木寨嶺隧道高地應力軟巖地段大變形控制技術

王瑛楠，肖本利

（中國中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州475001）

木寨嶺隧道高地應力軟巖地段大變形控制技術

王瑛楠*，肖本利

（中國中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州475001）

由于蘭渝鐵路木寨嶺隧道受高地應力軟弱圍巖及斷層帶地質的影響，施工過程中圍巖擠壓變形顯著，空間移位較大，變形周期長。為杜絕變形帶來的有害因素，確保隧道長久安全性，迫切需要對高地應力軟巖地段大變形控制技術進行詳細闡述，并形成有效控變形理念。通過借助以往軟弱圍巖隧道施工控變形成功經驗，以蘭渝鐵路木寨嶺隧道施工變形情況為例，采用新奧法施工原則，并按小工作面施工法、先柔后剛、應力釋放、分階段加強支護、多層支護等設計理念有效的控制了圍巖大變形。

高地應力軟弱圍巖；大變形；新奧法施工；控變形理念

隨著國內科學技術的發展，我國鐵路行業也在突飛猛進，鐵路隧道施工更是日新月異，針對不同地質情況下的重難點隧道我們都在努力去克服，特別是對于一些軟弱圍巖隧道的施工，經過多年的研究和實踐，各方面也都取得了巨大的成就，已經積累了相當豐富的經驗和理論方法，逐漸形成了具有中國特色的軟弱圍巖隧道施工方法體系，并在推廣和應用中，先后在烏鞘嶺特長隧道［1］、蘭渝鐵路毛羽山隧道［2］、宜萬線堡鎮隧道［3］等施工過程中產生了巨大的經濟效益和社會效益，成功地控制了圍巖大變形。但因軟弱圍巖隧道的施工千變不一，各有特色，想一塵不變的使用某種工法并不是可行。

通過總結和學習我國軟弱圍巖隧道施工技術的理論知識和實踐經驗，本文將以木寨嶺隧道3#、4#斜井管轄段施工為例，對高地應力軟弱圍巖隧道控變形技術做詳細論述，根據實例找到既能達到控變形效果保證工程質量，又能提高工程進度的施工工法及相關控制措施。

1　木寨嶺隧道工程概況

木寨嶺隧道位于甘肅省定西市漳縣和岷縣交界處，為雙洞單線分離式特長隧道，全長19.02km，洞身地質條件非常復雜，隧道洞身共發育11個斷裂帶，穿過3個背斜及2個向斜構造，屬高地應力區，極易變形。隧道洞身穿越的板巖及炭質板巖區，占全隧的46.53%，總計各類軟巖段長約16.1km，占隧道長度84.47%，極易發生圍巖滑坍，施工難度很高。

2　木寨嶺隧道圍巖及變形情況

2.1開挖揭示圍巖情況

大部分圍巖開挖揭示地層巖性為二疊系板巖夾炭質板巖，圍巖受地質構造影響嚴重，節理極發育，巖體極破碎，層間結合差，整體穩定性差。

2.2變形情況

受圍巖地質的影響，自隧道施工至F14-1斷層帶時圍巖極其破碎，現場每循環開挖進尺不大于0.7m，采用人工進行開挖，1d只能施作1循環；當初期支護完成后經常出現噴射混凝土開裂、掉塊、拱架扭曲變形等情況，量測數據顯示拱頂下沉速率平均能達到90mm/d，累計平均能達到800mm，收斂速率平均能達到160mm/d，單側收斂累計值能達到1800mm；當二次襯砌施作后，部分地方還出現開裂、甚至出現砼脫落、鋼筋扭曲等現象。

（1）開挖過程中圍巖極不穩定，且受變形影響，支護結構變形明顯，初期支護出現侵限，二次襯砌出現開裂。見圖1、圖2。

（2）初期支護量測統計情況見圖3、圖4。

3　木寨嶺隧道高地應力軟弱圍巖控變形理念

根據軟弱圍巖變形情況，并依據控變形成功理念和國內先進技術，逐步確定了木寨嶺隧道施工控變形的理念。在新奧法施工的基礎上，采用了小工作面施工法、先柔后剛、應力釋放、分階段加強支護、多層支護等措施，有效地控制了圍巖大變形。

