軟巖隧道施工中高地應力處治技術

何玉鑫

（濟南齊魯建設項目管理有限責任公司，山東濟南250000）

0 引言

隨著交通建設的快速發(fā)展，公路隧道建設大量增加。在隧道建設過程中，不良地質情況日益增多，如斷層、高地應力、巖溶及高突涌水等。受不良地質條件影響，增大了隧道施工難度，由此引發(fā)的安全風險也在不斷增大，對工程的整體工期造成較大的影響。不良地質對隧道施工主要造成以下難點：

一是控制全線工期，控制全線工期的往往是一座或兩座復雜的重難點隧道，主要原因是遇到特殊的復雜地質條件，技術儲備不足；

二是安全事故多，公路建設的安全事故主要集中在隧道，主要安全事故為塌方、突泥突水等；

三是特殊地質條件施工難度大，我國幅員遼闊，地質復雜，如高壓富水斷層、寬張裂隙、硬質破碎巖等特殊地質條件，此類隧道施工現(xiàn)場存在較大的安全風險，施工難度也進一步增大。

1 工程概況

隧道位于山東省，為雙線單洞隧道，隧道總長為1340m，隧道的埋深約為200～300m。其中第四系全新統(tǒng)坡積砂質粉土、碎石土，二疊系下統(tǒng)灰?guī)r夾砂巖、泥盆系中統(tǒng)灰?guī)r、石炭系中上統(tǒng)灰?guī)r、志留系中上統(tǒng)硅質巖夾板巖、泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r夾板巖為隧道洞身主要通過的地層。該隧道的特點如下：

其一，該隧道存在軟弱圍巖，并且隧道應力集中系數（圍巖強度應力比）為2.65，存在高地應力。

其二，隧道通過區(qū)位于泰山山脈褶皺系，地質構造較為復雜，巖層產狀較亂，地層好壞交替，地質環(huán)境隨時出現(xiàn)變動。

其三，地下水豐富，隧道內反坡抽排水工程是該工程項目技術與安全的重要問題之一。

其四，圍巖在受力產生較大變形情況下對高地應力軟巖進行施工，全隧道共計發(fā)生初支侵限拆換拱200m，仰拱隆起段落260m。

其五，在隧道圍巖所受的壓力中，形變壓力所占的比例最大，是主要的壓力形式。其所承受的最大壓力為0.546MPa，整個隧道所承受的平均壓力為0.245MPa，隧道二次襯砌所產生接觸平均壓力為0.203MPa，其中隧道圍巖內最大接觸壓力為0.476MPa。經過模擬分析在隧道圍巖所承受的壓力中接觸壓力占據78.65%，施工難度大[1]。

2 軟弱圍巖和高地應力的特點

2.1 軟弱圍巖

軟弱圍巖是一種遇水極易軟化且力學性能較低的巖石，因此在高地應力作用下極易發(fā)生較大的形變。其主要表現(xiàn)在隧道施工過程中，隧道所承受的應力分布發(fā)生改變，并產生松動圈。如果在施工過程中不對其進行保護，則極易產生塌方等安全事故。

2.2 高地應力

地應力也稱巖體的初始應力，它是指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內在應力，其由兩部分組成：

其一，巖體自身的重力所引起的應力；

其二，由鄰近地塊/巖體傳遞來的構造應力。因此巖體所受的應力較為復雜。地應力分級按3 級考慮：強度應力比≤3 為高地應力，3＜強度應力比≤7 為中地應力，強度應力比＞7 為低地應力。高地應力是由于應力集中所產生的巖塊破壞現(xiàn)象，應力集中系數（圍巖強度應力比）通常在2～3 之間。考慮洞壁實際處于二向應力狀態(tài)，強度會有所提高，取3 較為合適。由于軟弱圍巖本身的性質，當其所承受復雜應力或者高地應力作用時，極易出現(xiàn)較大的變形，而發(fā)生塌方等隧道安全事故。高地應力軟巖隧道大變形具有三個特征：變形量大；變形速率快；變形持續(xù)時間長[2]。

3 高地應力軟巖施工的處治技術

3.1 長錨桿加固圍巖

通過提高施加在軟弱圍巖上的加固力度，形成較厚的圍巖加固圈，減少圍壓對支護襯砌結構的作用力，控制圍巖松弛變形范圍。

3.2 加強初期支護

高地應力軟巖隧道與一般隧道相比較，初期支護應具有更高的強度，使圍巖處于較高支護力作用下的變形過程中，實現(xiàn)圍巖發(fā)生可控的變形，塑性圈處于可控的發(fā)展過程中，起到卸壓和深處轉移二次應力的作用。

