白馬隧道支護結構變形機理與支護技術及實踐

蔡 濤

（鐵正檢測科技有限公司 山東濟南 250014）

1 工程地質概況

白馬隧道龍門山斷裂帶所圍成的楔形地塊上，最大埋深1 092 m，共穿越5條斷層：甲午池－文縣溝斷裂北支、甲午池－文縣溝斷裂南支、F9斷層、甲午池－文縣溝斷裂分支F8斷層、甲午池－文縣溝斷裂分支F7斷層。F9斷層與白馬隧道送風斜井及右線平行延伸1 870 m，與線路最近相距30 m，隧道右線絕大部分位于F9斷層影響帶范圍內，對隧道施工影響巨大。隧道左、右線間距35 m，開挖斷面約100 m2，斜井與隧道左右線交叉口多且為上跨下穿［1－2］。

2 地應力測試分析

為掌握工程區域的地應力場分布特征，現場采用水壓致裂法對白馬隧道進行地應力測試。根據鉆探巖芯完整度，在該鉆孔的中部及下部成功進行水壓致裂法地應力測量7個點，孔深分別為151.4 m、181.7 m、228.4 m、248.5 m、262.4 m、271.5 m、289.7 m。應力方向測量3個點，分別在孔深151.4 m、228.4 m、248.5 m位置。

（1）三向主應力值的關系總體為：孔深0～250 m內，SH＞Sh＞Sγ；孔深250～315 m 內，SH＞Sh＞Sγ。

（2）根據測量所得數據，全孔深水平最大主應力在7.0～10.5 MPa之間，全孔深最小水平主應力在5.5～7.3 MPa之間，用巖層容重（約為2.65 g/cm3）估算的垂直主應力為3.93～7.52 MPa。

（3）根據該孔洞身附近的最大水平主應力優勢方向北西西向（即 N11°W～N21°W），其優勢方向約為N16°W，與隧道走向的夾角約為32°，呈中小角度相交。最小水平應力為3.9～9.5 MPa，垂直應力為3.3～9.7 MPa。總體以垂直應力控制，σH＞σV＞σh，最大水平主應力方向一般為 N8°W～N20°W，即NNW向。

3 支護結構變形特性與機理分析

3.1 支護結構變形規律

（1）白馬隧道初支拱架連接位置受剪切和擠壓較為明顯，見圖1。邊墻大面積高頻率剝落，隧道掘進施工過程中掌子面坍塌，圍巖主要為板巖、炭質板巖，有時夾少量砂巖，圍巖破碎～極破碎（或呈松散結構），節理發育，無自穩性。開工至今共發生大小坍塌100余次。掌子面滲水較大時（股狀水），大部分在掌子面爆破后坍塌；掌子面滲水較小時（線狀水），在挖掘機清理斷面（清除松動圍巖）時坍塌；掌子面無水時（濕潤或無水），在立鋼拱架過程中或噴初支砼過程中坍塌［3－6］。

圖1 軟巖大變形現場

（2）初期支護施工完畢后，隧道在正常掘進過程中，已施工完畢的初期支護發生變形，變形范圍主要為：

①掌子面后方5 m范圍內的初支產生位移：上臺階施工，間隔時間較短，在1～2 d內。

②距掌子面15～30 m范圍內初支變形：上臺階施工，間隔時間較短，在7 d內。

③距離掌子面30 m外范圍初支變形：中下臺階施工，間隔時間較長，在7 d后。

④仰拱施工后初支開始變形：段落相對較少，間隔時間較長，在15 d后。

（3）軟巖大變形顯現，變形速度量值普遍較大，具有較強的持續性，流變特性較為顯著。

（4）初期支護變形主要體現為噴層開裂掉塊、鋼拱架扭曲、鋼拱架折斷、鋼拱架剪斷、初期支護侵限。

3.2 變形機理分析

（1）隧道開挖相當于卸荷過程，使得巖體中儲存的應變能快速釋放。當巖體強度較高時易發生巖爆，當巖體強度較低時則容易受到擠壓，發生變形。軟巖本身的低強度和節理發育特性，導致其在高地應力狀態下易發生顯著粘塑性大變形。

（2）互層巖體整體性較差，巖層厚度及強度不均，層理裂隙等弱化結構的發育削弱了巖體的力學性能，降低其承載能力。特別是在巖體產狀與隧道線路一致時，由于受到更大的開挖擾動，巖體的破壞變形將加劇。

（3）隧道所處的軟弱圍巖，在水的滲流和侵蝕作用下進一步弱化，尤其在高應力區，隨著孔隙水路徑數量的改變，等同于增加了軟巖的孔隙比和含水率，降低了密實度，使得圍巖體的力學性能指標進一步降低，進而承載力大幅下降，直接導致圍巖位移量的增加。

（4）擠壓性軟巖結構破碎，自身變形具有流變性。當隧道支護結構剛度過大，完全限制了圍巖的變形，圍巖無法通過自身變形來達到應力場平衡，過大的支護阻力將導致支護結構承受極大荷載乃至破壞；當支護結構剛度過小，將導致支護結構無法承受圍巖的形變荷載而發生大變形破壞甚至隧道塌方［1］。

