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摘要：文章依托雪峰山隧道进口段工程实践，提出了一系列新型工程技术措施，应用于小间距大变形软弱围岩隧道进口段施工。实践表明这些措施有效地解决了隧道施工过程中的围岩稳定及衬砌受力变形超限问题，相关的技术成果可供类似地质条件下的隧道施工参考。
关键词：小间距软弱围岩段衬砌；变形开裂；工程处置
中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）34-0113-03
一、工程背景
向莆铁路雪峰山隧道位于福建省西北部的三明市境内，穿越雪峰山主峰。设计方案为单线双洞，其中左线全长17796m，右线全长17790m，最大埋深948m，是向莆铁路的控制性工程。同时该隧道围岩复杂情况也为全线之最。洞身共穿越22条断层破碎带，岩爆、突水、软岩大变形等不良地质现象相当普遍，部分地段存在高地温。尤其是左、右线进口段位于断层破碎带，部分地段岩溶及裂隙水发育，围岩整体稳定性极差，线间距及隧道埋深均较小，在施工过程中出现了严重的衬砌变形及开裂等问题，这给隧道施工带来严峻的挑战。
本文依托雪峰山隧道进口段工程实践，提出了一系列新型工程技术措施，应用于小间距大变形软弱围岩隧道进口段施工。实践表明这些措施有效地解决了复杂围岩条件下隧道施工过程中的围岩稳定及衬砌受力变形超限问题，并增强了隧道在运营期间的结构安全性。相关的技术成果可供类似隧道施工参考。
二、隧道进口段设计方案
本隧道进口段设计方案如下：DK300+947～DK301+200段采用Ⅴ级小间距衬砌类型，初期支护设置I18钢架，间距0.6m；超前支护采用4.0m长φ50×5双层小导管，2.4米/环；中隔壁采用小导管注浆。DK301+200～DK301+245、DK301+275～DK301+350段采用Ⅴ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I18钢架，间距0.6m；超前支护采用4.0m长φ50×5双层小导管，2.4米/环。DK301+245～DK301+275段采用Ⅳ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I16钢架，间距0.8m；超前支护采取3.5m长φ42×3.5超前小导管，2.4米/环。DK301+275～DK301+350段采用Ⅴ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I18钢架，间距0.6米；超前支护采用4.0m长φ50×5双层小导管，2.4米/环。DK301+350～DK301+400段采用Ⅳ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I16钢架，间距0.8m；超前支护采取3.5m长φ42×3.5超前小导管，2.4米/环。
三、施工监测结果
雪峰山隧道进口于2008年10月1日开工建设，其中左线于2011年1月6日全线贯通，右线于2011年5月27日全线贯通。为确保施工安全，施工过程中开展了详细的施工监测工作，不间断的监控了隧道初期支护及二次衬砌的变形情况，为本地隧道动态设计及工程处置措施的确定提供了有效的依据。
（一）初期支护变形情况
根据监测结果，隧道进口段初期支护累计发生严重变形12次，其中左线共3次，右线9次，具体见表1所示。支护初期，左线及右线围岩变形速率最大值分别达到120mm/d及162mm/d，属于严重异常，施工中及时提高了量测频率。最终左线初期支护累计变形最大值达到817.4mm，右线则达到1270.0mm。代表性断面变形收敛速率随时间发展规律如图1和图2所示。在如此显著的围岩变形作用下，隧道初期支护发生了明显的破坏，如图3和图4所示。
（二）二次衬砌开裂变形情况
由于隧道初期支护变形显著，采取了加强初期支护强度和加固二次衬砌的处理措施。二次衬砌施工后，围岩变形虽然得到一定程度的抑制，但初砌结构自身因受力过大产生了裂缝，并逐渐开展。本文对隧道进口段衬砌裂缝进行了详细的普查工作，得到裂缝分布位置、数量、长度及宽度等大量测试数据，如表2所示。本文采用钻芯取样的方法测量裂缝深度，隧道进口段累计钻取芯样277m。通过对裂缝芯样分析获知裂缝上宽下窄，呈Ⅴ字形。典型裂缝累计开展情况如图3和图4所示。
