高地應力破碎圍巖隧道大變形控制技術研究

李 松 黃林華 楊鐵雄

（1.湖南科技學院土木與環境工程學院，湖南 永州 425000；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

隨著西部大開發的持續發展，繼青藏鐵后的滇藏鐵路也如火如荼推進，川藏鐵路也逐步提上日程，高海拔地區復雜的地質條件下隧道建設往往面臨著多重困難，由高地應力造成的圍巖大變形則成為常見而難以處理的地質災害[1]，不少學者和工程技術人員對高地應力地層隧道圍巖大變形問題開展了研究，李生杰等[2]對從巖石力學角度解釋了圍巖大變發生的力學機理，并提出了處理方法。潘飛[3-4]等對高地應力地層隧道圍巖大變形工程現場采用了優化開挖方法、調整預留變形量、采用復合初期支護等手段進行綜合處理，并分析了處理方法的有效性。張德華[5]對大梁隧道極高地應力問題開展現場試驗優化并提出了新型支護結構。本文從麗香鐵路站前某些隧道高地應力地層發生了圍巖大變形出發，根據監控量測結果和現場開挖情況分析誘發圍巖大變形的原因、提出優化襯砌結構設計參數和施工技術等方法，評價大變形設計施工方案的有效性，為同類高地應力破碎圍巖隧道大變形處置方法提供參考。

1 工程地質條件

新建麗香鐵路站前四標位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣內，所在地域屬云南省西北部、青藏高原南東緣之橫斷山脈中段高原雪山地區。起訖里程為DK65+776～DK76+382，線路長度10606m。

麗香鐵路地處歐亞板塊與印度板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原東南緣之川滇菱形斷塊的西部邊界斷裂帶（金沙江-中甸斷裂帶）內，橫斷山脈中段，哈巴雪山山脈西側，地勢東高西低，山脈呈南北向展布，橫向溝谷發育，溝谷下切極深，屬深山峽谷地貌。

線路基本沿區域構造線行進，地質構造極為復雜，屬我國著名的南北向地震南段之滇西地震帶。發生變形的隧道地段主要為炭質頁巖、炭質板巖、炭質千枚巖、全強風化片理化玄武巖及凝灰巖等，層理、片理、節理等結構面多存在軟弱夾層，屬軟巖或極軟巖，實測地應力16.11～27.79MPa。隧道區覆蓋第四系全新人工棄土塊石土、滑坡堆積層等，受區域性構造影響，其間褶曲發育，巖體節理裂隙發育，巖體破碎，完整性較差。

2 隧道圍巖變形監測結果

2.1 圍巖大變形情況

已開工的4座隧道中，有長坪、白巖子、圓寶山等3座隧道出現了圍巖較大變形情況。其中，正洞累計變形較大段落長度達629.8m，輔助坑道累計變形較大段落長度達731.2m。按原施工組織方法隧道開挖主要以兩臺階法、三臺階法為主，施工過程中對隧道的拱頂和邊墻水平收斂進行監測，結果表明圍巖變形主要是水平收斂發展過快而導致支護結構失效，以圖1長坪隧道DK61+320～DK61+290段水平監測曲線為例，監測期內兩個斷面水平收斂均達到500mm以上，隧道上臺階變形較大，初期支護施工后一段時間內圍巖位移仍有較快發展，隨后位移發展加速直至發生破壞。現場初期支護結構發生破壞主要表現為邊墻處鋼架扭曲、接頭錯動和邊墻噴射混凝土開裂，形成縱向貫通裂縫進而造成整體失效破壞。

圖1 DK61+320～DK61+290段圍巖水平收斂監測曲線

從現場施工監控量測數據和調整支護措施中總結的規律來看，按原設計支護方案采用上下臺階法施工，施加初期支護較難控制圍巖位移發生，收斂變形最大值達到300mm以上，嚴重地層中水平收斂值達到800mm，上收斂的變形量大于拱頂變形量，下收斂變形量相對較小。施加二次襯砌后，拱頂沉降與水平收斂逐步趨于穩定，隧道初支完成后若15d之內不及時施做二襯，初支變形將隨時間推移不斷增大最終導致侵限，大多需要換拱。即使二次襯砌施工后圍巖位移得到控制，按照新奧法和傳統設計理念，支護結構主要靠初期支護承受荷載，圍巖位移應當在二襯施加前趨于穩定，二次襯砌作為安全儲備如承受較大荷載對后期運營安全造成隱患。

2.2 圍巖大變形原因分析

通過對麗香鐵路四標隧道圍巖變形較大地段地質條件、支護結構參數、施工情況等進行綜合分析，初步得出圍巖變形的主要原因有：

（1）大變形地段巖性多為片理化玄武巖、玄武巖夾凝灰巖或炭質頁巖、板巖等，巖體軟弱破碎，自穩能力差，且部分段落地應力較高、巖體具有弱膨脹性特征、局部段落巖體順層偏壓，導致隧道開挖后圍巖變形較大。

