峽口隧道高地應力軟巖段變形施工技術研究

李新亮

(中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 404100)

0 引言

隨著隧道工程得到越來越廣泛的應用，在地形、地貌及地質背景復雜的地區，修建穿越高地應力且地質環境惡劣的軟弱圍巖區的長大隧道工程不可避免［1］。在山嶺深埋隧道建設過程中，除了需考慮松弛壓力，還需考慮在高地應力作用下的軟弱圍巖蠕變壓力，隧道在此狀態下圍巖自穩能力差，開挖易發生擠壓變形，嚴重破壞隧道的支護結構，常規的施工技術無法有效遏制其變形的發展。由于隧道圍巖軟弱、地應力較高、變形大且持續時間較長，為高速公路長大隧道的設計和施工帶來了重大的挑戰［2］。目前我國在高地應力軟巖隧道建設時，對隧道圍巖變形和控制的理論缺乏系統研究，設計和施工的工程措施缺乏針對性，施工安全難以保證，工程投資難以有效控制［3］。

本文以峽口隧道高地應力軟巖段為依托，開展施工技術系統研究，分析高地應力軟巖隧道的地質條件、圍巖及初期支護變形特征，運用超前地質預報技術手段，采用交叉中隔壁法開挖，采取噴射混凝土、錨桿、鋼筋網和可伸縮性U形鋼架等相結合的聯合初期支護技術，并及時施作仰拱、二次襯砌等支護措施，有效地控制了峽口隧道進口段高地應力軟巖大變形。對國內外同類工程施工具有很好的現實意義和借鑒價值。

1 工程概況

峽口隧道位于湖北省興山縣峽口鎮境內，是宜巴高速公路重點控制性工程，具有“高地應力、軟巖、順層、斷層、深埋、大變形”等特點，隧道區地層巖性主要為砂質粉砂質頁巖、炭質頁巖、砂質泥巖、粉質泥巖，圍巖巖體較破碎、拱頂易順層片落。地下水以基巖裂隙水為主，偶有線狀滲水現象。隧道最大埋深約1 500 m，屬深埋特長隧道。

隧道圍巖內部存在著高地應力，隧道區的地應力場以水平應力為主導，水平地應力以構造應力為主;其中，最大水平主應力與隧道軸線的交角較大，對隧道圍巖的穩定性不利;地應力量值中炭質頁巖為極高應力。隧道現場斷面測試結果［4］顯示，洞身最大水平應力為13.06 MPa，橫斷面最大初始應力 σmax=12.37 MPa，對應巖體(炭質頁巖、砂質頁巖、砂質泥巖、粉質泥巖)的單軸抗壓強度 Rc=2.5 MPa～8.7 MPa，Rc/σmax=0.2 ～0.7。根據《工程巖體分級標準》［5］，地應力等級為高、極高地應力，隧道極易產生大變形。

2 隧道變形特征

峽口隧道高地應力軟巖段洞身圍巖巖體比較破碎，拱頂易順層片落，隧洞側壁偶有掉塊現象;洞室多呈干燥狀，且局部裂隙滴狀滲水，偶有線狀滲水現象。隧洞掌子面揭露的圍巖情況表明，該段圍巖巖體節理、裂隙遍布，巖體非常破碎，巖層多呈薄層、交互狀，開挖后圍巖自穩能力差，易坍塌。

該洞在此段原設計采用臺階分部開挖法，初期支護施工實際采用Ⅰ16，Ⅰ18及Ⅰ20工字鋼+噴錨支護，榀間距60 cm～100 cm，噴射混凝土厚度22 cm～30 cm不等，錨桿長度3 m～3.5 m，錨桿縱向間距與鋼支撐間距一致，環向間距為1.2 m。隧道開挖支護完成后，圍巖發生大變形，部分斷面發生侵限現象。其中YK105+076～YK105+100段通過監測數據顯示局部最大拱頂下沉量累計達到了64 cm，周邊收斂最大11 cm，遠大于初始預留變形量。