四、工程处置措施
在发现初期支护及二次衬砌监测数据异常后，建设单位会同相关各方及科研单位深入分析了衬砌变形的原因。分析认为由于附近的场地施工彻底改变了原有地形地貌，地表径流发生根本性变化，抬升了隧道洞身地下水位，造成围岩含水量增加，抗剪强度急剧降低，产生大变形，从而导致围岩压力剧增。在围岩压力和水压力的交互作用下，隧道初期支护发生显著变形，并引起二次衬砌产生裂缝。基于此，项目部针对初期支护及二次衬砌，分别确定了相应的整治方案与处理措施。
（一）初期支护变形处置措施
1．已施工段初支变形处置措施。
初期支护变形处理主要从两个方面进行。一是增加支护刚度，二是提高围岩稳定性。具体采取的措施如下：
（1）采用Φ108无缝钢管加强钢拱架水平支撑和竖向支撑刚度，并在拱架每侧拱脚增加注浆小导管锁脚加固。
（2）拱墙位置按1.0×0.8m间距施做注浆小导管，对已变形围岩进行注浆加固。
（3）围岩变形稳定后，凿除已施作的C25网喷砼，拆除侵限钢拱架，按原设计参数施工超前小导管及初期支护，并在拱架连接处增设Φ50×5mm锁脚小导管。
（4）换拱完成后及时进行二次衬砌施工，并提高二次衬砌设计参数。
2．未施工段初支变形预防措施。
结合对已施工段初支变形处理的情况，对未施工的进口段初衬设计及施工方案进行调整，主要措施
如下：
（1）左、右线施工掌子面错开，以降低施工对围岩的扰动；
（2）施工中加强降水措施；
（3）增大预留沉降变形量；
（4）加强超前支护及初期支护刚度，并在拱脚部增设临时仰拱。
（二）二次衬砌变形开裂处置措施
隧道二次衬砌开裂主要是由于地基沉降及衬砌承受荷载超限所致。施工中采用了微型桩、刚性袖阀管注浆等新型施工工艺对衬砌变形段进行加固整治。
1．开裂衬砌处理措施。对已经开裂的衬砌主要采用加固补强措施进行处理，以提高衬砌承载能力。
（1）拱部二衬裂缝段采用压注环氧树脂进行补强，并在衬砌内侧设置25cm厚钢筋砼衬套，与原结构形成叠合结构。
（2）仰拱填充开裂地段道床底板材料由素砼变更为钢筋砼，并植筋与仰拱钢筋混凝土结构连成整体，形成叠合结构。
（3）在仰拱填充裂缝密集地段需凿除仰拱填充素混凝土，仰拱填充改用钢筋混凝土，与仰拱形成叠合结构。
2．提高地基承载力措施。为控制隧道洞身地基沉降，需提高基底承载力。施工中采用了微型桩联合基底注浆的方法。
（1）微型桩加固方案。对仰拱填充及衬砌开裂严重地段采用微型桩方法进行加固。仰拱左右墙角各设置两排微型桩，纵向间距1.0m，两排桩交错布置；仰拱正下方设置3排微型桩，间距1.5m×1.5m。微型桩桩径127mm，桩长10米。桩身为C30混凝土，桩身内布置三根φ25螺纹钢筋。隧道进口段共计设置微型桩1810根。
（2）基底注浆加固方案。隧道进口段围岩发生大变形后，在仰拱底部设置孔径89mm，间距1.5m的注浆孔进行基底注浆加固，加固深度为3m。后期补勘的地质资料揭示仰拱基底以下均为千枚岩、云母石英片岩全风化层，最大深度超过60米。该地层压缩模量小，变形大，裂隙水发育，遇水容易软化。考虑到隧道洞身地下水位已经由于外界施工条件所致显著抬高，经研究决定将加固深度加大到10m，并分别采用了孔口管法及刚性袖阀管法注浆加固方法。进口段共布置孔口管法注浆孔1045个，注浆用水泥2217t；刚性袖阀管法孔2964个，钻孔总长3.4万米。
大规模施工前专门设置试验段，采用抽验岩芯等方法对比研究了注浆方式、水灰比、注浆量等关键参数对加固效果的影响，形成了一整套适用于小间距软岩大变形段的合理注浆施工工艺。
五、处理效果评价
通过对注浆前后累计沉降值进行对比，显示经注浆后衬砌边墙、仰拱沉降基本已经稳定，未再次发生显著变形。同时对注浆后基岩抽芯检测也表明，岩体强度显著提高，符合地基承载力要求。
六、结论
本文依托向莆铁路雪峰山隧道进口段的工程实践，针对小间距软弱围岩大变形段衬砌变形开裂等严重问题提出了一系列的处理措施，得到如下结论：
1．地下水对隧道设计及施工方案影响显著。在设计阶段应充分评估隧址处地下水位可能发生的变化，尽量避免造成不必要的经济损失。
2．小间距软弱围岩大变形段隧道施工时，除需加大衬砌刚度外，还应加强超前支护，采用注浆等方式充分发挥围岩自身的承载能力。
