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摘要：以兰渝铁路哈达铺隧道施工为例，介绍泥岩地层中修建隧道变形控制的方法。施工中通过围岩量测掌握围岩变形动态，运用分部开挖临时仰拱封闭成环及上半断面扇形支撑技术，对围岩变形进行控制。
关键词：泥岩地层变形控制
0 引言
因为泥岩的强度较低，且具有膨胀性，遇水会软化，所以如果在泥岩地层内进行地下隧道的修建，由此引发的隧道变形（如水平收敛、拱顶下沉等）都会很大，极易损坏隧道初期支护。初期支护喷射混凝土表面脱落、钢架扭曲等都是其具体体现，最后会破坏刚性支护前隧道的稳定性能。我国当前铁路隧道工程施工过程中形成的CRD、CD法以趋于成熟，能对围岩大变形进行控制，以保证安全地进行隧道施工。哈达铺隧道穿越的地层局部为泥岩，本文主要介绍了分部开挖临时仰拱封闭成环和上半断面扇形支撑技术来对围岩变形进行控制的方法。
1 工程概况
兰渝铁路哈达铺隧道为穿越长江、黄河的分水岭——麻子川的越岭隧道，隧道走向大致为西北——东南向，地貌上位于西秦岭高中山区及山间盆地区，山高沟深，山坡、谷坡较陡地面最小高程2224米，最大高程2898.3米，隧道最大埋深约480米，最小埋深约30米，隧道为两座单线隧道，单线全长16600米。
隧道洞身穿越地层局部的泥岩，该地层的矿物成分主要为黏土质的，构造呈泥质结构中厚层状；岩体基本完整，但成岩作用不好，岩质较软，锤击易碎，节理较发育，强风化——弱风化，强风化层多呈碎块状，弱风化多呈块状，具弱膨胀性。该隧道通过的地层主要为下第三系与三叠系不整合接触带，接触面岩体破碎。
隧道泥岩地质段运用IV级和V级围岩复合式衬砌支护结构，初期支护使用钢筋网、锚杆、钢架、喷射混凝土联合支护。根据设计要求，二次衬砌为围岩压力提供抗力，将二次衬当作砌承载结构，分别承担50%~70%的围岩松散荷载。表1为具体初期支护参数。
2 前期隧道施工方法及围岩变形状况
2.1 前期隧道施工方法 按照哈达铺隧道工程设计的特征和地质状况，前期通过台阶法在施工隧道V级围岩段开挖支护，也就是先开挖台阶，完成约30米的上台阶开挖后再开始下台阶的开挖施工，注意上、下台阶的开挖要同步进行；下台阶开挖约20米就开始仰拱开挖，通过钻爆法，人工风枪钻孔和装药，毫秒雷管分段延迟起爆，光面爆破。
结束上台阶的钻孔、装药、起爆、出碴后，根据设计要求先喷射4cm后混凝土封闭岩面和掌子面，施作及安装钢架、锚杆和钢筋网；再按照规定的厚度复喷混凝土。开挖下台阶时，左右跳开进行边墙的开挖，同时根据规定完成边墙钢筋网和锚杆的施作，接长钢架完成边墙的初期支护。
结束约20米下台阶开挖支护后，开始仰拱的开挖施工，且要和上、下台阶的开挖施工同步进行。自制栈桥作為仰拱的运输通道，并使其达到上、下台阶出碴和初期支护材料的运输要求。
开挖仰拱、上下台阶时，为及时了解围岩情况，进行围岩监控量测和地质预报是必要之举。
2.2 前期围岩变形状况 哈达铺隧道V级围岩段经过15天的开挖支护后，围岩会产生较大的变形，初期支护钢架扭曲，表面喷混凝土产生裂缝甚至脱落。
2.2.1 具体监控量测数据特点 现场量测围岩情况后得知：泥岩地层，通过台阶法和钻爆法进行隧道施工的过程中，只有40%的围岩水平拱顶下沉量和收敛位移量基本发生在开挖下台阶的施工中，其余60%都发生在上台阶的开挖施工中。开挖上台阶围岩3~5d后，就会产生剧烈的水平收敛位移及拱顶下沉现象。