隧道初期支護襯砌裂縫先自拱腳部位產生，最初為羽狀剪裂紋，隨后向拱頂發展，最后形成貫穿裂縫，裂縫寬度達1 cm～2 cm。在高地應力軟巖段，圍巖變形強烈，而且持續時間長。在初期變形后，變形并沒有停止，而是以等速繼續發展，甚至加速發展，多呈不收斂的趨勢，反映了高地應力作用下圍巖具有軟弱和顯著的流變性特征。隧道圍巖的持續變形，使初期支護變形過大而發生破壞，不得不進行拆換拱或套拱施工，對隧洞安全十分不利。

3 變形施工技術

在高地應力軟巖隧道施工過程中，處于高地應力環境穩定狀態巖體遭到破壞，引起圍巖應力重分布和局部區域應力集中，引起圍巖塑性和粘性流動，產生隨時間增長的變形。另一方面，經常由于設計施工初期對高地應力軟巖隧道認識不足，采用較弱的初期支護參數、不合理的開挖方法、未及時支護等，直接導致圍巖變形發展快，造成變形超限，甚至引起坍塌失穩。

工程實踐表明，工程擾動是產生隧道大變形的主要外部因素;而不合理的支護參數、開挖方法等是產生大變形的直接原因。峽口隧道高地應力軟巖段施工過程中，采取深入分析圍巖變形機理，采用結合超前地質預報技術，調整優化施工工藝、支護參數等綜合施工技術措施，控制圍巖變形的發展，使圍巖重新處于新的平衡狀態。

3.1 超前地質預報

目前國內外超前預報主要采用TSP超前預報系統、圍巖地質素描和超前水平鉆孔［6］等方式。在峽口隧道高地應力軟巖段開挖前，為了解前方地質情況，主要采用TSP超前地質預報技術進行工作面前方地質預報，TSP超前預報系統是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來預報隧洞掌子面前方及周圍臨近區域的地質情況。其中YK104+858～YK104+978范圍TSP探測結果的工程地質評價如表1所示。

表1 TSP探測結果的工程地質評價

探測段YK104+858～YK104+978中，巖性為灰巖夾頁巖、頁巖;灰巖呈中厚層狀，鑲嵌碎裂結構;頁巖呈中薄層狀結構;整體上水量不大，呈潮濕或滴水狀;炭巖段因巖性較硬且地層傾向掌子面前方，穩定性一般，僅局部易掉塊;頁巖段，巖體軟弱，易大變形和坍塌，建議加強并及時進行初期支護。

3.2 超前支護加固

峽口高地應力軟巖段隧道，因隧洞區圍巖破碎、地應力高、開挖施工后不能自穩，為保持拱部圍巖穩定。施工過程中在掌子面掘進前采用小導管注漿預加固技術。小導管制作采用的熱軋無縫鋼管外徑為42 mm、壁厚為3.5 mm，小導管前端呈尖錐狀，以減少入孔的阻力，注漿壓力選擇為0.5 MPa～1.0 MPa。在小導管2.9 m長度范圍內的管壁四周鉆6 mm壓漿孔，呈梅花形布置。小導管間距為15 m，尾部有1 m不設壓漿孔，焊上Φ6的箍筋。前后兩循環小導管縱向搭接長度不小于1 m，以保證超前支護的連續性。施工時小導管與襯砌中線平行，以10°～15°仰角打入拱部圍巖，并通過小導管將水泥漿強制注入至拱部巖石裂隙內，能夠極大的提高隧洞開挖安全性，有效的防止了坍塌。

3.3 合理開挖方法

對于軟弱圍巖隧道采用臺階法施工，各施工工序間距太長，仰拱閉合滯后，無法及時形成封閉的支護結構體系，襯砌不能緊跟澆筑，致使初期支護的支護強度不足，易導致開挖大變形，甚至引起坍塌失穩，經常不得不進行初期支護拆換、隧洞擴挖等處理措施。