3．本文提出的一系列工程措施有效地解决了小间距软弱围岩大变形段隧道围岩稳定及衬砌受力变形超限问题。相关的技术成果可供类似地质条件下的隧道施工参考。
（责任编辑：赵秀娟）
关键词：小间距软弱围岩段衬砌；变形开裂；工程处置
中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）34-0113-03
一、工程背景
向莆铁路雪峰山隧道位于福建省西北部的三明市境内，穿越雪峰山主峰。设计方案为单线双洞，其中左线全长17796m，右线全长17790m，最大埋深948m，是向莆铁路的控制性工程。同时该隧道围岩复杂情况也为全线之最。洞身共穿越22条断层破碎带，岩爆、突水、软岩大变形等不良地质现象相当普遍，部分地段存在高地温。尤其是左、右线进口段位于断层破碎带，部分地段岩溶及裂隙水发育，围岩整体稳定性极差，线间距及隧道埋深均较小，在施工过程中出现了严重的衬砌变形及开裂等问题，这给隧道施工带来严峻的挑战。
本文依托雪峰山隧道进口段工程实践，提出了一系列新型工程技术措施，应用于小间距大变形软弱围岩隧道进口段施工。实践表明这些措施有效地解决了复杂围岩条件下隧道施工过程中的围岩稳定及衬砌受力变形超限问题，并增强了隧道在运营期间的结构安全性。相关的技术成果可供类似隧道施工参考。
二、隧道进口段设计方案
本隧道进口段设计方案如下：DK300+947～DK301+200段采用Ⅴ级小间距衬砌类型，初期支护设置I18钢架，间距0.6m；超前支护采用4.0m长φ50×5双层小导管，2.4米/环；中隔壁采用小导管注浆。DK301+200～DK301+245、DK301+275～DK301+350段采用Ⅴ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I18钢架，间距0.6m；超前支护采用4.0m长φ50×5双层小导管，2.4米/环。DK301+245～DK301+275段采用Ⅳ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I16钢架，间距0.8m；超前支护采取3.5m长φ42×3.5超前小导管，2.4米/环。DK301+275～DK301+350段采用Ⅴ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I18钢架，间距0.6米；超前支护采用4.0m长φ50×5双层小导管，2.4米/环。DK301+350～DK301+400段采用Ⅳ级围岩偏压衬砌类型，初期支护设置I16钢架，间距0.8m；超前支护采取3.5m长φ42×3.5超前小导管，2.4米/环。
三、施工监测结果
雪峰山隧道进口于2008年10月1日开工建设，其中左线于2011年1月6日全线贯通，右线于2011年5月27日全线贯通。为确保施工安全，施工过程中开展了详细的施工监测工作，不间断的监控了隧道初期支护及二次衬砌的变形情况，为本地隧道动态设计及工程处置措施的确定提供了有效的依据。
（一）初期支护变形情况
根据监测结果，隧道进口段初期支护累计发生严重变形12次，其中左线共3次，右线9次，具体见表1所示。支护初期，左线及右线围岩变形速率最大值分别达到120mm/d及162mm/d，属于严重异常，施工中及时提高了量测频率。最终左线初期支护累计变形最大值达到817.4mm，右线则达到1270.0mm。代表性断面变形收敛速率随时间发展规律如图1和图2所示。在如此显著的围岩变形作用下，隧道初期支护发生了明显的破坏，如图3和图4所示。
（二）二次衬砌开裂变形情况
由于隧道初期支护变形显著，采取了加强初期支护强度和加固二次衬砌的处理措施。二次衬砌施工后，围岩变形虽然得到一定程度的抑制，但初砌结构自身因受力过大产生了裂缝，并逐渐开展。本文对隧道进口段衬砌裂缝进行了详细的普查工作，得到裂缝分布位置、数量、长度及宽度等大量测试数据，如表2所示。本文采用钻芯取样的方法测量裂缝深度，隧道进口段累计钻取芯样277m。通过对裂缝芯样分析获知裂缝上宽下窄，呈Ⅴ字形。典型裂缝累计开展情况如图3和图4所示。
四、工程处置措施