①开挖上半断面当天会产生1~3cm/d的变形量，持续7d后变形率会出现显著的下降，也有所缓和。开始开挖下台阶后，变形量又变大，同时在破坏初期支护前日达到1~2cm/d的变形量，15d变形总量约为15cm时，型钢钢架表面喷混凝土出现剥落现象。（在下台阶开挖前，上台阶围岩基本趋于稳定的情况）②开挖上半断面的当天，达到了1~3cm/d左右的变形量，日变形量在0.5~1cm/d左右。开挖下半断面当天，水平方向出现约为3.5cm的变形，同时0.5~1.5cm/d日变形量保持了相当长的一段时间。上台阶变形在15d后约为20cm，此时裂纹现象也开始出现在喷射混凝土上，型钢钢架变得扭曲。（在下台阶开挖前，上台阶围岩仍不稳定的情况）
2.2.2 现场变形的主要特征 待上台阶围岩趋于稳定后，就开挖下台阶，这样以来上台阶就会发生二次变形；如果上台阶围岩的变形得不到解决，就开始开挖下台阶，则上台阶就会加速变形；开挖仰拱前，最明显的初期支护变形表现在钢架节点处向洞内膨胀外鼓，螺栓剪切破坏。
2.3 泥岩地质条件下围岩变形控制 为使上台阶围岩变形情况得到控制，施工中采用上台阶临时仰拱、扇形支撑及及早施作仰拱等方法来控制。
2.3.1 围岩变形原因分析 ①围岩遇水易软化，由此引起的变形也很大，其特点主要表现在流变和塑性，这种变形会破坏隧道初期支护。②泥岩具有膨胀性。如果在泥岩地层中进行洞室的开挖施工，原有地层的应力平衡就被破坏了，加之隧道突然遇水，就会增加向洞内的收敛变形。③因为处于不可溶岩和可溶岩的不整合接触地段，不整合面还是倾斜的，上覆可溶岩下伏不可溶岩。在不可溶岩下进行开挖施工，导致上部地层出现沿崩解性物理风化带的不整合面向下滑移，从而引起洞室变形。④分步开挖造成应力重新分布，应力重分布后带来的直接作用使初期支护产生变形。
2.3.2 变形控制原理 若要使初期支护能力变强，可通过上台阶及早施作仰拱封闭成环、扇形支撑及临时仰拱等方法，促进洞身封闭成环的支护体系的构成，使初期支护的刚度、强度得以充分利用，促进支护抗力的提早运用，从而使围岩变形得到控制。在上台阶围岩大致稳定的状态下开挖下台阶时，可采用临时仰拱。如果上台阶围岩不断产生变形，则可使用扇形支撑进行下台阶的开挖。
2.3.3 变形控制措施、方法及工艺
2.3.3.1 上台阶临时仰拱封闭法 分析现场围岩量测资料得知：开挖下台阶前，上台阶围岩情况大致稳定，拱脚周边保持着0.15mm/d的水平收敛速率，而拱顶下沉速率为0.10。为防止由下台阶开挖而导致的上台阶二次变形，施工过程中运用了临时仰拱法封闭上台阶成环。图1为详细的施工步骤。
工艺流程：①a弱爆破开挖上台阶A；b进行台阶A附近的临时支护和初期支护的施作，即初喷厚度为4cm的混凝土，进行钢筋网的铺设，在上台阶初期支护上安装拱架和锁脚锚杆；c钻设径向锚杆，再按设计中要求的厚度复喷混凝土。②根据要求监测上台阶围岩状况。③安装临时仰拱钢架（I16工字钢）5~6榀（确保单侧边墙开挖1~2m）。④a弱爆破开挖B；b在台阶附近喷混凝土，厚度为4cm，再进行钢筋网的铺设；c将钢架接长，加设锁脚锚杆；d钻设径向锚杆，再按厚度要求复喷混凝土。⑤aB点开挖约10米后，进行弱爆破开挖C；b施作隧底喷混凝土。⑥a分析监控量测的结果，待初期支护收敛后将I16临时拱架拆除；b进行仰拱、填充砼的灌注。
2.3.3.2 上台阶扇形临时支撑 现场测量结果表明：开挖下台阶前上台阶围岩还是不能保持稳定的状态，拱脚周围水平收敛速率为0.6mm/d，拱顶沉降为是0.3。开挖下台阶的过程中，为使上台阶的变形尽量减缓或消除，施工时使用临时扇形支撑，也就是将1环向钢架（I16型钢套拱）重新补加在已完成施工的初期支护钢架的内侧重，使初期支护具备足够的强度及刚度，从而使上台阶初期支护的支护抗力满足要求。图1为具体的施工步骤。
