極高地應力軟巖隧道超前導洞應力釋放及多層支護變形控制技術

尤顯明， 李沿宗

(中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009)

?

極高地應力軟巖隧道超前導洞應力釋放及多層支護變形控制技術

尤顯明， 李沿宗

(中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009)

為了解決極高地應力軟巖隧道大變形控制難題，以蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段施工為例，通過現場試驗和數據分析，得到如下主要結論： 1)提出了“先放后抗，抗放結合，錨固加強”的變形控制理念； 2)得出了該隧道嶺脊核心段“超前導洞應力釋放+圓形4層支護結構+徑向注漿+長錨桿+長錨索”綜合變形控制方案； 3)超前導洞應力釋放效果明顯，正洞累計變形減小幅度約為34%； 4)得到了圓形多層支護結構變形規律； 5)累計變形均控制在設計預留變形量內，保證了該隧道嶺脊核心段大變形控制效果。

高地應力軟巖隧道； 超前導洞應力釋放； 多層支護； 變形控制

0 引言

近年來，鐵路隧道的大量建設促進了隧道修建技術的大發展，而極高地應力軟巖地區修建隧道時仍會面臨圍巖和結構大變形控制方面的難題，復雜地質環境也給隧道施工帶來了極大的挑戰，如蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段施工就遭遇了大變形控制難題，該隧道嶺脊核心段處于極高地應力軟巖環境，在前期采取“單層初期支護+二次襯砌”和“雙層初期支護+二次襯砌”支護結構模式下，初期支護發生多次極大變形，拆換極為頻繁，且二次襯砌混凝土在施作一段時間后不斷產生開裂現象，給結構安全帶來了極大威脅，不得不再次對支護結構進行拆換施工。目前，國內外學者針對高地應力軟巖隧道施工變形機制、變形控制以及施工組織等方面已做了大量的研究工作。如： 文獻[1-5]就軟巖大變形機制進行了分析，文獻[6-10]就軟巖大變形隧道支護措施與方法等進行了研究，文獻[11-15]就隧道軟巖大變形控制及施工技術進行了總結。這些成果對一般高地應力軟巖隧道的安全施工可進行較好的指導，但并不能完全解決極高地應力軟巖隧道的變形控制難題，本文結合蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段特殊地質環境，綜合考慮結構安全性及施工效率，對施工及變形控制方案進行進一步探索和研究，以期解決該高地應力軟巖隧道嶺脊核心段大變形控制及結構安全性難題。

1 隧道嶺脊核心段工程及地質概況

2 變形控制方案分析

2.1 變形控制方案的提出

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段前期采用三臺階法施工，由于變形極大，基于“以抗為主”的變形控制理念，曲墻支護結構由“單層初期支護+二次襯砌”增強為“雙層初期支護+二次襯砌”結構。“單層初期支護+二次襯砌”結構參數主要為： 單層初期支護主要為H175型鋼，間距0.7 m，噴C30混凝土，厚33 cm，二次襯砌為40 cm鋼筋混凝土。“雙層初期支護+二次襯砌”結構主要參數為： 雙層初期支護主要為H175型鋼，間距0.7 m，噴C30混凝土，第1層厚33 cm，第2層厚25 cm，二次襯砌為60 cm鋼筋混凝土。但在上述條件下，即使支護結構不斷增強仍不能長期有效地控制變形的發展(見圖1)，初期支護累計變形平均值在2 300 mm左右，局部最大達到3 500 mm以上，二次襯砌施作后已出現不同程度開裂，極大影響結構安全。為了保證變形控制效果和支護結構的長期安全，根據嶺脊核心段工程與地質環境，基于“先放后抗、抗放結合、錨固加強”的變形控制理念，經設計與施工單位共同研究，在該隧道嶺脊核心剩余施工段采用“超前導洞應力釋放+圓形4層支護結構+徑向注漿+長錨桿+長錨索”變形控制方案，同時施工過程中充分利用監控量測數據指導現場施工。實施里程范圍如表1所示。