4 不同工序下施工方案對比

（1）掌子面塌方整治

掌子面塌方整治措施見表1。

表1 掌子面塌方不同塌腔規模整治措施

（2）軟弱圍巖開挖方式調整

掌子面開挖方法對比見表2，現場見圖2。

表2 掌子面開挖方法對比

圖2 現場開挖工法

（3）初期支護變形整治措施（見表3）

表3 初期支護變形整治措施對比

以上幾種整治措施，成功處理了初期支護變形問題，特別是φ51自進式長錨桿后注漿對固結圍巖效果特別明顯，對抑制拱腳收斂效果明顯（見圖3）。

圖3 8 m長φ51自進式錨桿施工

5 現場初支大變形整治案例—隧道主洞右線（YK39+305～YK39+333）初支變形拆換

5.1 設計概況

YK39＋305～YK39＋333里程段為中～微風化帶，開挖后拱部無支護時，圍巖易坍塌，側壁有時出現小坍塌。

設計襯砌類型：Z4b。支護參數：16型鋼鋼架間距100 cm/榀；系統 φ22藥卷錨桿；φ6.5鋼筋網間距20×20 cm；預留變形量8 cm；φ22超前錨桿。

5.2 實際情況及變更調整情況

YK39＋305～YK39＋315段于6月20日至6月25日按設計Z4b型襯砌類型施作；YK39＋315～YK39＋331段（施工時間為2018年6月25至2018年8月4日）變更為Z5d型襯砌類型（18@80 cm，預留變形10 cm，系統φ22錨桿），超前支護為C型；YK39＋331～YK39＋332段變更為Dc型襯砌類型（20@60 cm，預留變形量30 cm，系統φ22錨桿），超前支護為B型。

5.3 后續變形狀況

隨著掌子面不斷掘進，YK39＋306～YK39＋325段先后不同程度出現鋼架扭曲折斷、初支開裂、起皮、掉塊現象。當斜井右線掌子面施工至YK39＋331時，受構造作用強烈，裂隙發育，巖體極破碎，受F9斷層影響強烈。YK39＋297.2～YK39＋325段先后不同程度出現鋼架扭曲折斷、初支開裂、起皮、掉塊現象。據監控量測顯示，支護效果甚微，日最大變形速率達到52.3 mm/d。

5.4 初步整治措施及效果

對YK39＋306～YK39＋325采用 18型鋼進行臨時支撐，補打鎖腳，增設縱向連接筋，臨時護拱已扭曲變形、連接筋脫落。掌子面圍巖無自穩能力，YK39＋331～YK39＋333按Dc（超前為B型雙層小導管）型襯砌類型施工，拱部仍掉塊嚴重，形成較大空腔，采用 20b型鋼按0.5 m/榀施工直至開挖面，采用φ42雙層小導管支護作為超前支護措施，輔以C20泵送砼回填密實。

處理完成空腔后，已施工的臨時護拱YK39＋306～YK39＋325段15榀（后又增加YK39＋325～YK39＋330段5榀）產生嚴重變形，及時對內部護拱進行了C25噴射砼再次支護加強，效果依然不佳。如圖4所示，監控量測發現變形依然持續，此時只能停工回填，保證安全［8］。

圖4 掌子面圍巖極破碎伴隨拱頂圍巖坍塌

5.5 二次返修措施與整治效果

對YK39＋305～YK39＋325采用 18型鋼進行臨時支撐，補打鎖腳，增設縱向連接筋。發生大變形后，掌子面停工，約15 d后，YK39＋325～YK39＋333段隨后也出現了嚴重的開裂、掉塊、拱架扭曲折斷。立即對該段采用 18型鋼作為臨時支撐，并在此基礎上施打鎖腳錨管，用縱向連接筋增加整體剛度。

經過研究分析，2018年8月15日先對該段進行洞渣反壓回填，進行長錨桿施作，采用8 m長φ51自進式錨桿，環向間距0.8～1.2 m，縱向間距0.8～1.0 m。施工完成后加強監控量測，數據穩定后，繼續向前加固整治，隧道長錨桿施作于2018年10月底完成。

因變形時間久（4個月），YK39＋305～YK39＋333段大部分初期支護變形侵限嚴重，后經研究決定，先開挖后進行周邊注漿，隨后對YK39＋305～YK39＋333段鋼架進行逐榀拆換，采用 22b型鋼鋼架間距0.5 m；C25噴射砼28 cm，預留變形量20 cm。超前支護采用雙層φ51自進式錨桿，C30鋼筋砼拱墻厚60 cm。

2018年12月初，現場注漿加固已完成YK39＋286～YK39＋318段（32 m），需對 YK39＋305～YK39＋333變形侵限段進行鋼架拆換，于2018年12月5日至2018年12月28日拆換完成。

拆換后的監控數據穩定，無異常，如圖5所示。

圖5 拆換后初支狀態

6 施工經驗總結

（1）掌子面在開挖時具有一定的穩定性，掉塊、垮塌不嚴重時，建議采用上下臺階法；掌子面在開挖時穩定性差，掉塊、坍塌，掌子面無自穩性時，建議采用三臺階法。圍巖預留變形量不應一味考慮圍巖應力釋放，也要結合經濟因素，根據先期的監控變形量，確定合理的預留變形量值。

（2）為防止滲水軟化圍巖，確保固結圍巖，建議系統錨桿采用φ42注漿小導管（4.5 m/根）或初期支護再開挖后注漿固結圍巖和注漿堵水。

（3）掌子面經常坍塌，φ42超前小導管不能滿足要求時，建議采用單層或雙層φ51自進式錨桿。拱部坍塌嚴重時，采用6 m搭接3 m方式，大型塌方可提高為φ76自進式錨桿，并縮小環向間距，如20～30 cm。

（4）建議在加大初期支護強度時可考慮采用H型鋼，特殊情況可根據監控量測適時施作雙層鋼架支護，避免初支變形過大后期再處理，一方面整治時間長，延長工期，增加成本；另一方面安全風險大，施工質量難以保證。

（5）鎖腳錨桿建議采用φ51自進式長錨桿，單根長8 m。現場如三臺階開挖，建議對上、中、下導拱腳均采用8 m長φ51自進式錨桿，12根/榀。