榴桐寨隧道高地應力軟巖大變形施工控制技術研究

張振國

摘 要：成蘭鐵路榴桐寨隧道進口施工過程中，隧道洞身反復出現高地應力大變形。通過針對性地采取優化洞身斷面、調整支護參數、合理加大預留變形量、自進式長錨桿、預留核心土微臺階法等變形控制措施和施工技術，隧道大變形得到有效控制。該文深入分析了榴桐寨隧道高地應力軟巖大變形的變形特征和機理，對高地應力軟巖隧道施工控制技術進行了研究。

關鍵詞：榴桐寨隧道 高地應力 軟巖大變形 施工控制技術

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（b）-0020-03

Abstract：During the construction of the entrance of Liutong village tunnel on Chengdu-Lanzhou railway， it was observed that the tunnel had undergoing large deformation repeatedly due to high in-situ stress. A series of mitigation measures were proposed， including adopting an optimized tunnel section， adjusting parameters in supporting design， setting a larger deformation tolerance， using self-advancing long bolts system and using performed core-soil sidestep construction method. The proposed measures were effective in controlling the large deformation. The objective of this paper is to first investiage the characteristics and mechanics of the high in-situ stress and the assocaited large deformation at the Liutong village Tunnel and second to study the effective tunneling methods in the ground featured with high in-situ stress and large deformation.

Key Words：Liu-Tong zhai tunnel； High In-situ stress； Large deformation and soft rock； Construction controlling technique

隨著我國鐵路建設的不斷發展，穿越復雜工程地質條件隧道將會越來越多，在圍巖軟弱、地質環境惡劣、高地應力的隧道中，施工成為了工程建設中的巨大挑戰。高地應力軟巖隧道施工期間，支護結構受力持續增加，圍巖變形劇烈、持續時間長，會導致支護結構開裂、破壞，擠出面侵入限界，嚴重影響正常施工。

1 工程概況

成蘭鐵路榴桐寨隧道設計為單線雙洞，左右線分修，隧道全長16 262 m，起訖里程D8K135+336～D8K151+598。全線占線路長度約70%的段落巖體為極軟弱破碎的板巖、炭質板巖、千枚巖，隧道洞身穿越2個向斜、1個背斜和1個斷層，受構造影響，多表現出強烈的揉皺變形和擠壓破碎，巖體褶皺，斷裂發育，軟弱破碎，層間結合差，強度低，軟巖和破碎巖體開挖后自穩能力差，是成蘭極高安全風險隧道。

隧道里程為YD8K136+410～YD8K136+660，實際圍巖地質較原設計差，主要表現在：地質主要以灰黑色炭質千枚巖為主，強風化（無灰巖、砂巖夾層），節理裂隙異常發育，巖體較破碎，層間有構造錯動，為光滑面，巖體有褶皺扭曲現象，巖石較軟，開挖完畢后呈粉末狀，掌子面大部分區域地質手捏可碎，剝落較嚴重，圍巖完整性差。

巖體存在較多夾層和原生裂隙，對巖體整體承載能力有較大負面影響。施工期間初期支護出現環向裂紋，逐漸發展成環向貫通裂縫，噴射砼脫皮掉塊現象嚴重，鋼架也發生扭曲變形，對施工安全造成了很大的困擾。

2 軟巖大變形施工情況

2015年4月1日，掌子面施工至YD8K136+436.4，發現YD8K136+410～420段初期支護局部存在細微裂縫（寬度約2～3 mm）。為確保下一步施工安全，對YD8K136+ 410～420施作6 m長自進式錨桿并注漿加固處理。

2015年4月7日，掌子面已施工至YD8K136+439處，初期支護拱部變形開裂趨勢有所增加，現場情況如下：YD8K136+410～430拱頂初期支護形成一道縱向貫通裂縫，裂縫寬度2～10 mm不等，初支砼表面局部有剝皮現象（見圖1）。

為確保下一步施工安全，調整支護參數，具體如下：YD8K136+410～439段增設6 m長自進式錨桿，加固開裂初支，并按Ⅳ級抗震襯砌鋼筋施工參數，增設襯砌拱墻鋼筋；YD8K136+439～457段將原設計的Ⅳ級復合加強式襯砌變更為Ⅴ級復合加強式襯砌。

