1.中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031；2.云桂铁路云南有限责任公司 650011
摘要：滇西红层特长隧道围岩以紫红色泥岩、砂岩为主，节理裂隙发育，受构造影响严重，大埋深段在地应力作用下易发生软岩大变形，危及隧道施工安全，制约隧道工程进度。本文依托大瑞铁路秀岭、大坡岭和杉阳三座特长隧道，基于滇西红层特长隧道工程地质特征及施工过程中的变形特征，对软岩大变形控制技术进行深入研究，研究表明：1）滇西红层隧道软岩变形控制应遵循“主动控制、适度释放”的理念，长锚杆是实现适度释放、主动控制围岩变形关键，与钢架、喷混凝土、钢筋网等组成联合支护体系；2）调整开挖洞形、提高结构刚度、初支快速封闭、预留补强空间对控制变形较为有效；3）应强化围岩内外联合措施，通过围岩的注浆等提高围岩承载力。
关键词：滇西红层；特长隧道；软岩大变形；支护体系
1工程概况
大理至瑞丽铁路为设计时速140km/h单线铁路。其中大理～保山段正线长133.660km，正线隧道21座，共103.680km，占线路总长的77.6%，局部地段达90%以上。秀岭隧道（17623m）、大坡岭隧道（14665m）、杉阳隧道（13390m）主要穿越“滇西红层”侏罗系、白垩系泥岩夹砂岩、页岩，以薄层状为主，围岩变化频繁、岩体强度低，隧道最大埋深1120m，易变形，前期施工过程中曾多次发生变形侵限情况。
2工程地质特征
2.1区域地质
大理至瑞丽铁路大保段横跨金沙江-红河断裂带和澜沧江深大断裂，地跨扬子亚板块之盐源-丽江陆缘拗褶带、印支亚板块之兰坪-思茅拗陷与滇缅泰亚板块之保山褶皱带。区域地质构造复杂，新构造运动强烈，发育有众多不同性质的断层，地震活动频繁为主要特征。与线路密切相关的褶皱构造线有21条，其中18条对隧道工程有影响。与线路相交的断层有52条，其中40条断层与隧道相交。
长大隧道主要穿越“滇西红层”之软质岩，褶皱和断层构造及其发育，岩体被强烈挤压破碎，围岩级别一般较低，IV、V级围岩一般占隧道长度的50％。
2.2地应力情况
（1）秀岭隧道
水平构造应力为6～26MPa，平均值约12MPa，其中隧道在800～900m深度范围内水平构造应力最大，为20～26MPa，水平主应力方向与线路交角约17°，属高地应力场区。
（2）大坡岭隧道
隧道水平构造应力4.7～14.1MPa，平均值约7.2MPa，属高地应力场区，埋深560m以下随深度增加不明显，在5～8MPa范围内波动，水平主应力方向与线路交角约11～22°。
（3）杉阳隧道
隧道洞身附近的最大水平主应力为12～20MPa，最小水平主应力为8～14MPa，垂直主应力为13～20MPa，水平主应力方向与线路交角约3°。
2.3大变形等级
根据3座隧道实际揭示地质条件，根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）以隧道岩体强度应力比为基础，考虑岩体完整性系数和地下水的影响，对隧道软岩大变形进行分级，三座隧道强度应力比为0.16~0.28，故大变形等级分为轻微大变形和中等大变形。
3初期支护变形特征
前期3座隧道或多或少不同程度出现初异常变形情况发生，变形特征主要是边墙初支开裂，拱部喷砼起皮掉块，部分段落边墙内挤，仰拱隆起，变形尤其在上、下台阶处钢架连接板位置出现外鼓，直至钢架扭曲变形失效初支侵限。变形以水平收敛为主。异常变形特征大致可以分为四种类型，具体为：拱顶及拱脚掉块；拱脚掉块，喷砼剥落，拱脚钢架变形；拱脚掉块，喷砼剥落，单侧边墙初支内挤；拱脚掉块，混凝土剥落，两侧边墙初支内挤，底板（仰拱）隆起。
以秀岭隧道为例，前期施工过程中初期支护变形情况如下表：
表1秀岭进口平导变形异常表
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表2秀岭进口正洞变形异常表
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表3秀岭出口平导变形异常表
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表4秀岭出口正洞施工情况统计表
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4高地应力软岩大变形处理调研情况
4.1成兰铁路调研情况
成兰铁路南起成都，经川主寺、九寨沟，向北接兰渝铁路的哈达铺站，全长475km，2013年10月成都至川主寺（黄胜关）276km开工建设，共有隧道17座，总长176km，占比64%。穿越区域70%的岩体为枀其破碎的千枚岩、板岩、碳质板岩、片岩，最大现场实测地应力达33MP，高地应力突出，带来的问题复杂多变，全线17座隧道中，9座发生了高地应力软岩大变形。按变形特征，成兰线大变形主要分为挤压型、结构型、洞群放大型和复合型4种类型。从控制围岩塑性区发展，主动加固围岩，发挥围岩自承能力出发，成兰铁路提出隧道大变形二十字方针：“加深地质，主动控制，强化锚杆，工法配合，优化工艺”。关键技术是“四快”“三强化”，即：