(a) 拱架開裂

(b) 混凝土脫落

名稱位置圓形開挖里程范圍共計里程/m圓形擴挖段左線DK180+995～DK181+275280右線DYK181+013～+257244

2.2 超前導洞應力釋放方案

超前導洞斷面為7 m×6.8 m(寬×高)，采用2臺階法施工，臺階長度約為5 m，開挖臺階布置如圖2所示。開口段采用仰拱封閉成環，變形較大時采用套拱多次噴混凝土抑制變形發展，主要支護參數為H175型鋼，間距0.7 m/榀，拱墻噴C30混凝土，厚33 cm，仰拱采用C30混凝土，厚103 cm。超前導洞開挖支護完成后，在保證安全的基礎上，讓其自由變形，釋放時間大約3個月。

圖2 開挖臺階布置(單位： m)

2.3 圓形擴挖變形控制施工方案

2.3.1 開挖參數

圓形擴挖段施工時，首先在小導洞位置回填洞渣反壓，然后三臺階法擴挖至設計斷面，臺階高度3～5 m，長度4～7 m，開挖進尺0.7 m，圓形擴挖斷面如圖3所示。

綜上所述，隨著我國經濟與科技的高速發展，人們的生活水平得到極大的改善，社會各界越來越重視食品的安全性，因此食品檢測技術一定會逐漸成熟起來。作為近兩年興起的食品檢測技術之一，高效液相色譜技術能夠應用在高氨基酸、甜味劑、防腐劑、色素、農藥殘留及獸藥殘留等多方面的檢測，應用相當廣泛，值得推廣使用。

圖3 圓形擴挖段三臺階與導洞位置示意圖(單位： cm)

2.3.2 支護參數

為了保證蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段變形控制效果和結構安全，圓形擴挖段支護方案主要采用“4層支護+徑向注漿+長錨索+長錨桿”。4層支護參數(見圖4)主要為： 第1層支護采用H175型鋼鋼架，0.7 m/榀，噴33 cm厚C30混凝土，預留變形量50 cm； 第2層支護采用H175型鋼鋼架，0.7 m/榀，與第1層交錯布置，噴25 cm厚C30混凝土，預留變形量60 cm； 第3層采用噴鋼筋(φ22主筋)混凝土(C35)支護，厚40 cm，預留變形量15 cm； 第4層二次襯砌為φ22鋼筋C35混凝土，厚70 cm。

錨固參數主要為： 拱墻采用φ42小導管徑向注漿，長4.0 m，環向間距1.2 m×1.2 m； 邊墻設4×φ15.2 mm錨索，長15 m，錨固段5 m、自由段9.5 m、張拉段0.5 m，10根/環，環距2.8 m； 邊墻設R38N自進式錨桿，長8 m，每環8根，縱向間距為0.7 m，均在第2層初期支護上施作。

圖4 圓形擴挖斷面設計參數(單位： cm)

2.3.3 施工工序

根據實際施工條件，施工工序主要為： 洞渣回填導洞—上臺階開挖及第1層初期支護—中臺階左右側開挖及第1層初期支護—拆除小導洞—上中臺階第2層初期支護—上中臺階徑向注漿、中臺階長錨桿施工—下臺階左側開挖及第1、2層初期支護—拆除導洞剩余初期支護及仰拱—下臺階右側開挖及第1、2層初期支護—下臺階徑向注漿—仰拱施工—長錨索、剩余長錨桿施工—拱墻第3層初期支護—施工第4層拱墻襯砌。

2.3.4 施工縱向布局

為了進行平行施工作業，提高施工效率，滿足機械作業空間要求的同時利于變形控制，經過優化分析得到： 上、中、下臺階長分別為5、7、4 m，仰拱步距30 m，長錨桿、長錨索施工步距39 m，第3層支護施工步距46 m，二次襯砌施工步距56 m。具體施工布局如圖5所示。

