活動斷裂帶軟巖大變形隧道開挖支護技術(shù)

劉文玲

(中鐵十七局集團第一工程有限公司 山東青島 266555)

1 工程概況

成蘭鐵路位于青藏、揚子和華北三大亞板塊包圍的川西北三角斷塊區(qū)，茂縣隧道穿越茂汶斷裂帶[1]，左線長9.913 km，右線長8.595 km，茂汶斷裂帶北東向大斷裂段受汶川地震影響處于活躍狀態(tài)，區(qū)域內(nèi)地震及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，褶皺、斷層發(fā)育，高地應(yīng)力、高地震烈度、高地災(zāi)風(fēng)險極為顯著。隧道穿越斷裂帶長480 m，穿越斷裂核部段落長393 m，地質(zhì)主要為碳質(zhì)千枚巖、絹云母千枚巖，巖體破碎，遇水軟化，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占74%，受活動斷裂帶影響形成軟巖大變形、突泥涌水、圍巖擠壓破碎帶失穩(wěn)風(fēng)險極高。隧道分三線合修、雙線合修、變寬合修、小凈距單線分修等多種段落，開挖斷面變化頻繁，工序調(diào)整復(fù)雜。受極高地應(yīng)力影響圍巖極為破碎，遇水軟化，穩(wěn)定性極差。施工中長期流變效應(yīng)明顯，施工難度極大。

2 變形塑性區(qū)范圍及開挖工法研究

2.1 軟巖大變形塑性區(qū)范圍確定

茂縣隧道在活動斷裂、復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力和高地應(yīng)力等多重不利因素影響下，形成了軟弱破碎、遇水軟化的軟巖大變形段。主要表現(xiàn)為松散大變形、擠壓大變形、應(yīng)力軟巖大變形[2]。存在圍巖變形量大、初期支護侵限嚴(yán)重、變更設(shè)計頻繁等突出問題[3]。為確保施工安全，需針對隧道圍巖特征，先鉆探分析確定軟弱圍巖的塑性區(qū)范圍，再進行大變形區(qū)域開挖和支護方案的制定、施工，通過施工工藝、方法控制隧道變形。

圍巖松動圈范圍確定采用圍巖波速峰值點對應(yīng)測點深度作為松動圈邊界。在Ⅴ級圍巖斷層破碎帶YD8K127＋948、YD8K127＋950處進行超前鉆探、對比分析，鉆孔深20 m，直徑φ10 cm，鉆探中受坍塌堵孔影響實際成孔深度分別為12 m、18 m，圍巖波速測試隨鉆孔深度變化曲線見圖1、圖2。

圖1 YD8K127＋948波形圖

圖2 YD8K127＋950波形圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，圍巖波速在11～12 m左右達到峰值，12 m之前圍巖結(jié)構(gòu)破碎，波速較低(1.5 km/s)；12 m之后波速明顯衰減，但不同于12 m之前的圍巖波速特征，更多反映的是原巖波速特性。說明12 m處圍巖波速峰點主要受洞體開挖引起圍巖應(yīng)力集中的影響，圍巖結(jié)構(gòu)致密性、孔裂隙率大幅降低，使所測圍巖波速明顯提高。由此可以推測圍巖松動圈在12 m左右。

2.2 開挖工法研究

針對高地應(yīng)力大斷面軟弱圍巖隧道宜采用短臺階法施工[4]。通過圍巖實體單元對兩臺階不留核心土開挖工法與三臺階預(yù)留核心土開挖工法進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)兩種工法開挖下隧道均呈現(xiàn)一定的仰拱隆起現(xiàn)象，兩臺階不留核心土開挖工法仰拱隆起量最小；兩種工法開挖下隧道拱頂沉降值均比較高，其中兩臺階不預(yù)留核心土開挖工法對隧道拱頂沉降、隧道水平收斂的控制效果最好；兩種工法開挖狀態(tài)下隧道邊墻水平收斂值均高于各自拱腳水平收斂值，水平收斂值偏大。隧道仰拱彎矩處于受拉狀態(tài)，隧道斷面節(jié)點軸力處于受壓狀態(tài)。兩臺階不留核心土開挖工法仰拱彎矩值最小。

