钢拱架，同时将纵向分配梁按确定的间距焊接在H型钢拱架外缘，确保纵向分配梁与H型钢拱架接触面沿H型钢拱架轴线方向的两条焊缝饱满，使H型钢拱架和纵向分配梁完成连接，形成排架式支架。纵向分配梁的接头布置不在同一个截面上，相互交错不小于40 cm。

④对纵向分配梁的连接头端进行包扎防护，以免被污染或被喷入混凝土中，避免下次接长时需要凿除而影响工效;然后进行混凝土喷射。

为了最大限度地利用纵向分配梁的刚度，在将纵向分配梁焊接在H型钢拱架外缘时，使纵向分配梁的腹板面朝向隧腔径向;同时使纵向分配梁槽口向上，这样可以在喷射混凝土时确保没有空隙，以保证喷射混凝土时混凝土能够密实。

沿H型钢拱架外侧布设纵向分配梁，使隧道上台阶在下挖降低至中台阶或中台阶下挖降至隧道仰拱底时，由于纵向分配梁的作用，可以将H型钢拱架受到的水平与竖向荷载向开挖段前后传递，由开挖段前后的H型钢拱架承担，变单个H型钢拱架独立受力为所有H型钢拱架共同受力。此举完善了软岩隧道的初期支护结构体系，极大地改善了支护结构的受力状况，实现了荷载的纵向传递，因此当局部围岩变形较大使局部拱架受到较大的力时，荷载可纵向传递。尤其是在开挖下部台阶上部拱脚悬空时，施加在悬空拱架上的荷载传递给相邻拱架，避免了开挖段在开挖过程中因为H型钢拱架悬空出现的水平收敛与竖向沉降发生突变，降低了坍塌风险，从而避免引发安全事故。

(2)二十四小时张接锚索快凝浆液配合比技术

中心试验室实地深入施工现场，了解锚索注浆张拉的各个施工环节，对原有注浆浆体的各种性能进行试验研究，决定在项目现有的各种原材料的基础上，且不影响浆体现场施工性能的前提下，在原有浆体配比的基础上加入减水剂，减少用水量，降低原有浆体的水胶比，提高浆体的强度标号，从而提高浆体的早期强度。

通过科学试验，综合考虑经济效益，最终确定浆体的配合比为1∶0.022∶2.222(水∶减水剂∶水泥)，使锚索锚固强度能在注浆后24 h内满足张拉要求，加快了锚索施工进度，进而迅速提高了支护的强度。

(3)预留张拉量的预应力锚索+长锚杆让压支护

施作长锚索长锚杆联合锁固，拱墙设置14根预应力锚索加固，长18 m，纵向间距1.2 m，配合锚索拱墙每榀(0.6 m/榀)钢架设置12根R38N自进式锚杆进行锁固，锚杆长8 m。其施工流程为:锚索及垫板加工→预埋16工字钢→搭建操作平台→钻机安装与定位→钻孔→清孔→锚索安装→封孔→注浆(两次)→垫板锚具安装→张拉。

①预应力锚索的设计标准:锚索拉索材料采用高强度低松弛预应力钢绞线，钢绞线必须符合现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》(GB 5224)的规定。锚索编制前应对每根钢绞线进行严格的检查，对有死弯、机械损伤、严重锈蚀、电烧伤等造成强度降低的锚索材料，在施工中不得采用。预应力钢绞线4φ15.24 mm，强度级别为1 860 MPa，采用与其配套的OVM15-4锚具系列，自由端8 m，锚固端7.5 m，锚孔内灌注M35水泥砂浆，水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥。锚索在锚固段每隔1 m设置一个对中支架，使锚索居中，自由段每隔1 m用细铁丝绑扎。锚索的防锈、防腐蚀处理应满足铁路《路基支挡结构设计规范》中提出的各项技术要求。

图6.12　长锚索结构示意图

②锚索及垫板加工(图6.12):由于锚索体长而重，并且只能用人工运送，因此锚索编束作业场地应尽量靠近安装现场，以减小运输的难度。钢绞线用砂轮机切割，下料长度按锚固段长度+张拉长度+外锚头长度+外留长度(1 m)计算。锚索编束前，要确保每一根钢绞线排列均匀、平直、不扭不叉，有死弯、机械损伤及锈蚀严重的应剔出，轻度生锈的要除锈。锚索锚固段按照设计要求设置对中支架，备好对中支架，然后将钢绞线绑扎在对中支架上。2个对中支架中间需将锚索加以捆绑(必须待锚索入锚孔后再同安放的注浆管一起捆绑)。锚索张拉段外套φ50 mm塑料波纹管，锚索编束完后，按桩号对应编号，妥善保管，防止人踩踏或雨淋。