圖5 圓形擴挖段施工布局示意圖(單位： m)

3 超前導洞應力釋放效果分析

根據現場實測，超前導洞典型斷面拱頂沉降與凈空收斂統計如表2所示。

表2 超前導洞變形統計(平均值)

由統計可知，超前導洞拱頂沉降平均值為320～650 mm，最大為952 mm； 上臺階收斂變形平均值為510～1 010 mm，最大為2 032 mm； 下臺階累計收斂變形平均值為430～690 mm，變形累計值大，說明對應力進行了較為充分的釋放。

為了分析超前導洞應力釋放效果，將超前導洞應力釋放段與普通段典型斷面第1層和第2層初期支護前10 d變形實測數據進行對比分析，如表3所示。

通過對比可以看出，擴挖段已施工典型斷面第1層支護和第2層支護前10 d上臺階收斂變形值、變形速率與普通段相比有所減小，第1層減小幅度約為11.7%，第2層減小幅度約為22.3%，累計減小34%，充分說明在蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段采用超前導洞提前應力釋放，對于正洞擴挖時變形的控制有明顯作用。

4 圓形支護結構變形規律分析

根據現場實測數據，各段平均變形統計如表4所示。該表中變形為各階段變形值，變形速率為各階段平均變形速率。

圓形擴挖段第1層支護變形累計值及速率均很大，平均值分別為拱頂沉降187 mm、速率21 mm/d，上臺階收斂482 mm、速率52.0 mm/d，中臺階收斂661 mm、速率110 mm/d； 各部位相比較，中臺階收斂累計值和變形速率較大，是變形控制的重點部位。第2層支護后因進行仰拱、長錨桿、長錨索施工，測試時間較長,平均累計變形也最大,達到1 153 mm，但平均變形速率明顯減小，其減小幅度達到50%以上，收斂速率為20 mm/d左右，數值仍偏大，不能抵抗圍巖變形。第3層支護施作后變形累計值及速率均明顯減小，平均變形速率大部分控制在2 mm/d左右，說明3層支護完成后對變形的控制效果明顯，同時也基本達到設計施作第4層模注鋼筋混凝土襯砌的條件。

典型斷面DYK181+040變形歷時曲線如圖6所示。

圖6 典型斷面變形歷時曲線(2016年)

Fig. 6 Time-history deformation curves of typical section (in 2016)

由圖6可知，圓形擴挖段正洞典型斷面上臺階累計收斂最大，且各測點變形持續較快發展，上中臺階第2層支護及仰拱施工完成后，變形速率明顯減小，說明及時施作各層支護及仰拱、縮短工序時間是變形控制的關鍵。

5 結論與討論

5.1 結論

極高應力區嶺脊核心段由于地應力高、圍巖極為軟弱、地質條件復雜，大變形的有效控制仍然是工程界面臨的一大難題，本文根據蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段現場地質及施工環境，對變形控制方案進行了探索和研究，得到如下主要結論：

1)提出了隧道嶺脊核心段 “先放后抗、抗放結合、錨固加強”的變形控制理念，采用“超前導洞應力釋放+圓形4層支護結構+徑向注漿+長錨桿+長錨索”的變形控制方案，優化了施工工序和縱向施工布局，保證了變形控制效果。

2)在極高地應力軟巖環境下，采取超前導洞應力釋放后，正洞擴挖初期支護結構累計變形和變形速率均大幅減小，減小幅度約34%，說明超前導洞應力釋放對正洞變形的控制效果較為顯著。

3)通過對隧道嶺脊核心段各部位比較，上中臺階收斂累計值和變形速率較大，是變形控制的重點部位，且隨著初期支護的加強，變形速率不斷減小，第2層初期支護及長錨桿、長錨索施作后變形速率明顯減小，減小幅度約為第1層初期支護變形速率的50%以上，第3層初期支護施作后，平均變形速率大部分控制在2 mm/d，基本達到了設計施作第4層鋼筋混凝土條件。

