高地应力软岩大变形隧道多层支护体系施工时机研究肖本利 中铁隧道股份有限公司河南郑州450000摘要：针对高地应力软岩隧道大变形的显著特征，以兰渝铁路木寨岭隧道为例，实践结果证明，利用“边放边抗、刚强足够”的多层支护体系进行施工，变形可控、安全可靠为充分利用围岩自身稳定性，需要做到一定程度的释放，释放的时间和空间就决定了支护体系施工时机，根据累计变形及变形速率进行数据模拟，并结合施工现场实际情况进行分析，最终采用多层支护分层分部适时施做，以关键工序控制施工进度，确定合理施工步距，过程变形得到有效控制，断面无侵限，衬砌无开裂关键词：高地应力；软岩；铁路隧道；大变形；多层支护；施工时机0引言近年来随着铁路行业的大力发展，铁路隧道项目在不断增多，而受高地应力影响下的软弱围岩隧道仍是控制性工程，特有的大变形特征仍是关键性的难题在高地应力软岩大变形隧道施工领域，先后也有一大批专家学者进行了研究探索，得出了较为丰富的经验和结论，如关宝树的《软弱围岩隧道施工技术》一书中就大变形原理进行了分析，并针对掌子面后方位移控制技术中提到多重支护体系[参考文献1]，赵佃锦就《兰渝铁路木寨岭隧道高地应力软岩施工变形控制研究》一文中对木寨岭隧道的高地应力及变形规律进行研究，利用数据对围岩及支护特性模拟测算，得出高地应力软岩隧道支护刚度应足够，施工步距应合理[参考文献2]。
采用多层支护体系施工的隧道也有较多实例，如兰武二线乌鞘岭特长隧道[参考文献3]，兰渝铁路两水隧道[参考文献4]，通过支护刚度的加强，有效的控制了大变形针对大量多层支护体系的应用实例，虽变形得到有效控制，但现场施工组织却各有差异，兰渝铁路木寨岭隧道高地应力已经超出常规，在借鉴先进经验的同时，还需要将每层支护体系的施做时机进行掌控，安排合理的工序循环，确定关键工序，制定合理步距，才能保证断面不侵限、衬砌结构不开裂目前木寨岭隧道主要通过第二层初期支护分部施做，长锚杆长锚索提前同步施工，注浆紧跟掌子面，仰拱控制开挖进度，第三层支护稳定变形，实现了快速高效的施工1工程概况兰渝铁路木寨岭隧道设计为双洞单线分离式特长隧道，全长19.1km该隧道属于大地构造的挤压区，区域构造的断裂区，洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占全隧的46.53%，穿越的特殊不良地质段总计长约16.1km占隧道长度的84.47%，通过11条大断裂、三个背斜和两个向斜构造，属于典型的软弱围岩开挖后极其松散，多呈泥质粉末状，岩体揉皱发育极其明显，就像捏在手上的一团土，揉在一起既不能粘结在一起，遇水遇风即融，另外稳定性差，极易发生坍塌现象。
勘察期间测得地应力最大水平主应力可达27.16MPa，而木寨岭隧道洞身板岩及炭质板岩围岩强度约为0.26～5Mpa，围岩强度应力比仅为0.01～0.2，与规范极高地应力（σmax/R＜4）相比，处于“极高地应力”水平，本隧道走向（N55～60°W），地应力方向应该为（N30°～40°E）在高地应力环境的作用下，变形已超出常态，呈现变形量大、变形速率高、持续时间长、难以稳定的流变特征，在国内无一参考实例，围岩应力比远小于业内“极高地应力规定值”的十倍2多层支护体系（1）支护参数支护参数如表1所示：表-1多层支护体系参数表（2）支护断面采用圆形曲率断面，衬砌内轮廓半径4.96m，第一层支护预留变形量50cm，第二层支护预留变形量40cm，第三层支护预留变形量15cm，支护断面如图1所示：附图-1多层支护断面图3施工方法（1）台阶控制根据高地应力软岩隧道施工规范要求，采用三台阶开挖法，上台阶预留部分核心土，减少围岩滑塌，确保支护效果，上台阶高度控制在3.5m以内，长度不大于5m，含2m核心土范围、3m钻机作业空间；中台阶高度控制在4m以内，长度规范要求5-8m2）支护顺序①上部开挖及第一层初期支护→②中台阶左、右侧错开开挖及第一层初期支护→③下台阶左、右侧错开开挖及一层初期支护→→④拱墙第二层初期支护（根据变形控制情况确定施做时机）→⑤底部开挖（捡底）→⑥仰拱一、二、三层初期支护及仰拱填充→⑦拱墙第三层初期支护施工→⑧径向注浆、长锚杆、锚索施工（根据合理施工组织及控变形效果进行组合确定施工时机）→⑨衬砌施工。