在发现初期支护及二次衬砌监测数据异常后，建设单位会同相关各方及科研单位深入分析了衬砌变形的原因。分析认为由于附近的场地施工彻底改变了原有地形地貌，地表径流发生根本性变化，抬升了隧道洞身地下水位，造成围岩含水量增加，抗剪强度急剧降低，产生大变形，从而导致围岩压力剧增。在围岩压力和水压力的交互作用下，隧道初期支护发生显著变形，并引起二次衬砌产生裂缝。基于此，项目部针对初期支护及二次衬砌，分别确定了相应的整治方案与处理措施。
（一）初期支护变形处置措施
1．已施工段初支变形处置措施。
初期支护变形处理主要从两个方面进行。一是增加支护刚度，二是提高围岩稳定性。具体采取的措施如下：
（1）采用Φ108无缝钢管加强钢拱架水平支撑和竖向支撑刚度，并在拱架每侧拱脚增加注浆小导管锁脚加固。
（2）拱墙位置按1.0×0.8m间距施做注浆小导管，对已变形围岩进行注浆加固。
（3）围岩变形稳定后，凿除已施作的C25网喷砼，拆除侵限钢拱架，按原设计参数施工超前小导管及初期支护，并在拱架连接处增设Φ50×5mm锁脚小导管。
（4）换拱完成后及时进行二次衬砌施工，并提高二次衬砌设计参数。
2．未施工段初支变形预防措施。
结合对已施工段初支变形处理的情况，对未施工的进口段初衬设计及施工方案进行调整，主要措施
如下：
（1）左、右线施工掌子面错开，以降低施工对围岩的扰动；
（2）施工中加强降水措施；
（3）增大预留沉降变形量；
（4）加强超前支护及初期支护刚度，并在拱脚部增设临时仰拱。
（二）二次衬砌变形开裂处置措施
隧道二次衬砌开裂主要是由于地基沉降及衬砌承受荷载超限所致。施工中采用了微型桩、刚性袖阀管注浆等新型施工工艺对衬砌变形段进行加固整治。
1．开裂衬砌处理措施。对已经开裂的衬砌主要采用加固补强措施进行处理，以提高衬砌承载能力。
（1）拱部二衬裂缝段采用压注环氧树脂进行补强，并在衬砌内侧设置25cm厚钢筋砼衬套，与原结构形成叠合结构。
（2）仰拱填充开裂地段道床底板材料由素砼变更为钢筋砼，并植筋与仰拱钢筋混凝土结构连成整体，形成叠合结构。
（3）在仰拱填充裂缝密集地段需凿除仰拱填充素混凝土，仰拱填充改用钢筋混凝土，与仰拱形成叠合结构。
2．提高地基承载力措施。为控制隧道洞身地基沉降，需提高基底承载力。施工中采用了微型桩联合基底注浆的方法。
（1）微型桩加固方案。对仰拱填充及衬砌开裂严重地段采用微型桩方法进行加固。仰拱左右墙角各设置两排微型桩，纵向间距1.0m，两排桩交错布置；仰拱正下方设置3排微型桩，间距1.5m×1.5m。微型桩桩径127mm，桩长10米。桩身为C30混凝土，桩身内布置三根φ25螺纹钢筋。隧道进口段共计设置微型桩1810根。
（2）基底注浆加固方案。隧道进口段围岩发生大变形后，在仰拱底部设置孔径89mm，间距1.5m的注浆孔进行基底注浆加固，加固深度为3m。后期补勘的地质资料揭示仰拱基底以下均为千枚岩、云母石英片岩全风化层，最大深度超过60米。该地层压缩模量小，变形大，裂隙水发育，遇水容易软化。考虑到隧道洞身地下水位已经由于外界施工条件所致显著抬高，经研究决定将加固深度加大到10m，并分别采用了孔口管法及刚性袖阀管法注浆加固方法。进口段共布置孔口管法注浆孔1045个，注浆用水泥2217t；刚性袖阀管法孔2964个，钻孔总长3.4万米。
大规模施工前专门设置试验段，采用抽验岩芯等方法对比研究了注浆方式、水灰比、注浆量等关键参数对加固效果的影响，形成了一整套适用于小间距软岩大变形段的合理注浆施工工艺。
五、处理效果评价
通过对注浆前后累计沉降值进行对比，显示经注浆后衬砌边墙、仰拱沉降基本已经稳定，未再次发生显著变形。同时对注浆后基岩抽芯检测也表明，岩体强度显著提高，符合地基承载力要求。
六、结论
本文依托向莆铁路雪峰山隧道进口段的工程实践，针对小间距软弱围岩大变形段衬砌变形开裂等严重问题提出了一系列的处理措施，得到如下结论：
1．地下水对隧道设计及施工方案影响显著。在设计阶段应充分评估隧址处地下水位可能发生的变化，尽量避免造成不必要的经济损失。
2．小间距软弱围岩大变形段隧道施工时，除需加大衬砌刚度外，还应加强超前支护，采用注浆等方式充分发挥围岩自身的承载能力。
3．本文提出的一系列工程措施有效地解决了小间距软弱围岩大变形段隧道围岩稳定及衬砌受力变形超限问题。相关的技术成果可供类似地质条件下的隧道施工参考。
（责任编辑：赵秀娟）