工艺流程：除2.3.3.1③多加设扇形支撑（套拱）5~6榀（确保边墙开挖1~2米）外，其余与上台阶临时仰拱封闭法一样。
2.3.3.3 二次衬砌 结束仰拱的施作后，如果隧道支护和围岩的变形仍在继续，此时的支护抗力可通过二次衬砌来提供。分析围岩量测结果得知，如果初期支护变形一直在继续，同时变形速率未出现明显下降的趋势，应尽快进行二次衬砌的施作。
2.4 控制措施实施效果 对围岩进行现场量测后得知：运用了扇形支撑、临时仰拱等措施后，在开挖下台阶的过程中，不管上台阶的围岩变形是否趋于稳定，都能有效控制上台阶的变形情况，即拱顶下沉和周边收敛分别不超过5cm和8cm，初期支护混凝土不脱落、开裂，拱架也不会产生扭曲变形。
3 结论
实践表明，上台阶临时仰拱封闭、上台阶临时扇形支撑法，和CRD、CD比起来，工序不太复杂，便于机械化操作，进度较快。但同时也存在不足之处，如刚性结构的支护抗力过早的话，不能彻底释放围岩压力，这样不利于控制隧道远期的变形。但修筑在泥岩地层中的隧道要进行围岩变形的控制，上台阶临时扇形支撑、上台阶临时仰拱封闭法能使泥岩隧道变形得到有效控制，从而取得良好的施工效果。
参考文献：
[1]TZ204—2008铁路隧道工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2008.
[2]哈达铺隧道设计说明书.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.
[3]隧道变形原因及整治措施研究.西南交通大学，2006.
[4]长隧道软弱围岩大变形特性研究.现代隧道技术.2005.
[5]隧道软岩大变形防治技术问题探讨.路基工程.2005.
[6]中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰渝施隧I—26（I），西安，2009.
关键词：泥岩地层变形控制
0 引言
因为泥岩的强度较低，且具有膨胀性，遇水会软化，所以如果在泥岩地层内进行地下隧道的修建，由此引发的隧道变形（如水平收敛、拱顶下沉等）都会很大，极易损坏隧道初期支护。初期支护喷射混凝土表面脱落、钢架扭曲等都是其具体体现，最后会破坏刚性支护前隧道的稳定性能。我国当前铁路隧道工程施工过程中形成的CRD、CD法以趋于成熟，能对围岩大变形进行控制，以保证安全地进行隧道施工。哈达铺隧道穿越的地层局部为泥岩，本文主要介绍了分部开挖临时仰拱封闭成环和上半断面扇形支撑技术来对围岩变形进行控制的方法。
1 工程概况
兰渝铁路哈达铺隧道为穿越长江、黄河的分水岭——麻子川的越岭隧道，隧道走向大致为西北——东南向，地貌上位于西秦岭高中山区及山间盆地区，山高沟深，山坡、谷坡较陡地面最小高程2224米，最大高程2898.3米，隧道最大埋深约480米，最小埋深约30米，隧道为两座单线隧道，单线全长16600米。
隧道洞身穿越地层局部的泥岩，该地层的矿物成分主要为黏土质的，构造呈泥质结构中厚层状；岩体基本完整，但成岩作用不好，岩质较软，锤击易碎，节理较发育，强风化——弱风化，强风化层多呈碎块状，弱风化多呈块状，具弱膨胀性。该隧道通过的地层主要为下第三系与三叠系不整合接触带，接触面岩体破碎。
隧道泥岩地质段运用IV级和V级围岩复合式衬砌支护结构，初期支护使用钢筋网、锚杆、钢架、喷射混凝土联合支护。根据设计要求，二次衬砌为围岩压力提供抗力，将二次衬当作砌承载结构，分别承担50%~70%的围岩松散荷载。表1为具体初期支护参数。
2 前期隧道施工方法及围岩变形状况
