挤压性围岩隧道施工技术及变形控制

兰渝铁路新城子隧道受宕昌车站进洞的影响，设计为喇叭口隧道，依次划分为两双段、两单段、连拱段、双线段(含大跨段)。连拱段向大跨段过渡时，断面形式变化大，且会形成一个长14 m、高8 m的大断面堵头墙。加上该段地层属于高地应力软岩，偏压严重，围岩自稳能力差，易发生大变形或坍塌的情况。过渡段施工技术难度大，安全风险高，如何减小开挖施工的风险，控制围岩的变形，保证支护衬砌的质量，迅速通过这一高风险段落，是项目部、全线乃至业界一直思考的问题。

由于大跨断面涵盖连拱断面，通过延长大跨深入连拱段的方式进行过渡段的开挖，大跨段用成熟的双侧壁导坑法施工，后期利用连拱左右线两衬砌台车，过渡段堵头墙、连拱双洞衬砌一体浇筑，恢复连拱及堵头墙的结构，以保障开挖施工的安全。对过渡段形成的大断面堵头墙采用双层柔性支护，即锚喷支护体给松动圈岩层一定的可变形空间，长锚杆将整个松动圈岩层、支护组合起来，再通过预应力长锚索将整个外部岩层锁固在内层岩层中，提高支护体的强度，控制围岩的变形。

1)技术特点

高地应力软岩隧道大跨段至连拱过渡段施工工法关键点:大断面延伸开挖技术、双层柔性支护技术、双洞衬砌整体浇筑技术。

大断面延伸开挖技术:加长大跨段，缩减连拱段，通过掘进大跨段完成过渡段连拱及堵头墙的开挖。大跨采用双侧壁九部法施工，弱爆破配合机械开挖，具体的施工步骤如下:

①在超前支护保护下，开挖大跨段1、2部(即连拱左线上、下台阶)，每次开挖长度为0.6 m(根据钢架间距而定)，并及时施作初期支护及临时支护，确保封闭成环。施工时1部超前2部3.6 m。

②左侧侧壁导坑到位后，在超前支护保护下，开挖大跨段3、4部(即连拱右线上、下台阶)，每次开挖长度为0.6 m(结合钢架间距而定)，并及时施作初期支护及临时支护，确保封闭成环。施工时3部超前4部3.6 m。

③右侧侧壁导坑到位后，在超前支护保护下，开挖大跨段5、6部(即堵头墙上、下台阶)，每次开挖长度为0.6 m(结合钢架间距而定)，并及时施作初期支护及临时支护，确保封闭成环。施工时5部超前6部3.6 m。

过渡段开挖到位后对一掌子面喷射C25混凝土进行封闭。

堵头墙断面不规则，开挖支护机械限制大，利用大跨掘进完成过渡段的开挖，可避免多次挑顶，减少施工的风险:大跨段采用大刚度型钢钢架、临时支护提前使初支闭合成环，可有效抵抗围岩变形。

双层柔性支护:过渡段大跨5部开挖支护到位后，进行堵头墙支护施工。具体的施工步骤如下:

①采用砂浆锚杆配合钢筋网片封闭5部掌子面。砂浆锚杆的长度与间距，钢筋网片的加工制作与安装搭接要符合设计要求和相应规范。

②施作长锚索长锚杆。长锚索长锚杆要按设计要求布置，注浆饱满，张拉到位，联合锁固。

③施作横撑竖撑，通过大跨初支施作时预留的连接板和螺栓分别与大跨1、3、5部初支牢靠连接。横撑竖撑钢架的型号、间距，连接板的焊接要符合设计要求和相应规范。

堵头墙长14 m、高8 m，断面大，采用锚喷封闭，可迅速提高支护的强度，降低滑塌的风险;软弱围岩开挖后，松动圈较大，长锚杆可贯穿整个松动圈，注浆固结，减小围岩的变形;长锚索锚固力强，将整个支护体、外部岩层锁固在内层岩层中，保证了支护体的稳定。