（1）快挖，为减少围岩暴露时间，由传统多台阶开挖变化为大台阶或全台阶开挖，避免多次扰动围岩；
（2）快支，为最短时间形成对围岩的支护反力，在大台阶和全断面后，缩短支护安装时间；
（3）快锚，为最短时间发挥锚杆对围岩的锚固作用，开挖后及时施工锚杆，受空间限制时，也要先施工短锚杆，长短锚杆结合；
（4）快封闭，为最短时间内发挥初期支护的最大承载力，开挖后，主要承载结构初期支护要尽快封闭；
（5）强化支护形状对控制变形和底鼓的作用，为加强支护刚度，减小支护变形，调整开挖轮廓，增强支护形状对地应力大小、方向的适应性，增大支护轴力，减小弯矩。
（6）强化锚杆（索）对围岩的加固作用，为加固围岩，提高围岩的承载和抗变形能力，需充分发挥不同长度锚杆（索）的组合作用。
（7）强化注浆对围岩性质的改善作用，为改善围岩力学性能，提高围岩的承载和自身抗变形能力，利用高压注浆方法充填围岩裂隙。
4.2兰渝铁路调研情况
兰渝线软岩大变形段落总长约83km，多座隧道施工中出现了软弱围岩的大变形问题：初期支护喷混凝土开裂、掉块，钢架扭曲、断裂，初期支护失稳破坏及侵限等现象。
兰渝线采用BQ法对高地应力软岩进行了全面的分级，并提出一套基于增大预留变形量、提高支护刚度、加强径向注浆和长锚杆、预留补强空间、严控循环进尺的处理原则及措施。
兰渝线软岩大变形分级标准和不同大变形等级的处理措施如下表所示：
表5不同大变形等级的处理措施表
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5软岩大变形控制技术研究
基于滇西红层特长隧道的工程地质特征以及前期施工的变形特征，并借鉴以往工程软岩大变形处理的成功经验，制定针对滇西红层隧道软岩大变形具体如下：
5.1大变形控制原则
大保段秀岭、大坡岭和杉阳3座隧道具有典型的“滇西红层”围岩软弱及变化快的特点，为防止出现初支拆换，解决变形这一难题，在借鉴成兰、兰渝铁路的处理隧道变形经验的基础上，总结大保段变形特征并分析地质条件，大保段隧道设计遵循“主动控制、适度释放”的理念，施工长锚杆是实现适度释放、主动控制围岩变形关键，与钢架、喷混凝土与钢筋网等组成联合支护体系，强化锚杆支护和围岩浅表注浆的原则。
5.2大变形衬砌支护体系
（1）轻微大变形
对于泥岩夹砂岩，以泥岩为主，紫红色，暗紫色，泥质结构，中厚层状构造地段，岩体强度应力比(M)约为0.25~0.5，判识为轻微大变形地段，调整二衬内轮廓加大曲率为“蛋形”，其支护措施具体为：
表6轻微大变形衬砌支护参数
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（2）中等大变形
对于以薄层泥岩、页岩为主地段、以及对应平导变形较大等局部地段，岩体强度应力比(M)为0.15~0.25，判识为中等大变形地段，调整二衬内轮廓，其余支护措施具体为：
表7中等大变形衬砌支护参数
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5.3围岩内外联合支护
合理控制变形的方式是通过围岩的内外联合，即开挖表层的喷射混凝土和钢架组成的支护阻力层提供相应的支护阻力，并通过围岩的注浆等提高围岩承载力的方式进行处理。为此，拟采取拱部浅层注浆+拱墙修复注浆进行提高围岩承载力，具体为：
（1）拱部浅表注浆
鉴于目前初支背后普遍存在脱空的现象，初支完成喷射混凝土上强度后及时对拱部进行浅表注浆，注浆孔口尽量紧贴钢架钻孔，环向间距100cm，纵向间距与钢架间距匹配，每环7根，长0.5m/根。注浆孔采用φ42钢花管，长0.5m。
（2）拱墙径向注浆
为主动改善围岩条件，在不影响掌子面施工的前提下，及时对拱墙进行径向注浆加固，注浆孔口尽量紧贴钢架钻孔，环向间距100cm，纵向间距与钢架间距匹配，每环7根，长3.0m/根。注浆孔开孔直径75mm，终孔不得小于42mm，再埋入φ42孔口管，管长0.5m。注浆材料采用1：1水泥浆液，注浆压力控制在0.5～1.0MPa。
6结论与建议
（1）滇西红层隧道软岩变形控制应遵循“主动控制、适度释放”的理念，长锚杆是实现适度释放、主动控制围岩变形关键，与钢架、喷混凝土、钢筋网等组成联合支护体系，本文通过研究得出了适用于滇西红层隧道软岩变形的衬砌支护体系和支护参数。
（2）调整开挖洞形、提高结构刚度、初支快速封闭、预留补强空间组合应用是控制变形较为有效的方法。
（3）在加强支护结构的同时，应重视提高围岩承载力，通过注浆对围岩进行补强，充分发挥围岩自承能力，形成围岩内外联合支护。