高地應力軟巖隧道變形控制設計與施工技術研究

文/楊世強

1 高地應力軟巖級別劃分

工程巖體屬于軟巖工程的重點研究對象，其分類標準會依據情況不同存在差異。若將其繼續劃分，則和深度間的關系相對密切，按照應力可以將和方向相關的構造應力軟巖進行以下的等級劃分，見表1。

表1 高應力軟巖等級劃分

高應力軟巖很容易出現大變形，不只具有較大形變量還具有較長的持續時間。由此可見，高應力軟巖隧道并非運用常規的支護方法通過小導管支護進行圍巖變化的控制，而是使用有針對性的措施實現對圍巖變形的有效控制。破碎圍巖由于自身的抗壓強度不理想，因此很難滿足承受拉應力的要求，這樣圍巖會發生失穩破壞的問題。

2 大變形對隧道工程建設帶來的影響

如果隧道涉及穿越高地應力，容易發生變形地質災害。此類災害如果發生便會直接影響隧道工程的整體建設。因此，在進行隧道施工時應高度重視隧道大變形。當前，隧道工程建設會面對極高的風險，無論是成本還是整治費用均相對較高。在高地應力條件下，建設軟巖隧道一旦出現大變形，極易影響或是威脅到工程建設、工程質量、工程效益以及工程安全。

3 隧道工程概況

該隧道建設工程屬于單洞雙線隧道，整體長度在5km 左右，最大的隧道埋深值為346m，建設區域的地質條件十分復雜而且巖質十分松軟。據相關檢測表明，其屬于水平地應力并具有多變分布的特征。圍巖應力僅為0.7，相對較小，代表性的高地應力。除此之外，洞身在支護初期時的開裂痕跡較長，在一定程度上提高了坍塌事故的發生概率，影響施工安全及工程質量。

3.1 隧道變形特點

第一，相對嚴重的前期變形。此隧道工程的圍巖不具備優良的穩定性與完整性，開挖后不僅前期出現嚴重變形而且速率驚人，能夠達到40mm，并且在前期20d 內直線上升，平均變形速率是20mm/d，20d 后逐漸降低變形速率，但依然在發生變形。

第二，較長的持續時間。隧道的軟巖不僅強度較低而且流變性優良，進行開挖施工之后，變形有較長的持續時間，從而直接干擾施工。結束初期變形后不僅狀態并不穩定，甚至變形速度提高，基本沒有收斂。二次襯砌隧道仍舊存在變形，因為未能予以重視所以襯砌出現破裂。

第三，較大的變形量。在進行系統開挖后，這條隧道呈現出塑性變形，具體表現為拱頂下沉。相關數據表明，常規段產生的變形量已經大于100mm，其中最大下沉量的拱頂能夠達到761mm，采取雙層支護之后依然難以控制變形，常規支護的效果相對有限。

3.2 變形破壞特點

第一，掌子面遭受破壞。在進行開挖施工之前發生外鼓變形，同時擠出變形的現象較為顯著，局部附近鋼架發生剪斷與扭曲，破壞程度十分嚴重。

第二，破壞相對復雜。有關初始的隧道應力，其呈現形式受限于方向，圍巖也體現各向異形。對于初期支護而言，一方面受力很不均勻，另一方面破壞形式非常復雜。其中拱頂下沉屬于初期的破壞種類，例如在噴漿支護段發生程度不同的扭曲，而且局部鋼架出現嚴重變形，其中最嚴重的是斜井段，即便進行多次拱頂拆換也不能達到理想的變形控制效果。

第三，二次襯砌遭受破壞。形式不僅復雜還在許多方向產生裂縫，一些襯砌表面出現剝落等。

第四，較大的破壞范圍。洞周塑性區的破壞范圍相對較大，破壞深度約6m。若是不及時支護或者支護不當，會顯著增加破壞范圍。同時，常規錨桿難以抵達原巖深度，因此支護效果十分有限，這也是導致支護失效破壞的關鍵原因之一。