2.1 前期隧道施工方法 按照哈达铺隧道工程设计的特征和地质状况，前期通过台阶法在施工隧道V级围岩段开挖支护，也就是先开挖台阶，完成约30米的上台阶开挖后再开始下台阶的开挖施工，注意上、下台阶的开挖要同步进行；下台阶开挖约20米就开始仰拱开挖，通过钻爆法，人工风枪钻孔和装药，毫秒雷管分段延迟起爆，光面爆破。
结束上台阶的钻孔、装药、起爆、出碴后，根据设计要求先喷射4cm后混凝土封闭岩面和掌子面，施作及安装钢架、锚杆和钢筋网；再按照规定的厚度复喷混凝土。开挖下台阶时，左右跳开进行边墙的开挖，同时根据规定完成边墙钢筋网和锚杆的施作，接长钢架完成边墙的初期支护。
结束约20米下台阶开挖支护后，开始仰拱的开挖施工，且要和上、下台阶的开挖施工同步进行。自制栈桥作為仰拱的运输通道，并使其达到上、下台阶出碴和初期支护材料的运输要求。
开挖仰拱、上下台阶时，为及时了解围岩情况，进行围岩监控量测和地质预报是必要之举。
2.2 前期围岩变形状况 哈达铺隧道V级围岩段经过15天的开挖支护后，围岩会产生较大的变形，初期支护钢架扭曲，表面喷混凝土产生裂缝甚至脱落。
2.2.1 具体监控量测数据特点 现场量测围岩情况后得知：泥岩地层，通过台阶法和钻爆法进行隧道施工的过程中，只有40%的围岩水平拱顶下沉量和收敛位移量基本发生在开挖下台阶的施工中，其余60%都发生在上台阶的开挖施工中。开挖上台阶围岩3~5d后，就会产生剧烈的水平收敛位移及拱顶下沉现象。
①开挖上半断面当天会产生1~3cm/d的变形量，持续7d后变形率会出现显著的下降，也有所缓和。开始开挖下台阶后，变形量又变大，同时在破坏初期支护前日达到1~2cm/d的变形量，15d变形总量约为15cm时，型钢钢架表面喷混凝土出现剥落现象。（在下台阶开挖前，上台阶围岩基本趋于稳定的情况）②开挖上半断面的当天，达到了1~3cm/d左右的变形量，日变形量在0.5~1cm/d左右。开挖下半断面当天，水平方向出现约为3.5cm的变形，同时0.5~1.5cm/d日变形量保持了相当长的一段时间。上台阶变形在15d后约为20cm，此时裂纹现象也开始出现在喷射混凝土上，型钢钢架变得扭曲。（在下台阶开挖前，上台阶围岩仍不稳定的情况）
2.2.2 现场变形的主要特征 待上台阶围岩趋于稳定后，就开挖下台阶，这样以来上台阶就会发生二次变形；如果上台阶围岩的变形得不到解决，就开始开挖下台阶，则上台阶就会加速变形；开挖仰拱前，最明显的初期支护变形表现在钢架节点处向洞内膨胀外鼓，螺栓剪切破坏。
2.3 泥岩地质条件下围岩变形控制 为使上台阶围岩变形情况得到控制，施工中采用上台阶临时仰拱、扇形支撑及及早施作仰拱等方法来控制。
2.3.1 围岩变形原因分析 ①围岩遇水易软化，由此引起的变形也很大，其特点主要表现在流变和塑性，这种变形会破坏隧道初期支护。②泥岩具有膨胀性。如果在泥岩地层中进行洞室的开挖施工，原有地层的应力平衡就被破坏了，加之隧道突然遇水，就会增加向洞内的收敛变形。③因为处于不可溶岩和可溶岩的不整合接触地段，不整合面还是倾斜的，上覆可溶岩下伏不可溶岩。在不可溶岩下进行开挖施工，导致上部地层出现沿崩解性物理风化带的不整合面向下滑移，从而引起洞室变形。④分步开挖造成应力重新分布，应力重分布后带来的直接作用使初期支护产生变形。
2.3.2 变形控制原理 若要使初期支护能力变强，可通过上台阶及早施作仰拱封闭成环、扇形支撑及临时仰拱等方法，促进洞身封闭成环的支护体系的构成，使初期支护的刚度、强度得以充分利用，促进支护抗力的提早运用，从而使围岩变形得到控制。在上台阶围岩大致稳定的状态下开挖下台阶时，可采用临时仰拱。如果上台阶围岩不断产生变形，则可使用扇形支撑进行下台阶的开挖。
