水利工程軟弱圍巖大變形隧洞施工技術

李永山

（中鐵八局集團昆明鐵路建設有限公司，云南 昆明650200）

0 引言

隨著我國水利工程建設的快速發展，長距離引調水工程越來越多，受地形條件限制，采用隧洞形式的輸水建筑物也越來越多，復雜地質條件下隧洞修建技術也在不斷發展。當隧洞通過高地應力、軟弱破碎圍巖等不良地質體時，易出現圍巖大變形、坍塌等后果。

滇中引水工程蔡家村隧洞穿越地質斷裂帶，在KM1+160-+KM1+395軟弱圍巖段施工中，前期施工段落出現較大變形、坍塌等情況，文章以該段隧洞變形處理措施為例，總結軟弱圍巖大變形隧洞處理技術，為類似工程提供參考。

1 工程概況

該隧洞屬于滇中引水工程楚雄段蔡家村隧洞，設計斷面尺寸8.12×8.78m（寬×高），馬蹄形斷面，設計流量95m3/s，為無壓洞，襯砌采用平壓結構。KM1+160-+KM1+395大變形段由進口工區負責施工，施工過程中變形較大，圍巖呈灰色、灰白色、灰綠色，巖性主要為泥質、泥砂質板巖，強風化-全風化，節理裂隙發育，巖質極軟，呈碎裂結構，碎石角礫狀或塊狀，有少量地下水滲出。

2 圍巖變形情況及變形特征

蔡家村隧洞KM1+160-+KM1+395段施工期間，隧洞變形最大達83cm，一次支護變形嚴重，噴射混凝土開裂、剝落，鋼架扭曲、斷裂，墊層底鼓，125m隧洞一次支護因變形失穩拆換，現場支護變形情況如圖1、圖2所示。

圖1 一次支護扭曲變形照片

圖2 墊層混凝土底鼓片

變形特征為：

一是大變形段圍巖為軟巖，隧洞埋深150-180m，設計階段試驗反映該片區存在較高地應力，應力與圍巖強度比值較高。

二是隧洞變形主要表現為擠壓后彎曲變形，在有滲水地段變形明顯加大，軟弱圍巖在地下水作用下持續軟化，失去自穩能力，溜坍時有發生。

三是圍巖變形時間、空間效應均表現明顯，圍巖自身變形量較大，掌子面開挖造成的圍巖擾動對后方已支護段落的影響距離大，表現為噴射混凝土開裂掉塊、鋼架扭曲，侵入襯砌凈空，墊層混凝土底鼓等。

3 圍巖變形原因分析

隧洞穿越地層為震旦系與前震旦系昆陽群，依次為：震旦系上統燈影組（Zbdn）、下統澄江組（Zac2），昆陽群鵝頭廠組（Pt1e）和美黨組板巖段（Pt1m），斷層及褶皺構造發育，圍巖破碎，節理裂隙發育，圍巖呈灰色、灰白色、灰綠色，巖性主要為泥質、泥砂質板巖，強風化-全風化。大變形段主要為豎向巖層、陡傾分布，在隧洞開挖后，周邊巖體中出現剪應力和拉應力，剪切圍巖中軟弱夾層，軟弱層被剪切破壞后，影響相鄰側巖層的破壞、變形，最終導致隧洞支護結構變形、失穩和破壞，隨著變形的持續，又重復之前的剪切、破壞過程。如圖3所示。

圖3 陡傾巖層變形破壞形式

根據采取的施工措施及變形特征看，采用8m長Φ89鋼花管鎖腳及徑向注漿固結的情況下，隧洞仍出現大量變形，隧洞鋼架環向凸起、縱向扭曲，噴射混凝土開裂、剝落掉塊，墊層底鼓，判斷隧洞周邊圍巖松動范圍較大，無自穩能力，周邊圍巖擠壓支護結構，既有支護結構剛度不足造成隧洞變形。

從施工工序及變形關系看，在不進行開挖支護擾動圍巖的情況下，變形逐步趨于穩定，在隧洞開挖擾動圍巖后，出現較大變形，且隧洞開挖造成的變形影響范圍極大，在距掌子面80m位置仍出現較大收斂變形及墊層底鼓，判斷隧洞周邊存在極高地應力，隧洞開挖后地應力釋放，圍巖壓力重分布，加大支護結構受力，從而造成支護失穩變形。