各節(jié)點軸力分布三臺階預(yù)留核心土開挖工法較好，兩臺階留核心土開挖工法次之；隧道斷面塑性區(qū)范圍最大值均出現(xiàn)在拱腳部位，約7 m左右；最小值一般出現(xiàn)在拱頂部位，差異性較大，范圍值從2.26 m至4.64 m不等。隧道開挖工法的改變對拱頂和邊墻處塑性區(qū)范圍分布影響較大，對拱腳和仰拱處塑性區(qū)范圍分布影響較小。總體而言，三臺階預(yù)留核心土工法開挖下隧道斷面各處塑性區(qū)范圍最為均勻。

綜上所述，從結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā)，三臺階預(yù)留核心土施工效果最佳。同時為保證計算結(jié)果的可對比性，在各類材料、圍巖力學(xué)參數(shù)相同的條件下，以6 m、12 m、18 m為臺階長度，計算三臺階預(yù)留核心土開挖工法，隧道斷面各點的豎向位移、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、彎矩、軸力、塑性區(qū)范圍等力學(xué)值，對比分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用三臺階預(yù)留核心土開挖方法時，以6 m為臺階長度，工程效果最佳。

3 軟巖大變形多層支護體系研究

3.1 試驗段輔洞正做

目前隧道軟巖大變形段，抑制隧道變形多采用“柔性支護控制”理念[5]，允許圍巖變形，控制圍巖有害變形，方法有多重支護[6-7]、可縮式支護鋼架和分階段綜合控制變形等。茂縣隧道深埋軟巖大變形地段，除采用多重支護外，主要是采用分階段綜合控制變形。采用設(shè)置長短系統(tǒng)錨桿，利用長錨桿補強、增噴混凝土、縮小鋼架間距等方法，分階段提高支護剛性控制位移變形，使隧道趨于穩(wěn)定。

施工中由于理論分析與經(jīng)驗類比確定的支護措施在變形控制時存在一定的不確定性，為避免正洞施工出現(xiàn)大范圍支護拆換，且1號斜井洞身與正洞平行，圍巖特征與正洞非常相似，采用了輔洞正做試驗段施工，采用不同的支護方式對大變形控制進行研究分析。一采用“邊讓邊抗，先讓后抗”讓壓支護[8-9]理念，初支采用格柵鋼架柔性支護，二次支護采用 20b型鋼鋼架加強的多重支護設(shè)計。二采用“以抗為主，寧強勿弱”理念:雙層 20b型鋼鋼架或單層H175型鋼鋼架。同時施工中發(fā)現(xiàn)長錨桿對控制變形作用明顯，為此輔洞正做段設(shè)計為長錨桿，以對比分析不同錨桿的施工工藝及作用效果。

通過對茂縣隧道一號斜井試驗段進行的H175型鋼、雙層支護(格柵＋ 20b型鋼)、雙層支護(雙層 20b)的適應(yīng)性試驗，進行數(shù)值計算分析發(fā)現(xiàn):

從豎向位移控制角度出發(fā)，各支護形式相差無幾。就結(jié)構(gòu)彎矩值、軸力計算結(jié)果而言，以格柵＋ 20b為初支的支護形式最優(yōu)，雙層 20b型鋼為初支的支護形式次之。從塑性區(qū)分布角度出發(fā)，各支護形式相差無幾。

(1)初期支護成環(huán)越早，支護強度越大，圍巖初支接觸壓力穩(wěn)定的時間越早，支護受力越合理。格柵拱架＋ 20型鋼拱架→兩層 20型鋼拱架→H175型鋼拱架圍巖接觸壓力收斂時間分別為60 d、50 d和40 d。

