高地應力水平軟巖隧道初期支護施工技術研究及應用

胡波

中鐵十局集團西北工程有限公司 陜西西安 710000

新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道土建工程MHTJ-6標段一工區施工里程為 DK303+330～DK309+800，正線長度6.47km，合同總價為3.77億元，主要工程量郝家坪隧道1184.59m/1座，喬坪村特大橋561.26m/1座，延安隧道進口4700m/1座，1號斜井輔助坑道532m/1座，橋隧過渡段路基12.15m。施工地點位于陜西省延安市安塞縣建華鎮境內[1]。

其中延安隧道在施工中經歷了洞口淺埋偏壓、土石界面、富水砂質新黃土等地質都順利通過。但在進洞3745米后圍巖地質逐漸變差，開挖揭示掌子面主要為泥巖、砂巖互層，薄～中厚層結構，巖層產狀呈水平，節理較發育，層間結合力差，常見5-10cm薄夾層，裂隙發育明顯，本段埋深在73-119m之間，為高地應力水平軟巖不良地質。在施工中出現了初支變形、拆換等現象。嚴重影響施工工期并時時刻刻危及著現場施工人員的安全。本文就隧道通過此不良圍巖地質所采用的施工技術進行研究及應用。

1 高地應力水平軟巖變形機理

1.1 軟巖的概述

軟巖一般是軟質巖石的通稱，是指在工程力作用下能產生顯著塑性變形的工程巖體，具有強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著等特點。多為泥巖、粉砂巖和泥質砂巖等單軸抗壓強度小于25 MPa的巖石，是天然形成的復雜的地質介質。

1.2 水平軟巖的變形機理

通過查閱資料及巖的蠕變試驗，結合現場實際進行總結，當所施加的荷載小于某一荷載水平時，水平軟巖處于穩定變形狀態；當所施加的荷載大于臨界荷載水平時，巖石出現明顯的塑性變形加速現象，產生不穩定變形。

隧道開挖前巖體處于三向受壓的高地應力環境，巖體具有一定的強度處于穩定平衡狀態。開挖卸荷后原有天然應力狀態破壞，卸荷導致圍巖應力急劇變化，地應力以能量的形式一部分隨開挖而釋放，圍巖發生瞬間回彈變形，切向應力增大而徑向應力減小，并在洞壁達到極限；另一部分則向圍巖深部轉移，發生應力重新分布和局部區域應力集中，不斷調整以后達到與當前環境相適應的新平衡狀態，開挖使巖體所處的環境由高應力場的高圍壓狀態變為低圍壓且高應力差的狀態，雖然巖體的變形破壞是巖體結構的變形、改組和失穩，但在本質以及表現形式上與巖石的變形破壞是一致的，最直接的因素也是主應力差的大小和巖體自身強度，巖石在一定的臨界圍壓下會出現屈服平臺，呈現塑性流動現象，巖體由脆性向延性或者韌性轉化。巖體的變形和破壞特征是巖體應力和巖體強度這一對矛盾體共同決定的。開挖卸荷使巖體應力場發生變化，應力場調整過程中，巖體產生相應的變形，變形使巖體機構面張開、滑移，由此使得巖體強度和模量隨之顯著降低，強度和模量的降低又反過來影響圍巖應力的調整，如此這樣地重復使得圍巖塑性區不斷擴展并向深部巖體逐層推進。巖體變形的不斷發展就表現出了洞室邊墻和拱頂塌落等。

高地應力軟巖隧道圍巖變形破壞機理與其原巖的高地應力狀態想聯系的。原巖應力較高，一旦開挖，內應力釋放和回彈，引起相應的應力調整和變形，導致隧道破壞失穩。

1.3 水平軟巖的變形類型

根據理論分析及大量實踐，水平軟巖變形力學機制主要有三大類，即物化膨脹類，應力擴容類，結構變形類。各類有根據引起的引起變形的嚴重程度有分為：A、B、C、D四個層級。此段水平軟巖屬結構變形類的層理形和軟弱夾層形。

2 高地應力水平軟巖的危害

根據施工情況觀察，高地應力水平軟巖造成危害的主要特點有：

（1）初期支護施工5-7d左右，距離掌子面25-50m之間，初支拱部2m范圍內出現噴混裂縫脫皮現象[2-4]。隨掌子面掘進，裂縫延伸發展，形成縱向裂縫。掌子面暫停施工時，裂縫縱向發展停止。

（2）開裂初期拱部噴混形成細小裂縫，縱向間斷不連續，長度一般0.5～2m，寬度1～5mm，初期僅為初支砼裂縫起皮，隨著變形量增大，砼表面剝落，格柵主筋外露，主筋有彎曲變形現象，呈V字形，并有侵限現象。

（3）監控量測情況。根據監測數據顯示，除開裂部位外，拱部沉降、周邊收斂值、速率值較小，均未達到預警值，無明顯異常。初期1-4d變形速率較大，5-7d后速率減小，10-15d變形數值和速率趨于穩定。根據量測數據顯示開裂部位拱部沉降數據大，但周邊收斂較小（1-2cm之間）。