③预埋16工字钢(图6.13):第一层初支施作时，按锚索设计要求预埋16工字钢，并在喷浆结束后及时将工字钢表层的混凝土铲除，以便后期锚索施工定位及配合钢垫板承压。

④搭建操作平台:采用折叠碗扣式扣件，φ48×3.25钢管。其施工流程为:定位设置通长脚手板、底座→纵向扫地杆→立杆→横向扫地杆→小横杆→大横杆(搁栅)→剪刀撑→连墙件→铺脚手板→扎防护栏杆→挡脚板→扎安全网。各部件不得缺失，扣件必须上紧。

⑤钻机安装与定位:采用EX-100B电动潜孔钻机，通过定向滑轮调整位置和角度，固定牢靠。

图6.13　锚索预埋16工字钢示意图

⑥钻孔及清孔:锚索孔径为130 mm，锚孔与岩面尽可能垂直，钻进20 cm时要安装孔口管。孔口管起着导向作用，长度为50 cm。孔口管采用φ176 mm的钢管，管壁与孔口接触处用麻丝填塞牢固，钻孔时要定段检查锚孔前进方向的偏移情况，以便及时采取措施纠正，确保孔位正确。钻孔时要记好钻入孔内的钻杆数量，以便核准钻孔深度，钻至设计深度后用高压风将孔内的岩屑全部清理干净。钻孔时如果遇到塌孔，应立即停钻并进行固壁灌浆处理，注浆凝固后再重新扫孔钻进。

⑦锚索安装及封孔:锚孔成孔后要尽快安装锚索，采用人工运送，运输过程中要相互照应，防止锚索触地擦伤。锚索穿入锚孔时要逐根接注浆管连同锚索一起插入孔内，锚索插入时要前后照应，相互配合，用力均匀，专人指挥，防止破坏钻孔，锚索未入孔的部分要离开地面，不能在地面上拖行。锚索安装后及时用C20砂浆封堵孔口。

⑧锚索注浆:第一次注浆采用常压注浆，注浆压力为0.5～0.8 MPa，采用孔底返浆法，当孔口出现溢浆且持续时间不低于5 min(或排气管停止排气)后，方可停止注浆，砂浆必须饱满密实，注浆后过半小时再补浆，第二次注浆为高压劈裂注浆，待第一次注浆4～5 h，形成的水泥结石体强度达到5 MPa后进行，对锚固段进行劈裂注浆，注浆压力不小于2.5 MPa。浆体配合比采用二十四小时张接锚索快凝浆液配合比技术。

⑨张拉锁定(低预应力柔性张拉技术):与传统技术相比，本技术提供的预应力锚索张拉方法只对锚索进行一次主动张拉，只张拉锚索强度的50%，给围岩足够的应力释放空间，让锚索随着围岩的变形，钢绞线被拉伸，锚索强度逐渐达到设计值。具体操作如下:

a.施工准备:对千斤顶及油压泵进行标定，得出千斤顶的拉力和油压表压强的张拉方程。根据相关参数计算锚索的张拉荷载及伸长量，并计算出50%荷载对应的张拉油表读数。

b.搭建操作平台:搭设张拉操作平台，采用成型的高架安放稳定，并由专人进行支扶放置千斤顶，人员站立稳定后方可进行施工。

c.锚具安装:安装工作锚具、夹片，并将夹片轻轻敲实，然后安装千斤顶、工具锚、夹片，安装时使千斤顶与锚具垫片垂直。

d.张拉:开动油泵，给千斤顶张拉油缸缓慢供油，直至油压设计值对应到锚索强度的50%，并稳定10 min。

e.锚固:轻轻松开油泵截止阀，使油压缓慢降至零，油泵向回程油缸供油，活塞慢慢回程到底，卸下工具锚、千斤顶等机具。

f.封锚:用砂轮切割机切割多余的钢绞线，待支护变形稳定再支模，用混凝土及时封闭锚头，要求整齐、美观。

较通常的张拉方法，本技术允许了围岩的部分变形，变主动张拉为被动张拉，有利于围岩的变形控制，避免了锚索被拉断，保障了初支的安全。在二层支护后，围岩变形减弱，可提高锚索预应力，对围岩变形进行控制。同时，本发明工艺简单，不增加普通锚索施工工艺步骤。