双洞衬砌整体浇筑技术:待过渡段大跨段临时支护拆除后，支护监测稳定且具备衬砌条件时，将过渡段堵头墙及相邻连拱左右线衬砌一次性浇筑。

①堵头墙防排水系统与相邻大跨、连拱左右线联合到一起，搭接到位。

图6.15　过渡段施工工艺流程图

②绑扎连拱左右线衬砌钢筋，钢筋笼定位准确，钢筋规格、间距、搭接要符合设计要求和相应规范。

③利用连拱左右线衬砌台车，中间安装钢模、槽钢、钢管封闭堵头墙，模板牢靠加固。

④混凝土浇筑由堵头墙向连拱两侧对称模筑，泵送过程应连续，一次完成。

由于方量较大，应控制好混凝土泵送速度，先快后慢，冲顶再加快速度，混凝土浇筑过程中及时用振捣棒振捣密实。

整体衬砌减少了施工缝的数量，可有效防止开裂。

2)施工工艺流程

过渡段施工工艺流程如图6.15所示。

①过渡段开挖:加长大跨段，缩减连拱段，通过大跨段延长深入连拱段的方式进行过渡段的开挖;大跨采用双侧壁九部法施工，机械开挖，具体的施工步骤如图6.17和图6.18所示。

a.在超前支护的保护下，开挖左侧上、下台阶(即1、2部)。每次开挖长度为0.6 m(根据钢架间距而定)，施工时1部超前2部3.6 m。

b.左侧侧壁导坑到位后，在超前支护保护下，开挖右侧上、下台阶(即3、4部)。每次开挖长度为0.6 m(结合钢架间距而定)，施工时3部超前4部3.6 m。

c.右侧侧壁导坑到位后，在超前支护保护下，开挖中部上、下台阶(即5、6部)。每次开挖长度为0.6 m(结合钢架间距而定)，施工时5部超前6部3.6 m。

图6.16　大跨段延伸至连拱段示意图

图6.17　过渡段双侧壁九部法分部示意图

施工中应精确测量，严格控制堵头墙的位置，避免欠挖，减小超挖。

②过渡段大跨支护各部位每循环开挖后视围岩实际情况必要时对掌子面喷射C25混凝土进行封闭，及时施作初期支护及临时支护，确保封闭成环。1、3、5部初支预埋与堵头墙横竖撑相连的连接板，并用无纺布包裹严密。

图6.18　过渡段双侧壁九部法施工顺序示意图

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，所以在拱部120°范围设φ42超前小导管，外插脚5°～10°。导管长度、环纵间距应符合设计要求，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、环纵间距应符合设计要求。自进式锚杆工艺与锚索类似，后面会提到，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应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，网格尺寸为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:采用H200型钢拱架，间距应符合设计要求，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16工字钢连接，工字钢嵌于钢架腹板侧，焊缝饱满，焊接牢靠，环向间距1 m。

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。铁丝每1～2 m设一根，作为施工控制用。

③过渡段大跨5部开挖到位后，进行堵头墙支护施工(图6.19)。采用锚喷支护，长锚索长锚杆锁固，钢横撑、竖撑重点加固。

a.锚喷支护:大跨5部开挖到位后，采用钢筋网片配合砂浆锚杆封闭5部掌子面。砂浆锚杆的长度间距与安装锚固、钢筋网片的尺寸焊接与安装搭接，均应符合设计要求和相应规范。

图6.19　过渡段支护示意图

b.长锚索长锚杆锁固:待大跨5部支护及锚喷封堵完毕后，按设计要求布置和施作长锚索长锚杆联合锁固。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。预应力钢绞线采用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。锚索孔内注浆按二次注浆法，先将锚固段注满砂浆，当砂浆强度达到70%以上时再进行张拉，张拉完毕后进行第二次注浆，使锚索孔内满浆。其施工流程为:锚索及垫板加工→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(两次)。

a.锚索及垫板加工(图6.20):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个对中支架中间须将锚索加以捆绑(须待锚索入锚孔时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，按桩号对应编号并妥善保管，防止人踩踏或雨淋。

b.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。

c.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，牢靠固定。

图6.20　长锚索结构示意图

d.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，孔口管采用φ176 mm的钢管，孔口管长度为50 cm，管壁与孔口接触处用麻丝填塞牢固，孔口管起导向作用。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，进行固壁灌浆处理，注浆36 h后重新扫孔钻进。

e.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。

f.注浆:锚索注浆采用两次注浆，第一次注浆采用常压注浆(注浆压力为0.5～0.8 MPa)，按孔底返浆法，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后再进行。采用M35纯水泥砂浆对锚固段进行劈裂注浆，注浆压力不小于2.5 MPa。

g.钢垫板及锚具安装:钢垫板采用300 mm×600 mm×40 mm的钢板，钢垫板与拱架牢固焊接;采用OVM型锚具，锚具底座顶面与钻孔轴线应垂直，确保锚索张拉时千斤顶出力与锚索在同一轴线上。

h.张拉锁定:当浆液强度达到70%后，即可进行张拉。锚索张拉施工前必须对张拉机具和仪器仪表进行标定和调试校准，张拉应分两次逐级张拉，第一次张拉值应为总张拉力的70%，第二次张拉值应为总张拉力的110%，两次张拉间隔时间不宜少于3～5 d。张拉中应对锚索伸长及受力情况做好记录，核实伸长与受力值的相符性;必须保证钢垫板外侧面与钻孔轴线垂直，面板与洞周之间全面受力;张拉结束后，用砂轮切割机从外锚头外5 cm处切断钢绞线后，再用C25级混凝土封闭锚头。