初期支護拱部變形開裂，隨著隧道掌子面的開挖掘進繼續向前延伸，并形成貫通趨勢，表面砼局部有剝落現象。于2015年4月21日掌子面施工至YD8K136+457處，2015年5月1日掌子面施工至YD8K136+485處，調整并加強支護措施。

2015年4月21日，變更核實紀要如下：YD8K136+439～ 454段增設6 m長、間距1.2 m×0.8 m（環×縱）自進式錨桿加固開裂初支；YD8K136+457～485段將原設計的Ⅳ級復合加強式襯砌變更為Ⅴ級復合加強式襯砌。

2015年5月1日，變更核實紀要如下：YD8K136+454～ 485段增設6m長、間距1.0 m×0.8 m（環×縱）自進式錨桿加固開裂初支；YD8K136+485～515段將原設計Ⅳ級復合加強式襯砌變更為Ⅴ級復合加強式襯砌。

2015年5月18日，掌子面已施工至YD8K136+515，初期支護拱部變形開裂段落持續延伸，現場情況如下：YD8K136+450～490拱頂初期支護形成一道縱向貫通裂縫，裂縫寬度2～10 mm不等，并發現在已施工完畢的仰拱端頭前后，分別于YD8K136+455、YD8K136+461處左側邊墻出現兩道環向裂縫，裂縫寬度約8 mm，并在矮邊墻上2 m左右有縱向裂縫出現。同時初支砼表面局部剝皮現象較為嚴重。

3 軟巖大變形機理

3.1 地應力

隧道埋深較大，區域應力場較高，最大水平主應力對隧道圍巖的變形和破環有一定的影響，在YD8K136+200處進行地質力學測試，水平主應力的方向為N51.8°W～ N88.3°W之間，最大水平主應力方向平均值與隧道軸線夾角約為27°，對圍巖變形產生不利影響，最大水平主應力平均值為23.09 MPa，該段區域構造應力高，圍巖強度應力比小于4，屬極高地應力狀態，且由于水平應力與隧道軸線夾角較小，圍巖擠壓緊密的影響范圍較大，可能發生軟巖大變形，硬質巖段落可能會發生巖爆。

3.2 巖體強度特征

該段圍巖地質主要以灰、黑色千枚巖為主，強風化，節理裂隙異常發育，巖體破碎，泥質結構，不同巖層相間的巖體受層間構造錯動，形成斷層破碎帶，從而破壞了巖體的完整性，使得圍巖凝聚強度c值較低，內摩擦角φ值很小，單軸抗壓強度較低。隧道開挖導致圍巖應力狀態重新分布，同時伴有地下水滲流和軟化作用，改變巖體強度，圍巖自身強度不能抵抗地應力的釋放，從而導致巖體產生流塑性變形。

3.3 初期支護不合理

現場地質揭示與原設計地質描述存在偏差，實際圍巖地質較原設計差，在隧道開挖后隧道不能自穩而產生較大的流塑性變形，設計采用的支護參數較弱，錨桿設計長度不足不能控制圍巖流塑形變形，導致錨桿支護效果差，鋼架強度不夠、間距過大，無法有效地抵抗圍巖的壓力。預留變形量小導致圍巖作用在支護結構的力變大，使初支收斂加速，初支結構逐步出現貫通裂縫，噴射砼出現脫皮掉塊現象，鋼架發生扭曲變形。開挖后無法及時封閉成環，仰拱和二次襯砌距掌子面距離過長，致使初期支護在無約束下產生無限制性的變形，對圍巖變形有很大影響。

3.4 工程擾動

隧道洞室開挖后，破壞了圍巖原有的三向應力平衡，圍巖應力在洞室周圍重新分布，開挖引起環向應力增大，徑向應力減小，造成應力集中現象，超過局部巖體的強度，使部分區域的圍巖進入塑性狀態或受拉而破壞，應力不斷調整變形不斷發展來達到新的平衡狀態，設計的初期支護結構不能支撐由開挖空間和擾動釋放的地應力，形成拱頂沉降和邊墻收斂，造成初期支護開裂。同時采用臺階法光面爆破施工，對圍巖的擾動較大，加劇了圍巖的變形速率。