3.1新奧法組織施工原則

自我國隧道行業引入新奧法施工以后，效率在提高，科技在創新。因此對于軟弱圍巖的施工來說第一步必須做好的就是按新奧法的原則組織施工。

圖1　初期支護收斂變形圖

圖2　襯砌開裂圖

圖3　水平收斂縱向曲線圖

圖4　收斂速率時間曲線圖

（1）堅持短進尺、少擾動；

（2）早封閉，減少圍巖松動造成的空間位移；

（3）關鍵部位支護加強，增加應力抵抗與圍巖應力相吻合，達到有效的承載體。

3.2小工作面施工工法

通過上述介紹來說，受高地應力影響后的軟弱圍巖穩定性極差，在開挖方法的選擇上必須合理，按新奧法理論來說采用大面積開挖可適當減少圍巖的擾動，但對于木寨嶺隧道凈空9m（寬）×11m（高），當一次開挖斷面較大時，暴露圍巖就會較多，自穩能力極低，發生坍塌現象就會增多。

圍巖坍塌后不僅安全質量得不到保障、變形得不到控制，還會影響現場施工進度，一般坍塌現象發生后，現場作業人員須及時撤離現場，渣體穩定后進行封閉，緊接著采取相應加固措施穩定后，處理塌方體，處理完塌方體后方可恢復掌子面施工。

3.3“先柔后剛、先放后抗”思想

“先柔后剛”是指支護結構為柔性支護，由鋼筋網、噴射混凝土、鋼架及錨桿構成；二襯鋼筋混凝土面板為剛性支護，以承受殘余的地層荷載。“先放后抗”是指初期支護完成后允許發生一定程度的變形，達到設計預留變形量后再施作二次模筑。

3.4高地應力釋放設計理念

（1）根據“先柔后剛、先放后抗”的指導思想，我們必須要將圍巖本身蘊藏的高地應力進行釋放，可怎么釋放，釋放到何種程度，是關鍵所在。目前有2種理論的施工，國內外都獲得了比較成功的案例，一種是先行釋放理論，意思就是采用先行導坑法釋放部分圍巖應力，釋放穩定后擴挖成型，進行抵抗；另外一種就是邊放邊抗理論，意思就是預留適當預留變形量，讓圍巖應力得到相應釋放，但在釋放一定程度時，即預留變形量可控范圍之內，開始加強支護，抵抗剩余圍巖應力，使支護結構趨于平衡。2種理念代表方法：

①先行導坑法：即先掘進比較長的導坑，通過位移釋放一部分初始地壓，可減輕作用在擴挖的支護構件中的應力。概念上是通過導坑發生先行位移，結果是推遲了支護結構的設置時間，從而減輕了作用在支護結構上的地壓。采用此方法時，導洞支護結構可以在保證安全質量可靠的情況下進行減弱，因為通過應力釋放后須重新擴挖進行支護結構施工，這樣的話支護結構承受的應力明顯減小，才能達到控變形效果。

②加大預留變形量，采用邊放邊抗的理論：當圍巖應力重新組合時，必定要釋放一定地應力并重新組合，加大預留變形量就是為了預留釋放地應力時產生的位移空間，但釋放的同時應力在重新組合，為了充分發揮圍巖自身的承載性，就必須在釋放的同時加強柔性支護，使支護與圍巖形成一體，形成穩定的橢圓形軸比。該方法實施過程中應采用邊放邊抗的原則，必須加強支護，并實時分階段增加補救措施。保證在二次襯砌施作前支護結構能夠穩定，并不侵入二次襯砌凈空，達到控變形效果。

（2）2種工法如何選用：因2種工法都有統一的目標，那就是釋放圍巖應力，但因工法不同各具特色、各有制約。

①加大預留變形量并加強支護措施，通過邊放邊抗的原則施工，一般是圍巖應力較大，在釋放到一定程度上可以采用多重支護加強措施進行抵抗，使之達到穩定狀態時，現場進行采用。但該工法必須要求圍巖應力釋放到一定程度，并且施作后能達到穩定才行。