2.3.3 变形控制措施、方法及工艺
2.3.3.1 上台阶临时仰拱封闭法 分析现场围岩量测资料得知：开挖下台阶前，上台阶围岩情况大致稳定，拱脚周边保持着0.15mm/d的水平收敛速率，而拱顶下沉速率为0.10。为防止由下台阶开挖而导致的上台阶二次变形，施工过程中运用了临时仰拱法封闭上台阶成环。图1为详细的施工步骤。
工艺流程：①a弱爆破开挖上台阶A；b进行台阶A附近的临时支护和初期支护的施作，即初喷厚度为4cm的混凝土，进行钢筋网的铺设，在上台阶初期支护上安装拱架和锁脚锚杆；c钻设径向锚杆，再按设计中要求的厚度复喷混凝土。②根据要求监测上台阶围岩状况。③安装临时仰拱钢架（I16工字钢）5~6榀（确保单侧边墙开挖1~2m）。④a弱爆破开挖B；b在台阶附近喷混凝土，厚度为4cm，再进行钢筋网的铺设；c将钢架接长，加设锁脚锚杆；d钻设径向锚杆，再按厚度要求复喷混凝土。⑤aB点开挖约10米后，进行弱爆破开挖C；b施作隧底喷混凝土。⑥a分析监控量测的结果，待初期支护收敛后将I16临时拱架拆除；b进行仰拱、填充砼的灌注。
2.3.3.2 上台阶扇形临时支撑 现场测量结果表明：开挖下台阶前上台阶围岩还是不能保持稳定的状态，拱脚周围水平收敛速率为0.6mm/d，拱顶沉降为是0.3。开挖下台阶的过程中，为使上台阶的变形尽量减缓或消除，施工时使用临时扇形支撑，也就是将1环向钢架（I16型钢套拱）重新补加在已完成施工的初期支护钢架的内侧重，使初期支护具备足够的强度及刚度，从而使上台阶初期支护的支护抗力满足要求。图1为具体的施工步骤。
工艺流程：除2.3.3.1③多加设扇形支撑（套拱）5~6榀（确保边墙开挖1~2米）外，其余与上台阶临时仰拱封闭法一样。
2.3.3.3 二次衬砌 结束仰拱的施作后，如果隧道支护和围岩的变形仍在继续，此时的支护抗力可通过二次衬砌来提供。分析围岩量测结果得知，如果初期支护变形一直在继续，同时变形速率未出现明显下降的趋势，应尽快进行二次衬砌的施作。
2.4 控制措施实施效果 对围岩进行现场量测后得知：运用了扇形支撑、临时仰拱等措施后，在开挖下台阶的过程中，不管上台阶的围岩变形是否趋于稳定，都能有效控制上台阶的变形情况，即拱顶下沉和周边收敛分别不超过5cm和8cm，初期支护混凝土不脱落、开裂，拱架也不会产生扭曲变形。
3 结论
实践表明，上台阶临时仰拱封闭、上台阶临时扇形支撑法，和CRD、CD比起来，工序不太复杂，便于机械化操作，进度较快。但同时也存在不足之处，如刚性结构的支护抗力过早的话，不能彻底释放围岩压力，这样不利于控制隧道远期的变形。但修筑在泥岩地层中的隧道要进行围岩变形的控制，上台阶临时扇形支撑、上台阶临时仰拱封闭法能使泥岩隧道变形得到有效控制，从而取得良好的施工效果。
参考文献：
[1]TZ204—2008铁路隧道工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2008.
[2]哈达铺隧道设计说明书.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.
[3]隧道变形原因及整治措施研究.西南交通大学，2006.
[4]长隧道软弱围岩大变形特性研究.现代隧道技术.2005.
[5]隧道软岩大变形防治技术问题探讨.路基工程.2005.
[6]中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰渝施隧I—26（I），西安，2009.