該段隧洞最大變形達83cm，參考其他行業大變形分級標準，屬最高等級III級大變形。綜上所述，蔡家村隧洞KM1+160-KM1+385段為高地應力引起的軟巖大變形。

4 大變形隧洞處理技術

隧洞開挖后，既有巖體受開挖擾動，應力重新分布，在破碎圍巖地層條件下，洞身周圍出現大范圍的塑性區，隨著開挖引起圍巖移動，加上塑性區的剪切作用，將產生很大位移，需要及時支護才能保持穩定。在對蔡家村隧洞大變形段圍巖變形特征、相關監測數據、變形原因等分析后，采取如下技術措施進行處理。

4.1 合理設置預留變形量

大變形隧洞施工中，需把變形控制在一定范圍內，防止支護因變形過大造成失穩破壞。施工過程中，根據隧洞變形及監測情況，結合支護參數及施工方法合理設置預留變形量。蔡家村隧洞大變形段預留變形量逐步調整，從最初的15cm調整至25cm、40cm、60cm、80cm,最后調整支護參數后至30cm。

4.2 調整支護參數

大變形段施工中支護參數逐步加強，最初采用I20a鋼架（邊頂拱設置），間距1.0m,后調整至0.7m、0.5m，變形值均較大，出現鋼架扭曲、斷裂等現象。后采用I25b鋼架，間距0.5m，支護變形得到一定控制，仍出現噴射混凝土開裂、剝落掉塊現象，最終采用雙層I20a鋼架支護及墊層增設鋼架的措施，配合短臺階法緊跟成環施工，支護變形明顯減小，無異常情況出現。

大變形施工過程中，采用過Φ89鋼花管鎖腳錨管（長8m）、徑向注漿加固等常規加強措施，變形控制效果不明顯。

4.3 施工方法選擇

大變形段施工過程中，施工方法的選擇，主要滿足支護快速成環、減少圍巖擾動、確保施工安全三個基本條件。蔡家村隧洞大變形段最終選用短臺階法（三臺階、臺階長度5-10m）及預留核心土的單工序施工方法。即先開挖上臺階約5m，再開挖中、下臺階約5m，后按先上后下的單工序作業循環逐步施工的方法，同時，墊層混凝土緊跟下臺階施工成環。

4.4 及時施作襯砌

在采取上述施工方法及施工參數情況下，變形得到有效控制，支護未出現較大變形，為確保支護結構在圍巖擠壓下失穩，及時施作襯砌鋼筋混凝土，增加支撐結構剛度，保證施工及結構安全。

5 總結及建議

1）通過蔡家村隧洞KM1+160-KM1+385大變形段施工，對隧洞預留變形量、支護參數及施工方法進行試驗、調整及驗證，最終形成了以雙層型鋼支護的大變形隧洞施工方案。此方案抵抗變形能力強，后期變形緩慢，是控制變形及保證施工安全的有效方案。

蔡家村隧洞KM1+160-KM1+385段前期平均月進尺約20m，施工過程中支護參數不斷加強，支護結構部分失穩拆換，經過調整及總結了施工參數及施工方法后，后期平均月進尺約45m，未出現支護失穩等異常情況，安全順利通過大變形段。

2）對于以泥質、泥砂質板巖為主，巖質偏軟的圍巖，應根據隧洞變形情況及監控量測情況適時調整施工參數及施工方法，充分監測圍巖變形過程，結合變形特征分析變形原因，對癥下藥調整參數。當隧洞整體變形較大時，為保證施工安全及結構安全，建議采用雙層型鋼支護加強支護處理。

通過采用雙層型鋼加強支護，短臺階法及預留核心土的單工序施工方法，使支護及時形成整體受力，減小隧洞拱腰和上下臺階連接部位受力薄弱、變形較大的情況，保證了隧洞支護的整體性和穩定性，對抑制軟弱圍巖隧洞變形效果顯著，對其他類似隧洞施工具有一定參考意義。