②超前導坑法施工，則是當圍巖應力相當大，采用上述增大預留變形量并加強支護措施已不能完全抵抗圍巖開挖后的較大應力時，現場進行采用。但該工法必須在保證安全、經濟的條件下，盡最大程度上去釋放地應力，釋放一定程度后繼續采用上述邊放邊抗的方法，通過加強支護結構，抵抗殘余圍巖應力，使柔性支護達到穩定狀態。

（3）上述2種方法現場實施效果：

①以DK181+365-345段初期支護為例，現場采用加大90cm的預留變形量+雙層支護的方法，量測情況顯示DK181+350處上臺階未施作雙層支護前變形速率平均35mm/d，采用雙層支護后變形速率明顯減小至10mm/d以下，且襯砌施作前已減小至0.2mm/d，支護結構穩定。這說明該段采用該工法，圍巖應力得到釋放，變形得到控制。

②以DK181+275～255段初期支護為例，在上述工法的基礎上采用先行導坑法釋放部分地應力，實施后，擴挖的初期支護變形明顯減小，且能達到穩定狀態。

3.5分階段加強支護結構，控制有害變形

受高地應力軟弱圍巖的影響，山體蘊藏的地應力不論是采用哪種工法來釋放，釋放的都只是一部分，殘留的仍須加強柔性支護來抵抗。施工過程中的柔性支護是分階段施工，并非一次成型，存在的薄弱環節較多。為了在時間和空間上將圍巖應力盡可能的釋放，就必須分階段進行加強支護，減少有害變形，通過逐級消弱圍巖應力的方法使柔性支護達到穩定。根據木寨嶺隧道變形情況分析，我們分階段采取了如下措施，并獲得了較為顯著的效果。

3.5.1全環采用H175型鋼拱架，并減小間距

通過增加拱架強度、減小拱架間距后，初期支護變形有所減小，得到了部分抵抗。

3.5.2增設錨桿支護

通過增設錨桿，現場拱架連接處變形有所減小，起到了削弱圍巖應力的作用。

3.5.3徑向注漿加固

當圍巖坍塌、松動，或初支變形較大時，采用拱墻徑向注漿加固措施，初支變形有所改善，適用于這種軟弱圍巖施工，但因單獨注漿會影響現場施工，須將該作業納入正常工序中。

3.5.4橫撐支護

臺階薄弱處有害變形得到有效抑制。

3.5.5采用控變形拱架

采用異形控變形拱架后，拱架基本能保證順接，未出現薄弱地段外凸現象，控變形有所改善，作用明顯。

3.6采用多重支護確保柔性支護穩定

為了達到柔性支護的穩定，當圍巖應力釋放到一定程度后，現場通過上述階段性的加強措施，一定程度上削弱了圍巖應力，但因剛度不夠，上述理念也只能是暫時性，迫切需要施作多重支護來抵抗這種殘留的較大圍巖應力。相比之下多重支護也是階段性的加強支護，只是階段性不同。本方法的概念是一次支護發生屈服，但因設置二次支護，地壓和支護反力得到平衡。3.6.1已有的技術理論

①董方庭提出圍巖松動圈理論，其基本觀點是：松動圈越大，收斂變形越大，支護越困難，因此，支護的目的在于防止圍巖松動圈發展過程中的有害變形。②何滿潮提出關鍵部位耦合組合支護理論，認為：復雜巷道支護要分為2次支護，第一次是柔性的面支護，第二次是關鍵部位的點支護。

3.6.2柔性支護穩定情況對比

（1）以DyK181+930處為例，該處采用單層初期支護，剛性支護未施作前，初期支護變形不穩定，速率大于5mm/d，且已侵入剛性支護凈空，現場進行了拆換拱施工，拆換拱后支護結構趨于穩定時，進行了二次襯砌施作。