峽口隧道高地應力軟巖段原設計施工采用環形臺階法開挖，出現圍巖大變形后，改用為中隔壁交叉法開挖。中隔壁交叉法采用先開挖隧道一側的一或二部分，并施作部分中隔壁和橫隔板;再開挖隧道另一側的一或二部分，完成橫隔板施工;然后再開挖最先施工一側的最后部分，并延長中隔壁，最后開挖剩余部分的施工方法。其將斷面分塊，減小開挖跨度和降低開挖高度，形成分部開挖，分塊成環，及時封閉，環環相扣，形成全斷面初期支護封閉結構。中隔壁交叉法可有效減緩圍巖變形速率，承受圍巖壓力，對于控制圍巖大變形，具有明顯的效果。

3.4 強化初期支護

峽口隧道高地應力軟巖段初期支護調整采用錨+噴+網聯合支護結構，按照初噴混凝土、立U形鋼架、打錨桿、掛鋼筋網、復噴混凝土至襯砌設計厚度的順序，緊跟隧道開挖面進行支護施工。其調整后參數為:噴射混凝土26 cm;全斷面布置φ8鋼筋網(25 cm×25 cm);鋼拱架采用U29的型鋼，其間距為1.2 m;型鋼間采用φ22縱向連接筋連接成整體;錨桿采用長4 m的φ22砂漿錨桿，縱環向間距為120 cm×100 cm，梅花形布置。

3.5 適時二次襯砌

隧道二次襯砌施作時機對于控制高地應力軟巖隧道變形具有重要作用，襯砌時機不當，易導致二次襯砌破壞，隧道凈空被侵限。為保證隧道能夠抵御巨大形變壓力，峽口隧道高地應力軟巖段二次襯砌應采用鋼筋混凝土結構，混凝土最小厚度為45 cm，在圍巖監控量測結果收斂后再進行施工。對于大變形隧道，具有變形量大、收斂速度慢的特點，隧道在遠未達到規范要求的收斂變形速率時初期支護可能就已失穩破壞，合理的二次襯砌施作時機對于大變形隧道至關重要。峽口隧道高地應力軟巖段變形速率小于1 mm/d～2 mm/d時，立即施作45 cm厚的鋼筋混凝土二次襯砌，距離掌子面70 m～80 m左右，讓襯砌承受部分形變壓力，可有效控制大變形發展。這是軟巖大變形控制中“先放后抗”的原則。

4 圍巖監控量測

峽口隧道高地應力軟巖段圍巖監控量測項目包括支護結構受力量測和圍巖變形量量測。

4.1 支護結構受力量測

為掌握峽口隧道高地應力軟巖段隧洞開挖后圍巖壓力分布特點，以及初襯、二襯施作后受力隨時間的變化規律，研究隧洞在現有施工技術下的變形控制效果。開展現場支護結構受力監控量測。采用埋設壓力盒和鋼筋應力計進行量測，根據隧道現場情況，選定某些典型斷面進行現場監測。分別在斷面拱頂、兩側拱腰和拱腳位置布設土壓力盒和鋼拱架表面應變計。其中YK105+122斷面監測結果如圖1，圖2所示。

圖1 YK105+122斷面接觸壓力監測曲線

圖2 YK105+122斷面鋼拱架應變監測曲線

YK105+122斷面在埋設監測元件前，隧洞初襯已產生貫通性裂縫，并對拱頂進行了清理和換拱工作，使得圍巖壓力得到進一步的釋放。

根據圍巖接觸壓力監測結果圖1可知，在監測時段內，該斷面圍巖與結構接觸壓力具有不斷增加趨勢，最大應力達100 kPa左右。鋼拱架表面應變計監測結果如圖2所示，其顯示斷面換拱后鋼拱架受力持續增加，兩拱腰與拱頂處受力最大，其中右拱腰最大應力為223.5 MPa。雖然該斷面目前仍處于非穩定受力狀態，但均處在安全范圍，且隨時間變化其應力增加緩慢。說明斷面受高地應力作用，圍巖巖性較差，不斷向洞內擠壓變形，后期伴隨高地應力的完全釋放、二次襯砌施作，圍巖將重新達到穩定狀態，鋼拱架受力將趨于穩定。