4拱墙第二层支护滞后下台阶加固体系滞后三支施工时机考虑到小导洞释放围岩应力后，多层支护时变形相对较小，将双层支护及锚杆锚索加固体系滞后施做，此时第二层支护及长锚杆长锚索施工不占工序时间，掌子面进度加快，其他工序均可同步施工二支滞后下台阶加固体系滞后三支平面布置图如图2所示图-2二支滞后下台阶加固体系滞后三支平面布置图（1）工法选用思路：将拱墙第二层支护滞后掌子面16m的位置施做，这样既不影响上台阶开挖作业也不影响仰拱支护但该工法是相对于第一层初期支护变形较小的情况下施做，如果当现场第二层支护未施做前，第一层支护就已侵入衬砌净空的话，该工法就没有实用价值了该工法上中下三台阶每进尺0.7m需要12h2）台阶长度：上台阶长度为5m，中台阶长度为5m，下台阶考虑到围岩自稳，预留4m的自然堆坡距离3）第二层支护施做时机：为便于挖机在掌子面作业，第二层支护距离上台阶不大于16m，按照1.4m/d的进尺，封闭需要11天4）仰拱施做时机：因第二层支护已提前施做，现场已空出作业台架的空间，仰拱可以同样提前，为尽早将支护封闭成环，同时不影响掌子面正常作业并考虑到了备料空间，仰拱采用仰拱栈桥作业，距掌子面距离31-37m，按照1.4m/d的进尺，封闭需要26天。
仰拱施工长度控制在单循环开挖3m以内，衬砌及填充砼每循环6m以内5）第三层支护施工时机：从目前第三层支护施工效果来看，能在很大程度上降低围岩收敛速率，尽早的施工第三层支护对围岩控制变形十分必要，同时兼顾挖机作业空间，第三层支护距掌子面距离控制在42-48m6）锚杆、锚索施做时机：第二层支护施做完毕之后，在不占工序时间可同步施工时，尽早施做锚索，若在第三层支护施工前，锚杆、锚索未施做完成，在第三层支护上预留孔洞，便于三层支护后继续施做7）开挖进尺为0.7m/循环，日开挖进度为1.4m/d，月进度指标为42m，因考虑到第二层支护、仰拱、三层支护对掌子面有干扰，进度指标按照80%考虑，综合月进度指标为33.6m/月第二层支护封闭需要20天8）根据量测数据统计分析：①净空收敛大于拱顶下沉，比例为1/2-2/3，说明隧道主应力在主要集中在水平方向，形成侧向压力较大②第二层支护后变形速率能减小1/3-1/2，说明第二层支护增加支护整体刚度后控变形效果较强，在第二层支护未施做之前变形一直不稳定③第三层支护后仍出现较大变形，说明加固体系的施工将围岩再次进行扰动，变形出现突变，需要将加固体系提前施做，确保支护体稳定后施做第三层支护。
5拱墙第二层支护滞后中台阶加固体系滞后三支施工时机考虑到前期多层支护试验工法的效果，第二层支护对变形控制极其有利，控变形效果很明显，小导洞虽释放了部分围岩应力，但变更为圆形断面加到预留变形量后，松动圈在继续增大，大变形仍然存在，因此考虑在中台阶就开始施做上中台阶第二层支护，可有效控制前期大变形二支滞后中台阶加固体系滞后三支平面布置图如图3所示图-3二支滞后中台阶加固体系滞后三支平面布置图（1）工法思路：将第二层支护提前至中台阶就施做，后续工作正常开始，根据之前开挖的变形情况综合判断，中台阶第一层支护在下台阶未接腿之前就已变形侵入二层支护净空，所以采用该工法，目的就是为了控制变形减少拆换拱但该工法在中台阶施做第二层支护时掌子面需要暂停施工，工序上受到限制该工法上中下三台阶每进尺0.7m需要14.1h2）台阶长度及高度：上台阶长度5m，高度3.5m以内，中台阶考虑到要施做第二层支护，需要搁置3m长施工台架，长度控制在7m以内3）上中台阶第二层支护施做时机：因上中台阶拱脚变形速度快、空间移位大，为避免出下台阶前一层支护就已侵入二层支护净空或拱架外凸不能顺接的情况发生，第二层支护可在中台阶提前进行施做，根据之前的施工经验，中台阶上套拱后变形明显减小，上中台阶二层支护距离中台阶一层支护1.4m，现场每施做中台阶一层支护2.8m后须暂停掌子面施工一次施做第二层支护2.8m，按照1.2m/d的进尺，封闭需要6-7天。
