兩并行軟巖大變形隧道變形特征及處置措施

姜 波

(中鐵二院工程集團有限公司，四川成都 610031)

在我國西部地區,由于地形地貌、地質條件特別復雜,高地應力軟巖大變形隧道越來越多,給建設工期及投資帶來很大影響。因此,有必要研究軟巖大變形隧道變形控制技術[1-3]。許多專家學者針對高地應力軟巖大變形隧道[4-6]均提出了許多大變形的判定方法，并給出了相應的防治措施，但是對兩并行軟巖大變形隧道由于遭遇較少，因此研究相對較少，可借鑒成果不多。

成蘭鐵路茂縣隧道是座全長9 925 m長大隧道，所在區域構造為龍門山華夏系構造體系之九頂山華夏系，其最大埋深達1 656 m，隧道洞身穿越龍門山后山活動斷裂-茂汶斷裂，段落埋深400～650 m，圍巖軟弱破碎，實測最大水平地應力27 MPa，為高地應力大變形段。由于采用雙洞分修方案，兩洞變形疊加，支護破壞嚴重，仰拱隆起達到74 cm，處置困難。本文采用現場實測及數值理論分析的方法探討了雙洞影響機理后給出了處置措施，實施效果較好。

1 現場施工情況及變形特征

1.1 施工概況

隧道開挖揭示圍巖以絹云母千枚巖為主，呈粉末狀，施工中采用了雙層支護等措施先完成了左洞施工，監控量測反饋大部分斷面在3個月左右整體支護變形趨于收斂穩定。

右線施工滯后于左線，2017年12月底發現鄰近右線掌子面的左線部分仰拱存在上浮現象；2018年4月以后變形速率加劇，2018年7月以后拱墻的變形加劇，出現噴混凝土剝落，鋼架扭曲并逐步發展為噴混凝土大面積破壞，鋼架錯斷等嚴重變形破壞現象(圖1)。

圖1 現場開挖粉末狀圍巖

1.2 仰拱變形破壞情況

變形監測顯示總645 m大變形段有270 m仰拱均存在不同程度上浮的現象，均發生嚴重變形段落(圖2、圖3)。

圖2 仰拱變形情況

圖3 仰拱變形示意

仰拱變形特征：

(1)左線存在仰拱隆起現象位于拱墻二次襯砌未施作段。

(2)仰拱上浮量值大。最大上浮74 cm，且近兩年觀測期內無明顯衰減，國內罕見。

(3)中巖柱側仰拱上浮突出。嚴重上浮的段落，洞身橫斷面呈右高左低即靠中巖柱側隆現象突出。

(4)仰拱上浮為整體上抬。

(5)右線未發現明顯仰拱上浮。

1.3 拱墻變形破壞情況

2018年7月左線多個斷面圍巖監控量測數據出現變形加速的現象，8月左線初支逐步出現剝落掉塊，并逐步發展為鋼架扭曲變形、侵限。截止2019年底，有164 m發生嚴重的支護破壞侵限。拱墻變形破壞特征(圖4)：

圖4 拱墻變形破壞情況

(1)拱墻變形加速發生仰拱變形后。

(2)在變形加速前，左線斷面大部分均保持很長時間收斂，最長斷面的穩定期超過800 d才發生加速。說明原支護措施在單洞時能對變形較好控制。

(3)大部分斷面變形速率增加發生在7月，局部支護破壞后引起相鄰段牽連破壞是主要原因。

(4)局部斷面變形與右線施工存在明顯相關。

2 兩洞干擾的表現形式

從監控量測顯示左線開挖三個月后支護已趨于穩定，但后行洞施工時，變形加劇。后行洞的先行洞主要有以下影響。

2.1 掌子面的空間效應影響

通過變形監控量測發現，后行洞掌子面在距離先行洞約30 m時，即造成了先行洞變形的加速，在兩掌子面齊平時影響達到最大。而先行洞的由于變形支護破壞承載力降低，則進一步加劇了變形發展(圖5)。