4)針對高地應力軟巖隧道，采取超前導洞進行應力釋放后，正洞擴挖施工時及時施作各層支護及仰拱、縮短工序時間是變形控制的關鍵。

5.2 討論

針對高地應力軟巖隧道，本文采用超前釋放、圓形多層支護和錨固加強等綜合措施進行變形控制，在該領域尚屬首次，其成果可為后續類似工程的設計和施工提供寶貴經驗。從現場監測情況來看，多層初期支護及錨固系統全部施作完成后變形速率雖控制在了2 mm/d，但并沒有完全收斂，鋼筋混凝土結構的長期安全性有待進一步評估； 極高地應力軟巖環境下隧道變形控制措施及結構的長期安全性問題，有必要進一步通過理論和現場試驗的方式進行探索。

[1] 張波. 木寨嶺隧道板巖變形機理研究[J]. 鐵道建筑，2014(5): 57-59. ZHANG Bo. Study of deformation mechanism of slate of Muzhailing Tunnel[J]. Railway Engineering, 2014(5): 57-59.

[2] 代偉, 徐雙永,楊喆坤．木寨嶺隧道大坪斜井軟巖大變形原因分析及施工技術[J]．隧道建設，2010，30(2): 169-172. DAI Wei, XU Shuangyong, YANG Zhekun. Technology for control of large deformation of Daping inclined shaft of Muzhailing Tunnel in soft ground[J]. Tunnel Construction, 2010，30(2): 169-172.

[3] 廖俊．毛羽山隧道軟巖大變形特征及原因分析[J]．鐵道建筑，2013(8): 79-81. LIAO Jun. Characteristics and causes analysis of soft rock large deformation of Maoyushan Tunnel [J]. Railway Engineering, 2013(8): 79 -81.

[4] 王建宇，胡元芳，劉志強. 高地應力軟弱圍巖隧道擠壓型變形和可讓壓支護原理[J]． 現代隧道技術，2012，49(3): 9-17. WANG Jianyu， HU Yuanfang， LIU Zhiqiang．Tunneling in squeezing ground with yielding supports[J]． Modern Tunnelling Technology，2012，49(3): 9-17.

[5] 鄭朋強,陳衛忠,譚賢君,等. 軟巖大變形巷道底臌破壞機制與支護技術研究[J]．巖石力學與工程學報，2015，34(增刊1): 3143-3149. ZHENG Pengqiang，CHEN Weizhong，TAN Xianjun，et al. Study of failure mechanism of floor heave and supporting technology in soft rock of large deformation roadway[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015，34(S1): 3143-3149.

[6] 李沿宗，高攀，鄒翀, 等. 木寨嶺隧道變形分析及初期支護參數優化研究[J]．隧道建設，2011，31(3): 320-324. LI Yanzong，GAO Pan，ZOU Chong，et al. Deformation analysis and primary support parameter optimization: Case study of Muzhailing Tunnel[J]. Tunnel Construction， 2011，31(3): 320-324.

[7] 劉國慶. 木寨嶺隧道軟巖大變形段支護措施研究[J]．現代隧道技術，2011，48(4): 135-141. LIU Guoqing. Study of support measures for large deformed section of Muzhailing Tunnel in soft rocks[J]．Modern Tunnelling Technology， 2011， 48(4): 135-141.

[8] 賈宏俊，王輝. 軟巖大變形巷道剛柔結合支護方法研究[J]．中國安全生產科學技術，2015，11(10): 11-16. JIA Hongjun，WANG Hui. Research on rigid-flexible combined support method of soft rock roadway with large deformation[J]．Journal of Safety Science and Technology， 2015，11(10): 11-16.

