軟巖大變形隧道的施工技術研究

陳凱

（福建省路橋建設集團有限公司，福建福州350000）

0 引言

木寨嶺隧道穿越大型活動斷裂帶，部分隧道段存在軟巖，遇水易軟化，導致圍巖變形明顯增加。針對軟巖隧道段的圍巖支護，需做好圍巖結構變形監測，根據監測數據選擇符合其變形規律的初期支護方法，以有效保證軟巖大變形隧道段的施工安全及施工質量。

1 工程概況

木寨嶺隧道工程穿越的活動斷裂帶長519m，其中核心斷裂帶長404m，隧道左線長15.231km，右線長15.163km。巖體軟弱破碎，遇水易軟化，以碳質千枚巖、軟質炭質板巖為主，在斷裂帶的長期作用下產生軟巖大變形，隧道圍巖受擠壓破碎，結構不穩定，安全風險大。該隧道工程的施工方案頻繁調整，工序復雜，在施工過程中流變效應導致施工難度大大增加。

2 隧道軟巖塑性變形區域大小及開挖方案

2.1 隧道軟巖塑性變形區域大小

在應力復雜、地應力高等負面因素的長期作用下，木寨嶺隧道工程結構形成遇水易軟化的破碎軟巖段。該隧道段的最大特征是巖體軟弱松散，變形顯著，施工時面臨變形控制難、初支易失穩等問題。為有效保證施工安全，應根據圍巖地質條件及結構特征，通過鉆芯取樣檢測，明確隧道軟巖塑性區大小，制定合理的開挖、支護施工方案，以達到控制軟巖大變形段隧道變形的目的[1]。

以隧道圍巖波速最大或最小值處測點深度作為確定松動圈的范圍關鍵點，采用超前鉆探方式對比分析V 級圍巖斷層破碎帶K215+900 巖性，孔深18m，孔徑φ8cm。由于坍塌堵孔的影響，孔深實際為11m。隧道圍巖波速與孔深之間的關系如圖1 所示。

圖1 K215+900 處圍巖波速測試波形圖

根據測點數據信息可知，圍巖波速峰值出現在孔深10～11m 處，深度10m 以上的圍巖整體破碎，波速僅有1.48km/s，12m 后的圍巖波速顯著減小。根據孔深12m 以上的隧道圍巖波速特征，可知整體圍巖的波速特征，推斷出隧道圍巖松動圈邊界為12m。

2.2 開挖施工方法

對于軟巖隧道可采用短臺階施工方案，先比較分析兩臺階施工方案、三臺階施工方案的優劣。結果顯示隧道仰拱均有隆起，主要原因在于仰拱彎矩處承受拉力作用，節點軸承受壓力作用，而采用三臺階施工法時隧道的仰拱彎矩更小[2]。

根據受力分析可知，采用三臺階預留核心土施工方案效果最好。為確保受力分析結果的準確性，在施工材料、力學參數不變的前提下，分別計算分析7m 長臺階、13m 長臺階、19m 長臺階采用三臺階施工方案的實際施工效果，重點計算分析隧道斷面的各關鍵節點的位置變化、應力等力學參數，計算結果表明，采用三臺階預留核心土施工方案時，臺階的理想長度為7m。

3 軟巖大變形多層支護方案

3.1 試驗段輔洞正做

在工程實踐中，常用柔性支護控制方法處理軟巖大變形段隧道變形問題，核心原理是允許適當的圍巖變形，抑制過度變形。選取該隧道1#斜井試驗段開展支護方案實際應用試驗，待選方案主體包括雙層H175 型鋼拱架、雙層支護（格柵+Ⅰ20b 型鋼）、雙層支護（雙層Ⅰ20b)，通過試驗計算分析得到以下結論：

其一，初期支護結構接觸壓力穩定越早，受力越均勻，初期支護結構成環越快，整體穩定性越好。三種支護方案對應的圍巖接觸壓力收斂時間分別為60d、50d、40d。

其二，如支護結構剛度不夠，則圍巖結構早期變形明顯，整體穩定性差，但圍巖應力釋放比較充分，二次支護結構的受力更均勻，同時整體受力小。

其三，初期支護時，需及早布設短錨桿，不但可以充分發揮隧道洞口附近圍巖的承重潛能，且有助于減輕支護結構受力。

其四，圍巖變形、初期支護結構的受力與圍巖流變特性有直接關系，而支護結構的強度及次數與圍巖流變效應的調節有直接關系。

根據上述分析可知，針對變形明顯的隧道正洞軟巖段應采用雙層H175 型鋼拱架初支+長短錨桿的支護方案。

3.2 錨桿作用機理及參數設定

隧道支護施工實踐表明，長錨桿對于較大埋深隧道軟巖變形的控制效果好，實際施工時為提高圍巖變形的控制效果，需先分析大變形段錨桿加固作用原理和相關施工參數設置，以確保施工效果。為提高計算結果的可比性，需將施工材料、圍巖受力設置為同等條件，再研究三臺階預留核心土施工方案的實際應用。