（2）由于邊墻未進行超前小導管預注漿固結，圍巖開挖后應力釋放較快，自穩能力急劇下降，加上滲水軟化作用，內摩擦角變小，導致圍巖對初支的主動土壓力（側壓力）急劇增加。當側壓力超出初支的允許承載力（抗彎能力）時出現變形。隨著初支的變形，導致巖體的自穩內應力發生重新分布現象，自穩內應力圈半徑不斷擴大，相應不穩定巖體范圍也隨之擴大，致使側壓力繼續加大，從而加劇了變形量的不斷擴大。

（3）施工方法選擇不當，或工序銜接安排不合理，鋼支撐架設質量欠佳，支撐與圍巖不密貼，聯結不夠牢固，鎖腳錨管未起到錨固作用，且由于初期支護封閉成環間隔時間較長，不能滿足圍巖壓力所需要的強度要求。

3 圍巖大變形處置方案

3.1 支護結構優化設計

按原設計Ⅴ級圍巖地段設計采用V級B型復合式襯砌，拱部設置φ25組合中空錨桿，邊墻設置φ22砂漿錨桿，長度3m。全環設I18工字鋼架加強支護，縱向間距0.8～1m，拱部設φ42超前小導管，每根長3～3.5m，環向間距0.4m，縱向間距1.6～2m，臺階法施工，二襯采用40cm厚鋼筋砼。

施工中根據實際情況，加大預留變形量，支護采用大變形Ⅱ型襯砌結構，預留量40cm，全環設置工I20b鋼架，間距0.5m/榀，鋼架間縱向連接鋼筋采用φ25鋼筋，"Z"形布置，設于鋼架內側（靠二襯側），鋼筋縱向接頭應相互錯開,鎖腳錨桿采用φ25鋼筋，與鋼架焊接牢固；同時，加強各臺階底部鋼架縱向墊槽鋼的施工工藝，確保鋼架系統整體穩定性；拱部設φ42超前小導管，環向間距0.4m，縱向間距2m，必要時帶臨時仰拱。仰拱厚55cm，二襯厚50～80cm，環向鋼筋采用Φ20螺紋筋，縱向間距20cm，層距隨二襯弧形變化而變化，縱向鋼筋采用螺紋鋼，環向間距25cm，層距隨二襯弧形變化而變化,鉤筋采用Φ8鋼筋（滿鋪）。為了保證施工安全、質量、進度可控，在圍巖應力較大段采用CRD開挖工法，在CRD開挖工法試驗段施工中優化的施工工藝和總結的施工參數，動態調整下一步CRD開挖施工。

3.2 大變形段處置效果評價

圖2為長坪隧道試驗段初支變形監測曲線，可見采用大變形Ⅱ型支護結構及CRD開挖工法后，未發生紅色警報，可見大變形Ⅱ型襯砌對于此段圍巖變形具有良好控制效果，及時穩定了圍巖變形收斂。CRD開挖工法能有效利用了中隔壁和臨時仰拱的支撐作用，縮短開挖與支護間隔時間，開挖對圍巖擾動小，并輔以注漿小導管超前支護、掛網和格柵噴砼等支護手段，有得于圍巖變形控制，同時仰拱與下臺階的施工間距對圍巖變形有重要影響，仰拱封閉成環后，初支支護形成整體受力結構，抵抗圍巖的變形能力增強，能確保施工安全和結構安全。

圖2 上臺階水平收斂監測曲線

4 結論

論文針對麗香鐵路四標隧道發生的大變形情況，分析了其產生的原因，采取了相應的設計和施工控制措施，得到了以下結論：

（1）大變形的發生與地質條件，施工方法和支護結構設計等條件密切相關，圍巖水平收斂明顯大于豎向位移，支護結構的破壞也往往從邊墻處開始。巖體破碎，地下水豐富和高地應力是導致圍巖失控的主要原因，施工技術及處置措施選擇不當極易發生重大安全事故。

（2）在高地應力復雜段應采取不同的襯砌支護參數，大變形Ⅱ型襯砌重新設計了隧道斷面和支護結構形式，較好應對了高地應力破碎圍巖地層隧道支護結構水平位移發展過快的問題，對控制圍巖變形和襯砌破壞失效具有較好效果。

（3）施工監測結果表明上臺階圍巖位移發展較下臺階快，且臺階處鋼拱架接頭處易發生扭曲，采用CRD工法相對于上下臺階法能有效應對問題，但一次開挖距離不宜過長，施工質量需要重點把控，并應當及時施工二次襯砌。