4.2 圍巖變形量量測

隧道圍巖變形量量測包括拱頂下沉量量測和水平位移量量測。圍巖變形量量測是隧道圍巖應力狀態變化最直觀的反映，為判斷隧道空間的穩定性提供可靠的數據，可根據變形速度判斷隧道圍巖的穩定程度。主要用于指導施工，判斷施工技術效果，能夠及時掌握隧道整體的穩定情況。

拱頂下沉與水平位移量測點布設為同一斷面，采用隧道周邊、拱頂位置埋設測點進行拱頂變形量測。隧道拱頂下沉采用精密水準儀、收斂計和掛鉤鋼尺量測，并配以拱頂點掛鉤吊掛;水平收斂量測采用數顯式收斂計進行監測。洞內每隔5 m～20 m設置一處觀察斷面，盡可能靠近開挖工作面埋設，一般為0.5 m～2 m。初讀數在開挖后12 h內讀取，最遲不超過24 h，而且在下一循環開挖前，完成初期變形值讀數。其中YK105+240斷面圍巖變形量測結果如圖3，圖4所示。

圖3 YK105+240斷面拱頂累計沉降量與沉降速率

圖3顯示，監測斷面 YK105+240拱頂累計沉降量達－116.4 mm;拱頂沉降變形較大，支護初期沉降速率較大，圍巖變形發展較快。

圖4表明，監測斷面YK105+240累計水平收斂66.64 mm;顯示斷面開挖卸荷后水平收斂速率較大，水平位移快速增長。說明該段隧洞圍巖巖性較差，初始地應力水平高，隧洞開挖后圍巖產生擠壓大變形，圍巖自穩能力差。但伴隨高地應力軟巖隧道變形施工技術的相關施工措施實施，圍巖變形速率明顯得到很好的控制，拱頂位移緩慢增長、下沉量不再增長，水平位移增長緩慢，圍巖趨于穩定。

圖4 YK105+240斷面周邊收斂量與收斂速率

5 結語

1)高地應力軟巖隧道具有圍巖變形強烈，且持續時間長。通過采用超前地質預報探明掌子面前方地質情況，對施工可能誘發的地質災害建立預警系統，進行動態化施工，是高地應力軟巖隧道變形施工技術有效的手段。

2)峽口隧道高地應力軟巖段采用的小導管注漿預加固，交叉中隔壁法開挖，錨、噴、網聯合支護結構，適時二次襯砌等綜合變形施工技術，是保證隧道圍巖變形穩定和支護結構安全的重要技術措施。

3)隧道圍巖支護結構受力量測和凈空變形量測結果顯示，峽口隧道高地應力軟巖段伴隨變形施工技術的相關施工措施實施，圍巖變形速率明顯得到很好控制，位移增長緩慢，圍巖趨于穩定。表明峽口隧道高地應力軟巖段變形施工技術是科學的、合理的，對國內外類似工程建設具有很好的借鑒意義。

［1］劉 高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機理分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(S2)：5521-5526.

［2］李鴻博，戴永浩，宋繼宏，等.峽口高地應力軟巖隧道施工監測及支護對策研究［J］.巖土力學，2011(S2)：496-501.

［3］房 倩.高速鐵路隧道支護與圍巖作用關系研究［D］.北京：北京交通大學博士學位論文，2010.

［4］陳衛忠，李海波，黃理興，等.湖北省宜巴高速公路17標段峽口隧道地應力測試報告［R］.武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2012.

［5］GB 50218-94，工程巖體分級標準［S］.

［6］趙天熙.超前地質預報技術在西格二線關角隧道的應用［J］.鐵道建筑，2010(2)：34-37.