4 大變形控制措施

針對榴桐寨隧道高地應力軟巖大變形的情況，認真觀察圍巖變形及初支開裂規律，分析圍巖量測資料，并及時進行變形段落圍巖地質應力測試。對此進行綜合分析，查找洞身圍巖變形及初支開裂的原因，以優化洞型，確定合理斷面，初支應堅持“以抗為主，抗讓結合，適度釋放地應力”的原則進行優化，加強初期支護剛度，以組織現場施工。確定軟巖開挖之后的松動圈范圍，以合理加長錨桿長度，對圍巖的松動圈進行加固。短臺階開挖，短進尺，控制爆破裝藥量，減少開挖對圍巖的擾動。初支及時封閉成環，仰拱緊跟，待初支沉降、收斂穩定后，及時施作二次襯砌。

4.1 加強監控量測與超前地質預報

在掌子面開挖后進行了周邊收斂、拱頂下沉、地表沉陷、錨桿拉拔試驗等不同方面的量測，運用回歸統計分析和數值模擬分析的方法，對監測數據進行快速的處理和分析，對圍巖的穩定性做出穩定性判斷，并及時反饋指導設計和施工，以便根據實際情況調整施工方法和支護方案。

由于缺乏詳細的地質勘測資料，設計時支護參數出現偏差，施工方法使用不當，將地質素描法、超前鉆孔探測法、超前炮眼探測法、地質雷達、紅外線超前探水等幾種預報手段優化組合、綜合運用，提高地質超前預報的精度與準確率，彌補地質勘測信息的不足，從理論上補充圍巖的特征，從而進行支護優化，能夠很大程度上避免工程事故，改善作業環境，保障施工安全，提高工作效率，節約成本。

4.2 優化洞型、確定合理斷面

根據設計隧道斷面采用的馬蹄形襯砌結構，對于拱墻處發生應力集中產生大變形的區域，采取輪廓近似圓形的襯砌斷面形式，改善受力性能，并加大預留變形量30 cm，避免支護變形過大侵限。

4.3 以抗為主，抗讓結合，適度釋放地應力

在圍巖釋放壓力的同時，要及時跟進支護措施來控制圍巖的變形。初期錨噴支護可以做成柔性結構來適應圍巖變形，起到維護圍巖和支護結構穩定的作用。

4.4 合理加強支護參數

通過現場試驗，確定軟巖開挖之后的松動圈范圍約3.5 m，合理加長錨桿長度，對圍巖的松動圈進行加固。將在拱墻原設計基礎上增設6 m長（φ22，縱向間距為1 m，環向間距為0.8 m）自進式錨桿，并注漿加固處理，消除巖體結構效應，在圍巖內形成組合拱，同時錨桿對圍巖施加壓力，使處于二向應力狀態的圍巖保持三向應力狀態。同時將原設計的I18型鋼支護變更為I25型鋼支護，提高支護系統的強度來約束圍巖的松弛變形，保證隧道的穩定與安全。

4.5 短臺階法開挖

嚴格控制上臺階循環進尺1 m，控制爆破裝藥量，初期支護緊跟掌子面施工，減少對圍巖的擾動性，短臺階法可使圍巖盡快封閉成環，發揮圍巖自承能力，同時有利于仰拱緊跟，待監控量測初支沉降、收斂穩定后，及時施作二次襯砌，提高襯砌的安全性，保證圍巖的穩定性。

5 結論

（1）高地應力、圍巖自身強度低，自穩能力差，最大水平應力大且與隧道夾角過小，這都是隧道發生大變形的主要因素，地質勘測信息的不足造成支護設計參數強度不足以及施工方法不當，直接影響了隧道的變形程度。

（2）初期支護破壞形式主要是出現貫通裂縫，噴射砼出現脫皮掉塊現象，鋼架發生扭曲變形。通過對隧道斷面優化，合理加大預留變形量，加強對初期支護的剛度，是控制軟巖大變形的重要手段。

（3）為減少工程擾動對圍巖的不利因素，隧道開挖采用預留核心土微臺階法，嚴格控制循環進尺和爆破用藥量，縮短各工序之間的距離，有利于盡早初期支護及封閉成環，更好地控制圍巖的變形。

（4）加強圍巖的監控量測，對監測數據進行快速的處理和分析，并及時進行地質預報和現場試驗，為隧道施工設計提供指導性信息。

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