（2）以DK181+430為例，該處采用雙層初期支護，剛性支護施作前，初期支護已趨于穩定，變形速率小于0.2mm/d，且未侵入剛性支護設計凈空，未出現拆換拱施工。

3.6.3剛性支護穩定情況對比

（1）單層初期支護，在穩定后施作二次襯砌，二次襯砌內埋設接觸壓力計，進行壓力測定。

（2）雙層初期支護段，二次襯砌內埋設接觸壓力計，進行壓力測定，數值明顯減小，與單層支護相比縮小將近10倍。

圖5　二次襯砌接觸壓力測定（DyK181+930）

根據上述對比情況來看，增強柔性支護后，一方面控制了有害變形的發生，穩固了支護體，杜絕了拆換拱施工；另一方面減弱了后期釋放的圍巖應力，為后期剛性支護提供安全防護。

3.6.4雙層支護施作時機

雖然雙層支護控變形效果較好，但施作時機卻尤為重要，根據圍巖應力釋放所需時間和空間的影響，雙層支護須在滯后下臺階3～5榀拱架整體施作，且應在開挖15d后進行。

3.7支護結構及時封閉成環，形成穩定封閉體

按上述控變形理論來說圍巖應力釋放的同時需要加強柔性支護的剛度，為的就是穩固圍巖，減少支護的繼續變形。按新奧法施工理念以及于學馥等人（1981年）提出的“軸變理論”和“系優開挖控制理論”，該理論認為：應力均勻分布的軸比是巷道最穩定的軸比，其形狀為橢圓形。所以圍巖早封閉、支護結構及時封閉成環可以減小變形，及早形成穩定結構。針對軟弱圍巖可以做好以下幾點：

（1）圍巖變形大多分布在比較薄弱處，而拱架連接處是臺階法施工的薄弱環節，及時對拱架做接腿處理可以避免薄弱處的有害變形。

（2）施作臨時仰拱，既能抵抗有害變形還能提前形成臨時穩定圈，達到控變形目的。

3.8剛性支護加強

通過上述變形情況說明，高地應力釋放是個漫長的過程，如果柔性支護措施不強，二次襯砌的壓力就會加大，很容易導致開裂變形情況，因此提高剛性支撐的強度可以避免這種情況的發生。剛性支護加強可以表現在以下幾個方面：

（1）加大柔性支護強度，當采用多重柔性支護實際上就加大了剛性支撐；

（2）加強襯砌模筑砼的強度，增加襯砌厚度，加密鋼筋，采用高強度鋼材；

（3）預留襯砌補強空間，當已施作的二次襯砌開裂后，可以繼續通過補強空間進行加固處理。

4　結論與建議

通過對蘭渝鐵路木寨嶺軟弱圍巖隧道控變形施工技術的研究，可以得出以下結論和建議：

（1）堅持新奧法施工原則組織施工。

（2）為保障軟弱圍巖隧道的施工安全性，現場須采用小工作面施工法，這樣可以減少圍巖極不穩定造成的坍塌現象，達到了控變形和保安全的目的。

（3）受高地應力影響下的軟弱圍巖，蘊藏著較大地應力，支護后需要進行一定程度上的釋放，現場可采用加大預留空間和超前小導洞的方法來完成。

（4）針對軟弱圍巖來說必須加強柔性支護的強度，才能充分發揮圍巖自身的承載力，從而達到穩定狀態，起到控變形和安全保障的效果。

（5）為控制柔性支護變形和剛性支護開裂的情況發生，現場無論采取何種工法都必須保證在剛性支護施作前柔性支護能夠穩定。因此，針對高地應力軟弱圍巖隧道的施工，控變形工作歸根結底就在釋放圍巖應力和抵抗圍巖應力2個方面。通過分階段加強支護、多重支護、臨時支護、早封閉支護等措施控變形，就是遵循了抵抗圍巖應力的原則。

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U455.49

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1004-5716（2016）10-0175-04

2015-10-30

2015-11-04

王瑛楠（1984-），男（漢族），吉林吉林人，工程師，現從事隧道工程方面施工管理工作。