以7m 長臺階為例，計算采用雙層H175 型鋼拱架作為初期支護時，在錨桿長度不同的情況下，施工隧道斷面各個點的錨桿軸力、位移、塑性區范圍、應力峰值等施工參數，比較分析隧道拱頂、拱腳、邊墻等重要節點的計算結果，確定最合理的錨桿長度。

基于該隧道試驗路段，通過施工試驗比選高強度預應力錨桿、樹脂錨桿、自進式長錨桿。試驗結果顯示，自進式長錨桿、樹脂錨桿可有效抑制軟巖變形。基于試驗數據可知隧道支護結構邊墻處的錨桿軸力遠高于拱頂、拱肩處的錨桿軸力，且和錨桿深度成反比，長短結合錨桿軸力6m+3m 最大，10m+3m 次之，8m+3m 最小。

該隧道軟巖大變形段圍巖松動圈位于孔深12m處，按照多種組合方式的錨桿軸力計算結果以及圍巖松動圈特性，確定采用11m+3m 長錨桿+短錨桿組合的方案，其中，短錨桿由樹脂制造，長錨桿為中空型，其他如塌孔和縮孔的錨桿則為自進式，構建長錨桿+后注漿的圍巖變支護體系，有效約束圍巖變形。設置短錨桿快速控制圍巖變形，同時通過長錨桿實現長期穩定控制圍巖變形的目的，長短錨桿交錯設置可產生群錨效應。

根據隧道圍巖自身穩定性差以及開挖后的圍巖變形快速增加的特點，在開挖上臺階后及時在其拱部132°范圍內設置短錨桿；在圍巖上采用鋼拱架+錨桿組合建立加固組合拱結構，有效控制變形初期的破裂面發展及變形，提高圍巖結構的整體穩定性。在初期支護噴射混凝土后，設置長錨桿作為控制中后期圍巖擠壓變形的有效手段。

3.3 變形量預測及設置

為了更好地反映隧道拱頂的沉降和隧道里程的相互影響，結合斜井的相關檢測結果進行圖形分析，分析結果如圖2 所示，相互之間的影響分析如圖3 所示。其中，中臺階預留的變形量值為收斂值的一半，變形值取其兩側的收斂值總和。

圖2 拱頂下沉和里程相關關系散點分析圖

根據圖2、圖3 可知，如邊墻預留變形量為245mm，保證率為90%，如邊墻預留變形量為370mm，保證率為95%；如拱頂預留變形量為350mm，保證率為90%，如拱頂預留變形量為370mm，保證率為95%。由此可得，隧道軟巖大變形段的預留變形量為40～50cm。由于隧道支護結構強度不同，在施工實踐中取預留變形量為40cm，該隧道大變形段預留變形量見表1。

圖3 邊墻位移和里程變化相互關系散點分析圖

表1 木寨嶺隧道大變形段預留變形量

4 大變形段雙層支護的施工方案分析

結合隧道的受力分析，采用了對應的大變形段雙層支護方案措施，以有效控制軟巖大變形段隧道施工質量。

4.1 一次初期支護

施工初期，對于上臺階采取預留核心土施工方案，配備對應的掌子面超前支護，然后進行上導坑的施工，其中，預留核心土的長度控制在3～5m 之間，寬度為隧道寬度的1/4～1/3。開挖作業結束后，馬上開始噴射混凝土、架設鋼拱架，設置掛網以及錨桿。

分前后順序依次開挖中臺階兩側，循環進尺為2榀鋼架，左側比右側早開挖3～4m，開挖作業結束后馬上噴射混凝土，安裝鋼架，開展噴錨支護[3]。

下臺階的施工方法和中臺階基本一致，一旦隧道開始施工，很快就開展下臺階施工，采取施作仰拱初期支護措施，將其封閉成環的距離控制在25～30m之間。

4.2 二次初期支護

一次初期支護完成后及時開展二次初期支護。由于開挖后圍巖初始應力快速釋放，進行二次初期支護也不能抵消高地應力的擠壓作用。按照隧道軟巖大變形段的受力特點，開展對應的支護措施。

結合施工時采集的相關數據和信息，將二次初期支護的變形速率控制在1.6mm/d 以內，并將累計變形量70% 作為控制二次初期支護施工效果的關鍵指標。

完成二次初期支護3d 后，將圍巖的變形速率控制在0.4～1.2mm/d 之間，總體施工效果穩定，沒有出現瑕疵和變形等現象，無須拆換初期支護的鋼拱架。

5 結語

綜上所述，根據木寨嶺隧道軟巖大變形段施工研究，提出雙層H175 型鋼拱架+長短錨桿組合的支護方案，通過長短不等的錨桿交錯組合的方式形成聚合的群錨效應，控制裂縫的形成和發展，降低變形的概率。按照分部、分工、平衡、限時的原則完成雙層初期支護施作，有效解決初期支護結構破壞后需拆換鋼拱架的問題；以變形速率不超過1.6mm/d、累計變形量70%作為評價二次初期支護效果的關鍵指標，有效確保軟巖大變形段隧道的施工質量，極大減少隧道圍巖的變形情況，相關結果有效證明了雙層初期支護措施對控制軟巖大變形起到積極的控制作用。