圖5 DBK127+930變形曲線

2.2 后行洞支護時機的影響

后行洞施工支護時機對變形影響也較為嚴重，由于后行洞存在較長時間停工現象，掌子面附近未能形成有效支護，附近段落變形嚴重。支護不及時段，松動圈不斷增大，實測顯示9個月內松動圈從8 m擴大到了12 m。

2.3 后行洞反坡施工的影響

后行洞的反坡施工也是影響變形的因素之一。上游地下水通過隧道洞內或松動圍巖滲入變形段落，軟化圍巖降低其強度：圍巖強度降低→圍巖松動圈擴大→圍巖松弛→地下水進一步下滲→圍巖強度進一步降低→形成惡性循環，造成變形難以控制后果。該情況對基礎弱化作用更明顯(圖6)。

圖6 變形破壞段落與反坡施工的關系

2.4 數值理論分析

采用摩爾庫倫模型對比地下水軟化圍巖、施工支護滯后等因素影響，對該段落進行了數值分析。分析結果見表1、監測點見圖7。

圖7 監測點布置

從表1可知，綜合疊加不利因素后，相對單一因素對先行洞造成了疊加影響，位移增加了70 %，而單一工況則不超過5 %。

從圖8可看出，正常狀態下，單洞開挖塑性區分布主要在5～7 m；地基軟化工況時，塑性區分布較大，9～12 m，左右線塑性區尚未連通。后行洞支護滯后工況，中部塑性區部分連通，左右線塑性區呈現左小右大的特征，與實測結果較吻合。綜合兩種不利條件，塑性區較單因素條件下，顯著增加。

3 處置措施

經分析左線大變形段變形加劇及仰拱隆起的主要原因是高地應力條件下，地下水軟化圍巖、支護滯后、兩洞相互影響等綜合因素造成。因此針對仰拱隆起及支護破壞采取了堵水，加固松散區，錨固仰拱，鎖定中巖柱，重構支護等措施。

3.1 高壓注漿加固圍巖

對未施作二次襯砌的段落，拱墻采取注漿措施，對上游來水進行封堵，對松動圍巖進行加固，改善圍巖力學性能，補強周邊圍巖及中巖柱，由于高地應力圍巖緊密采用不小于2 MPa的壓力進行注漿。

表1 主要測點變形值 cm

圖8 各工況塑性區分布

3.2 鎖定中巖柱

中巖柱的承載力是變形段支護開裂破壞及仰拱隆起的重要影響因素。根據中巖柱位移矢量圖可知，中巖柱圍巖變形主要中部擠入，拱腰處下擠的變形模式。因此為限制中巖柱位移，采用兩側對拉錨索支護的方式對中巖柱進行鎖定(圖9、圖10)。

圖9 中巖柱地層位移矢量

圖10 中巖柱對拉錨索示意

3.3 錨固仰拱

仰拱上浮處理在當前國內是難點，通過現場試驗，茂縣隧道對隧底采用小直徑微型約束樁(直徑140mm)+斜向錨索錨固的方式進行加固，并將仰拱與仰拱填充結構合并為鋼筋混凝土，將錨固系統錨固與結構內形成整體。

3.4 破壞段的支護重構

圍巖加固后，對侵限及破壞嚴重的支護結構進行拆除并恢復原設計支護系統，使其恢復承載能力。

采用上述措施后，經過三個月的觀測顯示初支收斂、二襯穩定、仰拱未持續上浮，加固措施效果較好。

4 結論

在高地應力大變形段，相鄰并行隧道在線間距較小情況下，極可能出現變形相互干擾疊加加劇的現象，給變形處置帶來極大的困難。通過對茂縣隧道并行隧道大變形的處理，形成了如下幾點認識：

(1)大變形段落應盡量加大兩洞線間距，從而減少兩洞間的相互影響。

(2)并行大變形隧道，后行洞的變形控制尤為重要，其施工方向、支護參數及支護時機等均對先行洞有較大影響。

(3)并行大變形隧道，后行洞可能對先行洞中巖柱側支護及仰拱造成較大的影響，因此應注重對先行洞中巖柱及仰拱的加固。