3.3 隧底加固

基腳下沉基底鼓起等現(xiàn)象經常發(fā)生于大變形隧道之中，為了避免此現(xiàn)象，可通過底部注漿等手段加固基底的方法，或者通過改變拱曲率，加強錨桿，增加仰拱強度進而能夠保障支護系統(tǒng)穩(wěn)定[3]。

3.4 柔性支護，合理預留變形量

采用波紋鋼帶及可伸縮鋼架等柔性支護，可較大幅度地釋放地應力，減少作用在二次襯砌上的地應力，有利于隧道結構。與此同時，為了避免由于變形后的初期支護侵入二次模筑混凝土襯砌凈空，在隧道挖掘前務必預留適當的變形量[4]。

3.5 拱腳穩(wěn)定性控制

通過大量案例可知：保證拱腳的穩(wěn)定性，對于維護初期支護體系的穩(wěn)定性起著較大的作用。使用鎖腳錨桿（管）或擴大拱腳等，并以4 根4～6m 長為主，視地質情況選用鎖腳錨管并進行注漿。

3.6 調整施工方法

在施工中，及時閉合支護是穩(wěn)定圍巖、減小其發(fā)生變形的較好的方法。因此，在高地應力軟巖隧道施工過程中，應選取較為簡單的施工方法，避免因施工方法過于復雜導致支護閉合不及時。由于臺階法具有較強的穩(wěn)定性、靈活性，且施工簡單，因此是大變形隧道挖掘的主要施工方法。

3.7 增設緩沖層

在初支兩側拱腰及邊墻處設置緩沖層，材料采用高密度泡沫板，使圍巖應力釋放變形時，先讓緩沖層均勻受力，避免應力直接作用在初期支護結構上，起到延緩初期支護受力時間的作用，減少初支收斂變形和對初支的直接破壞。

3.8 設置循環(huán)應力釋放窗口

在高地應力隧道變形最大的邊墻段循環(huán)間隔設置應力釋放窗口（本循環(huán)設置，下一循環(huán)不設置，再下一循環(huán)設置，如此往復），應力釋放窗口處初期支護成環(huán)前不噴混凝土，初期支護成環(huán)后，再用噴射混凝土封閉。

3.9 掌子面變形及穩(wěn)定性控制

隧道中擠壓型變形主要發(fā)生在掌子面中，掌子面的變形引起隧道圍巖變形，因此抑制掌子面的變形十分重要。經過測試發(fā)現(xiàn)：超前支護法可以有效地抑制掌子面形變，進而可以減小圍巖的形變，達到控制隧道穩(wěn)定的目的。

3.10 軟巖大變形施工處理技術

其一，三臺階法開挖方式：上臺階長度控制在6m以內，上臺階高4.5m，必須預留核心土，核心土長度以3～4m 為宜。

其二，及時封閉掌子面：先初噴混凝土封面、鋼架，復噴噴混凝土后，再在核心土后施作系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿。

其三，建立整體支護系統(tǒng)：超前支護、系統(tǒng)錨桿、拱腳穩(wěn)定、噴層與鋼架密實性、鋼架間環(huán)向及縱向連接。

其四，單層支護+補強措施：單層支護采用大剛度支護體系，初期支護采用H175、J20、J25 等鋼架錨噴網聯(lián)合支護并加強鋼架的縱向連接；控制初支強度及剛度，變形不穩(wěn)定時適時施作支護補強。

其五，二襯施作時機研究：軟巖雙線隧道二次襯砌采用2mm/d 作為二襯施作時機。

4 結論

本文以隧道為例，介紹高地應力軟巖施工的處治技術，得到以下結論：

一是高地應力軟巖施工處治技術可通過9 種方式控制：長錨桿加固圍巖、加強初期支護、隧底加固、柔性支護、拱腳穩(wěn)定性控制、支護及時閉合、增設緩沖層、設置循環(huán)應力釋放窗口及采取超前支護。

二是軟巖大變形施工處理技術有：三臺階法開挖時，上臺階長度控制在6m 以內，上臺階高4.5m，必須預留核心土，核心土長度以3～4m 為宜；要及時封閉掌子面；建立整體支護系統(tǒng)，并采取單層支護+補強措施；軟巖雙線隧道二次襯砌采用2m/d 作為二襯施作時機較為合理。

三是該隧道通過以上處治技術，竣工驗收合格。表明以上方法可有效確保軟巖隧道的施工質量。