[9] 戴永浩，陳衛忠，田洪銘. 大梁隧道軟巖大變形及其支護方案研究[J]．巖石力學與工程學報，2015，34(增刊2): 4149-4156. DAI Yonghao，CHEN Weizhong，TIAN Hongming. Study of large deformation and support measures of Daliang Tunnel with soft surrounding rockmass[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2015， 34(S2): 4149-4156.

[10] 王立英，王慶林，崔小鵬. 軟巖大變形隧道施工技術探討[J]．蘭州交通大學學報，2014，33(1): 93-98. WANG Liying， WANG Qinglin， CUI Xiaopeng. Discussion on construction tecchnology for large deformation soft rock tunnels[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2014，33(1): 93-98.

[11] 高攀， 張文新， 鄒翀. 超前大鉆孔應力釋放方法在高地應力軟巖隧道中的應用效果分析[J]．隧道建設，2013，33(13): 820-824. GAO Pan, ZHANG Wenxin, ZOU Chong. An analysis of the effect of stress releasing by drilling in advance large-diameter boreholes: A case study of high stress field soft rock tunnel[J]．Tunnel Construction，2013，33(13): 820-824.

[12] 張文新，孫韶峰，劉虹. 木寨嶺隧道高地應力軟巖大變形施工技術[J]．現代隧道技術，2011，48(2): 78-82. ZHANG Wenxin，SUN Shaofeng，LIU Hong. Construction techniques of Muzhailing Tunnel with high ground stresses and large soft rock deformations[J]．Modern Tunnelling Technology， 2011， 48(2): 78-82.

[13] 趙福善. 蘭渝鐵路兩水隧道高地應力軟巖大變形控制技術[J]．隧道建設，2014，34(6): 546-552. ZHAO Fushan. Technologies to control serious deformation of soft rocks with high ground stress: Case study of Liangshui Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway[J]．Tunnel Construction， 2014， 34(6): 546-552.

[14] 汪波,王杰,吳德興. 讓壓支護技術在軟巖大變形隧道中的應用探討[J]．公路交通科技，2015，32(5): 115-121. WANG Bo, WANG Jie, WU Dexing. Discussion on application of yielding supporting technology in large-deformation tunnel in softrock[J]．Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2015， 32(5): 115-121.

[15] 周藝，何川，汪波，等． 基于支護參數優化的強震區軟巖隧道變形控制技術研究[J]．巖土力學，2013，34(4): 1147-1155. ZHOU Yi，HE Chuan，WANG Bo，et al. Research on deformation control technology for tunnels in soft rocks and meizoseismic area based on supporting parameters optimization[J]. Rock and Soil Mechanics， 2013， 34(4): 1147-1155.

Stress Releasing and Deformation Control Technology of Multilayer Supportfor Pilot Heading of a Soft Rock Tunnel with Extremely High Ground Stress

YOU Xianming, LI Yanzong

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The control of large deformation of soft rock tunnel with extremely high ground stress is always a difficulty. As a result, field test and data analysis are carried out for core mountain ridge section of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway. Some conclusions are drawn as follows: 1) The deformation control idea of “release first and then resistance, combination of release and resistance, and anchoring reinforcement” is put forward. 2) The tunnel deformation control scheme of “pilot heading stress releasing+four layers of circular supporting structure+radial grouting+long anchor bolt+long anchor cable” is adopted for the core mountain ridge section. 3) The stress releasing effect of pilot heading is obvious; and the accumulated deformation of main tunnel is decreased about 34%. 4) The deformation law of circular multilayer support structure is obtained. 5) The effect of the large deformation control has been ensured.

soft rock tunnel with high ground stress; stress releasing of pilot heading; multilayer support; deformation control

2016-06-29;

2016-10-08

尤顯明(1968— )，男，河南輝縣人，1990年畢業于石家莊鐵道學院，隧道及地下工程專業，本科，教授級高級工程師，現從事隧道及地下工程方面的管理工作。E-mail： yxm680924@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.008

U 455.4

B

1672-741X(2017)07-0832-06