（4）仰拱開挖時拱部初支變化明顯，往往會加劇初支變形掉塊情況，量測速率增大。

3 高地應力水平軟巖的方案研究

3.1 試驗段方案研究

高地應力水平軟巖隧道施工可借鑒的經驗少，施工過程存在盲目性，主要原因是對其變形力學機制不清楚，不同的軟巖在其特定的地質力學環境中所表現出的變形機制不同。

對于此種圍巖，在施工中截取小段落采用以下兩種試驗方案：

（1）加強支護方案，調整支護參數，抵抗圍巖應力。DK309+135～DK309+165段采用加強支護試驗段，圍巖由Ⅲ級變Ⅳ級，采用Ⅳb復合式襯砌，初支采用H180格柵鋼架，間距0.75m，全環布置，仰拱初支H130格柵鋼架隔榀成環。

（2）限阻器方案，初支拱部增加限阻器，吸收應力產生變形，延緩應力釋放。DK309+165～DK309+195段采用限阻器試驗段圍巖由Ⅲ級變更為Ⅳ級，采用Ⅳb復合式襯砌，初支鋼架采用H150格柵鋼架，間距1m，拱部增加H150鋼板型限阻器。

3.2 效果對比分析

（1）加強試驗段。DK309+135～DK309+165段30米按照Ⅳ級圍巖，Ⅴb支護參數施工。

試驗結果：經觀察對比，采用Vb加強支護（H180格柵鋼架）與Ⅳb支護（H150格柵鋼架）參數相比，拱部裂縫明顯減少，但5-10d內DK309+135～DK309+145段先后有多處拱部砼剝皮掉塊，隨著掌子面掘進，后續初支拱部砼仍然有不同程度掉塊脫落，形成縱向裂縫，長度0.3-2m，主筋受壓彎曲變形，裂縫延伸至DK309+158處未發展。

試驗結論：水平巖層高地應力段落初支采用Ⅴb支護對裂縫發展有一定遏制作用，但拱部混凝土受壓破壞后，應力調整分布格柵主筋繼續受力至彎曲變形，說明圍巖水平應力作用明顯，Vb加強支護不能徹底阻止裂縫產生發展。

（2）限阻器施工段。DK309+165～DK309+195試驗段初支拱部增加H150鋼板型環向限阻器，監控量測點按照間距5m加密布置。

試驗結果：第一循環限阻器隔板出現彎曲變形，試驗段結束后，初支拱部有25米限阻器隔板受壓彎曲變形，一般為1～2.5cm，最大變形量（橫向4cm），彎曲變形出現在施工完成后5d-7d，說明水平應力作用明顯，但拱部噴混無開裂現象。

試驗結論：根據試驗段結果，繼續采用H150鋼板型限阻器方案施工解掘進60米，限阻器隔板變形值較小（＜4cm），初支穩定，監控量測穩定無異常，拱部噴混無開裂現象，取得了預期效果。

4 隧道初支限阻器施工技術

根據初支拱部混凝土破壞形態，鋼筋彎曲狀態，水平圍巖隧道開挖后存在水平應力釋放作用，導致混凝土受壓破壞，鋼筋變形。限阻器結構采用鋼板焊接成均有一定剛度和柔性的鋼構件，拱部縱向剛度加強，與格柵鋼架承擔圍巖水平作用力，在應力釋放下，橫向隔板首先受壓力彎曲變形，水平變形收斂后，利用C25噴混填塞空腔，確保后期鋼架、混凝土共同受力工作。該方法是一種柔性支護措施，容許圍巖變形、釋放地應力、降低支護壓力，同時又對圍巖松弛和過分變形進行約束，能確保圍巖的穩定性。

4.1 施工步驟及質量控制要點

（1）施工步驟如下：下料→限阻器焊接制作→格柵鋼架加工→限阻器連接安裝→立架固定→隔板空腔填塞土工布→噴射混凝土→清理、注漿→下一循環。

（2）質量控制要點：①限阻器及格柵鋼架必須在加工場統一制作安裝，確保各單元加工質量，同時節約現場拼裝時間。②限阻器焊接質量合格，采用二保焊工藝，鋼板、連接件焊縫飽滿，無明顯焊接質量缺陷。③加強測量控制，立架時確保其縱向在隧頂同一中心線上，上下循環連接牢靠，限阻器與鋼架采用M20螺栓栓接，以便共同受力。④噴漿作業前作業成品保護，隔板空腔必須采用土工布填充包裹，避免噴射混凝土進入。⑤限阻器變形穩定后二襯施做前，及時對空腔采用C25噴混填充處理，初支與圍巖之間空隙采用埋管注漿（1：1水泥漿）封閉。

4.2 限阻器施工結構圖及照片

H150鋼板型限阻器設計結構圖

5 結語

延安隧道高地應力水平巖層段落，初支拱部受圍巖高地應力作用，導致初支混凝土受擠壓開裂，采用普通的支護加強措施無法解決砼開裂和裂縫發展問題。根據現場改進的限阻器方案，通過在初支拱部增加限阻器構件，應力釋放期間能有效地吸收應力而產生一定變形，延緩了應力釋放對初支結構的破壞，通過加強試驗段、限阻器試驗段應用效果對比，該方案有效的解決了水平巖層段落高地應力初支破壞受損的難題，保證了初支工程質量；避免了初支砼脫落掉塊，實現了安全施工，為后續此類地質圍巖施工提供了借鑒。