(4)三层支护

①第一层支护。开挖完成后，素喷开挖轮廓及视围岩情况封闭掌子面。

a.超前小导管:由于大跨段为软质板岩，围岩破碎，节理裂隙发育，在拱部120°范围设φ42超前小导管，外插脚5°～10°，导管长度、环纵间距符合设计要求，注浆固结前方岩体，保障施工的安全。超前小导管工艺流程为:导管预制加工→测量导管孔位→钻孔→清孔→安装导管→注浆。

b.锚杆:钢架接头处设R38N自进式锚杆进行锁脚，长8 m，每榀16根;拱墙设置φ42小导管径向注浆，导管长度、环纵间距符合设计要求。自进式锚杆工艺与锚索类似，在此不再赘述。径向注浆管工艺流程为:锚杆预制加工→测量锚杆孔位→钻孔→清孔→安装锚杆→注浆。采用YT28凿岩机钻孔及安装，安装后不得随意敲击悬挂重物，利用高压注浆泵注浆，浆液配合比和添加剂符合设计和规范要求，注浆饱满。

c.钢筋网片:采用φ8钢筋网片，在加工棚分块制成钢筋网片，网格尺寸20 cm×20 cm，按设计要求焊制。人工铺挂，在初喷4 cm混凝土后设置，并同锚杆固定牢靠，搭接长度不小于1～2个网格。

d.钢架安装(排架式结构支护):安装型钢拱架，并在H型钢拱架外沿隧道轮廓线布设多条纵向分配梁，通过焊接连接形成排架式结构，具体工艺及要求见排架式结构支护，在此不再赘述。

e.喷射混凝土:初支喷C25混凝土，厚30 cm，应保证无漏喷、离鼓、裂缝、钢筋网外漏等现象。喷射混凝土分段、分片由下而上进行，每段长度不超过6 m，一次喷射厚度控制在6 cm以下，喷射时插入长度比设计厚度大5 cm的铁丝，每1～2 m设一根，作为施工控制用。

②第一层长锚索+自进式锚杆。开挖支护完成一个施工段(各部位空间小，锚索与开挖支护无法同时施工)，施作第一层长锚索及自进式锁固锚杆。锚索锚杆按设计要求布置，初支施作时预埋16工字钢定位，搭建脚手架操作平台，通过潜孔钻机钻孔，安装锚索，注浆饱满，张拉到位。具体工艺可参照预留张拉量的预应力锚索+长锚杆让压支护。

③第二层支护。第一层长锚索长锚杆完成后，施作第二层支护。架设钢拱架与临时支护闭合成环，网喷支护，锚管锁脚，保证拱架的圆顺，使其能有力地抵抗围岩的变形。

钢架安装:采用H型钢拱架，间距符合设计要求，在加工棚冷弯预制，并试拼大样，确保拱架圆顺。型钢架立时必须严格按照测量的标高和中线控制线进行，各节钢架间通过连接板螺栓连接，螺栓必须拧紧上齐，两榀钢架间通过φ22螺纹钢筋连接，焊缝饱满，焊接牢靠，环向间距1 m。

其余工艺要求与第一层支护相同。

④第二层长锚索。第二层支护完成后，按要求布置，施作第二层长锚索，16工字钢预埋时，要考虑第一层支护钢架及纵向分配梁的位置，以免锚索钻孔被钢架阻挡，其施工工艺与第一层相同。

⑤第三层支护。先施作仰拱，一层、二层支护闭合成环，第三层支护于仰拱左右两端预留钢架接头，高于填充面80 cm，并用无纺布包裹，以免被污染，影响后期功效。

待一二层临时支护拆除后，第三层拱墙支护全环同时施工，架设拱墙型钢拱架与仰拱第三层支护闭合成环，拱架对接圆顺，其工艺与第二层相同。

C35混凝土模筑:分段、分片进行第三层支护模筑，对需模筑的段落前后两端喷射C35混凝土，封闭拱架与第二层初支间的空隙;采用100 cm×25 cm×5 cm的钢模板，通过铁丝固定于钢架上，模板间及模板与钢架间的缝隙用无纺布封堵;采用输送泵进行混凝土泵送，控制泵送速度，浇筑过程连续，及时用小型捣固棒振捣密实。

图6.14为大跨段多重锁固支护现场操作照片。

图6.14　大跨段多重锁固支护现场操作照片