现场可在备料区提前备料4）下台阶第一二层支护施工：下台阶每开挖1循环就可将一二层支护全部落底，按照1.2m/d的进尺，三台阶一二层支护封闭需要10-11天这样很大程度上减小了支护变形的空间和速度，为后期仰拱及衬砌施工提供了足够的变形时间和空间5）仰拱施做时机：因第二层支护已提前施做，现场已空出作业台架的空间，仰拱可以同样提前，为尽早将支护封闭成环，同时不影响掌子面正常作业并考虑到了备料空间，仰拱采用仰拱栈桥作业，距掌子面距离25-31m，按照1.2m/d的进尺，封闭需要25天仰拱施工长度控制在单循环开挖3m以内，衬砌及填充砼每循环6m以内6）第三层支护施工时机：在中台阶施做第二层支护的目的就是控制围岩的变形速率，为后期仰拱衬砌提供时间，加上从目前第三层支护施工效果来看，能在很大程度上降低围岩收敛速率，因此尽早的施工第三层支护对围岩控制变形十分必要，根据现场情况，第三层支护距掌子面距离可控制在41m7）第二层支护施做完毕之后，在不占工序时间可同步施工时，尽早施做锚索，若在第三层支护施工前，锚杆、锚索未施做完成，在第三层支护上预留孔洞，便于第三层支护后继续施做8）开挖进尺为0.7m/循环，日开挖进度为1.2m/d，月进度指标为37m，因考虑到第二层支护、仰拱、第三层支护对掌子面有干扰，进度指标按照80%考虑，综合月进度指标为30m/月。
第二层支护封闭需要10-11天9）根据量测数据统计分析：①净空收敛大于拱顶下沉，比例为1/2-2/3，说明隧道主应力在主要集中在水平方向，形成侧向压力较大②第二层支护在中台阶提前施做可提前减小变形增大，避免单层支护变形时间较长出现侵限情况，从累计变形来看，中台阶施做二支，累计变形可减小一半，说明扩挖过程中围岩应力需要边放边抗，及时强有力的刚性支护才能减小变形，不能长时间的释放后支护③三第层支护后仍出现较大变形，说明加固体系的施工将围岩再次进行扰动，变形出现突变，需要将加固体系提前施做，确保支护体稳定后施做第三层支护6拱墙第二层支护滞后中台阶加固体系滞后第二层支护施工时机从前期的施工情况来看，圆形断面扩挖变形仍然较大，且变形速率快，短时间内若未得到有效控制，将出现薄弱环节侵限，且在第三层支护上施做的径向注浆、长锚索长锚杆加固体系还会对围岩后期造成扰动，稳定后的支护体在继续变形，衬砌前无法稳定因此仍将第二层支护在中台阶提前施做，加固体系施做在第二层支护之上并尽早施做，用以延缓支护体变形，确保第三层支护后变形趋于稳定二支滞后中台阶加固体系滞后二支平面布置图如图4所示图-4二支滞后中台阶加固体系滞后二支平面布置图（1）工法思路：在拱墙第二层支护滞后中台阶加固体系滞后三支施工时机的基础上，将第三层支护与加固体系的施工顺序调换。
2）第三层支护施工时机：第三层支护能有效稳定变形，但有一定的时效期，且扰动下极易发生二次变形，因此将第三层支护滞后加固体系施工，确保衬砌前支护体的稳定3）径向注浆、锚杆、锚索施做时机：径向注浆在第一层支护后及时施做，纳入正常工序，本循环立拱可对上循环加固，不占用工序时间中台阶第二层支护完及时施工上中台阶长锚杆，本循环对上循环进行施做下台阶二层支护完及时利用履带式潜孔钻车施做下台阶长锚杆长锚索，不占工序同步施工仰拱支护完成后及时利用台架+潜孔台钻进行上中台阶锚索施工。