4 變形控制設計及相關施工技術要點

4.1 施工方法不斷優化

通過分析軟巖隧道特征能夠發現隧道的工序、周期等有關因素的關聯性較大，因此在控制隧道大變形時，通過優化施工方法及其研究方向，需要科學控制開挖工期，以此盡可能少地影響隧道大變形。完成開挖后要有效保護原巖且以最快的速度封閉巖面，之所以要快封閉則是為保護支護的每個結構，從而將最佳效果充分發揮。從總體上來看，控制大變形的關鍵在于“快”。采取針對性的技術后，從實時監測隧道能夠看出：在變形控制的整個過程中最為重要的是前期控制，如果支護結構可以在短時間成環，便可改善現有的受力條件，同時在壓力抵抗中充分發揮其作用，在一定程度上減緩低圍巖發生變形的速率。微臺階法是當前常見且有效的開挖工法，如果能靈活運用可以縮減封閉時間，提高成環速度，這樣也符合控制技術朝著“快”方向發展的實際需求[1]。

相關實踐證明，這種方法在開挖中擁有廣泛的適用范圍，合理運用在一定程度上可以縮減封閉時間。具體施工中，其中核心土的高度約2.5m，長度約3m。上、中、下部臺階長分別是3～5m、5m、6～7m，并且下部臺階和仰拱之間的距離保持在15m。監測數據表明，需要嚴格控制隧道前期出現的變形，中部臺階和下部臺階在接腿時不能讓長度超過9d，封閉仰拱時間不能超過15d，而且在某些情況下需要設置橫撐結構。

4.2 增加預留變形量

將預留量適度提高能夠避免支護侵限，保證充足預留量初期支護，實現地應力的釋放，避免對二次襯砌產生直接的荷載，進而為隧道安全提供保障。通常情況下，如果未能有效控制預留量，厚度不僅不夠且會影響隧道的后續安全運營。在進行本隧道工程施工時，需要依據變形特征以及圍巖分布，將局部地段預留量增加到80m，這樣一來地應力能夠有效釋放，同時二次襯砌承受的壓力會大幅度降低，以此從根本上保證結構的穩定性和安全性。

4.3 適時開展二次襯砌

針對剛性結構進行施工能抵抗由于變形產生的壓力，確保圍巖與隧道結構的穩定性，這是控制隧道變形的一個經濟有效的施工技術。高低應力影響下的軟巖流動性相對較大，而且呈現出較大的變形程度，這樣便難以維持其穩定性。軟巖的穩定性如果想要達到預期效果，就會花費較長時間，如果是較低的強度應力要通過2～3年才可以實現穩定。讓圍巖穩定，一方面花費時間較長，另一方面會由于位移現象而發生嚴重破壞，由此陷入惡性循環。通過保證二次襯砌施工的實時性，性能優良的結構可以有效抵抗變形造成的壓力，進而保證隧道的整體穩定性(圖1）。在實際施工中控制變形，二次襯砌適時進行能獲得理想的效果，但是從當前情況來看，控制二次襯砌的施工時間仍有一些不足，應加大后續研究力度[2]。

圖1 二次襯砌施工示意圖

4.4 增加支護剛度

根據該隧道工程的實際情況，需要依據“增大初期支護強度”的原則進行施工且不能更換。因為隧道變形的影響范圍較大，應采取噴漿與大規模鋼架綜合支護體系。 具體施工時，由于在軸向上的水平擠壓應力已經高出橫向，需在縱向銜接鋼架的同時，結合破壞特征將連接鋼架（縱向）增設在拱部鋼架中間，從而為結構剛度提供保障。總之，預留變形量屬于防止變形發生后侵害初期支護的關鍵基礎。因為單線隧道具有優良的水平構造應力，可以通過將邊墻曲率增加對邊墻收斂起到有效控制。長短錨桿與二次支護一起進行支護能夠將初期的支護剛度提高。適時進行二次襯砌，能在一定程度上予以初期變形較強的支撐力，防止初期延續變形針對襯砌空間造成影響。適時進行二次襯砌一方面可以對初期變形有效控制，另一方面可以防止混凝土由于過大受荷發生開裂。

5 結語

因為在高地應力條件下發生的軟巖隧道變形具備長時間、程度大等特征，因此要對控制變形、隧道支護等一系列施工技術提出較高要求。基于此，在具體施工中需了解隧道變形的主要特征，依據工程有關要求使用針對性的變形控制技術。