⑤钢横撑、竖撑加固:待堵头墙长锚索长锚杆完成后，施作横撑竖撑，通过预留连接板和螺栓分别与大跨1、3、5部初支连接牢靠，横撑竖撑钢架的型号、间距要符合设计要求和相应规范，连接板采用双面焊，焊缝饱满，焊接牢靠。

⑥过渡段双洞整体衬砌:待过渡段大跨段临时支护拆除，支护监测稳定，将过渡段堵头墙及相邻连拱左右线衬砌一次性浇筑。其施工流程为:初支表面处理→防排水施工→钢筋绑扎→模板安装→混凝土浇筑。

a.初支表面处理:采用喷射混凝土或砂浆抹面的方法对初支表面进行找平，如初支表面有钢筋、锚杆头等凸出物存在，应从根部割除，并在割除部位用水泥砂浆覆盖处理。

b.防排水施工:堵头墙防排水系统与相邻大跨、连拱左右线联合一起施作。无纺布采用水泥钉或膨胀螺栓和防水板配套的圆垫片将缓冲层固定在基面上，固定点之间呈正梅花形布设，侧墙固定间距为80～100 cm;顶拱上的防水板固定间距为1～1.5 m。防水板采用热熔法手工焊接在圆垫片上，焊接应牢固可靠，避免浇注和振捣混凝土时防水板脱落，防水板固定时应注意不要拉得过紧或出现大的鼓包，铺设好的防水板应与基面凹凸起伏一致，保持自然、平整、伏贴，以免影响二衬混凝土的厚度或使防水板脱离。

c.钢筋绑扎:仰拱衬砌钢筋环向主筋采用φ22螺纹钢筋，间距为20 cm，纵向连接筋采用φ14螺纹钢筋，间距为20 cm，箍筋采用φ8光圆钢筋，间距为20 cm×20 cm。钢筋在加工弯制前应调直，表面的油渍、铁锈等应清除干净，拉直、弯钩、弯折、弯曲应采用冷加工。钢筋应按照仰拱弧形在洞外事先制作好，钢筋安装时横向钢筋与纵向钢筋的每个节点筋均必须进行绑扎或焊接。相邻主筋搭接位置应错开，错开距离不应小于1 m，同一受力钢筋的两个搭接距离不应小于1.5 m。钢筋的连接点应在纵横向筋的交叉连接处，必须进行绑扎或焊接，接头处的焊接要保证焊缝长度满足要求，焊缝饱满，并应凿除焊缝上的焊渣。

d.模板安装:利用连拱左右线衬砌台车，中间安装槽钢，钢管将堵头墙模板定位准确，牢靠加固。调整台车轨道中心及标高，采用43钢轨，用方木作枕木，底面直接置于已铺底或仰拱填充的混凝土地面上，保证台车平稳。轨道平面位置偏差和高程偏差控制均在1 cm以内，使模板中心线尽量同台车大梁中心重合，使台车在混凝土灌注过程中处于良好的受力状态。

e.混凝土浇筑:混凝土采用泵送，由堵头墙向连拱两侧分层、左右交替对称浇注，每层浇筑厚度不得大于1 m。两侧高差控制在50 cm以内。接头管箍避免接触不当造成爆脱，管路用方木支垫高出地面，穿过台车时管箍不与台车构件相接触。混凝土输送管路端部设置一根软管，软管管口至浇筑面的垂直距离控制在1.5 m以内，以避免混凝土集料堆积和产生离析。混凝土开盘前先泵送同级砂浆，砂浆量为在电缆沟底顶面上平铺2 cm厚，以保证电缆沟底顶面混凝土同拱墙混凝土的连接。振捣采用定人、定位、用插入式振动器捣固的方式，保证混凝土密实;拱顶及反弧段辅以附着式平板振动器振捣。

图6.21为大跨段与连拱过渡段现场施工操作照片。

图6.21　大跨段与连拱过渡段现场施工操作照片