(2)支護剛度不足時，前期變形大，洞形差，但由于圍巖應(yīng)力得到較大程度的釋放，施作的二次支護受力更加均勻且相對較小；而支護剛度較高時，初支受力均勻性得到提高，變形量小，洞形的保證度好，但此時支護受力較大，需要有足夠的強度。

(3)初支時盡快設(shè)置短錨桿，不僅能極大程度地發(fā)揮近洞周圍巖的自承能力，還能減小支護受力，且受力更加均勻。

(4)圍巖的流變特性對變形和支護受力的影響比較明顯，同時強支護、多次支護對于圍巖流變效應(yīng)的控制是有效的。

根據(jù)上述結(jié)論，茂縣正洞采用了嚴(yán)重大變形段按照分部位、分工序、平衡及限時的原則采用雙層H型鋼初期支護＋長短錨桿結(jié)合的支護方案。

施工中，短臺階開挖，隧道初支要快速封閉成環(huán)，為二支施作提供空間。同時臺階法分段開挖有利于高地應(yīng)力二次釋放，減小對剛性支護結(jié)構(gòu)的集中破壞。一支施工長錨桿的作業(yè)時間內(nèi)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、理論分析，在變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的時候施作二支，全斷面法跟進，一次性閉合成環(huán)。二支的閉合完整性更好，對一支局部變形失穩(wěn)后的補強，與一支共同抵抗圍巖壓力，形成控制變形的整體初支。

3.2 系統(tǒng)錨桿作用機理及參數(shù)設(shè)置

國內(nèi)外工程實例表明，長錨桿是控制深埋軟巖大變形的有效手段[10]，施工過程中為加強變形區(qū)的支護與加固效果，對變形區(qū)系統(tǒng)錨桿的作用機理及參數(shù)設(shè)置進行再研究，保證計算結(jié)果的可比性，在各類材料參數(shù)、圍巖力學(xué)參數(shù)等相同條件下，研究分析了三臺階預(yù)留核心土開挖工況。計算了在6 m預(yù)留臺階長度及H175型鋼為初支時不同錨桿長度下，隧道斷面各點的豎向位移、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、錨桿軸力、塑性區(qū)范圍等力學(xué)值，對比分析拱頂、拱腳、邊墻、仰拱等節(jié)點計算值得出最佳錨桿長度值。

通過試驗段對高強度自脹(自鉆式)組合預(yù)應(yīng)力錨桿、讓壓中空漲殼注漿錨桿、10 m/8 m普通/組合中空長錨桿、10 m/8 m自進式長錨桿進行比選[11]。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，10 m/8 m自進式長錨桿、樹脂藥包錨桿兩種材料適用于目前的軟巖大變形隧道的地質(zhì)條件，對大變形前期松動圈變化和后期的蠕變流變控制效果顯著。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)邊墻錨桿軸力明顯大于拱頂和拱肩處，并隨錨桿打入深度增加而減小，長短結(jié)合錨桿軸力3 m＋6 m最大，3 m＋10 m次之，3 m＋8 m最小。

由此說明茂縣隧道圍巖松動圈在12 m左右，根據(jù)不同錨桿組合軸力分析，并考慮松動圈影響，選擇3 m＋10 m長短結(jié)合錨桿組合支護。短錨桿采用樹脂(藥包)錨桿，長錨桿采用中空錨桿，塌孔、縮孔段采用自進式錨桿。制定了“長錨桿及后注漿為主”的變形主動控制體系，控制圍巖塑性區(qū)。利用短錨桿(小于等于4 m)施作簡便快捷進行初期變形控制，同時為長錨桿施作創(chuàng)造時機，長短交錯結(jié)合形成群錨效應(yīng)[12-13]。

考慮到圍巖自穩(wěn)能力極差和開挖后短時間內(nèi)變形量急劇發(fā)展的特點，短錨桿在一支上臺階開挖后立即打設(shè)，布設(shè)于上臺階拱部132°范圍；作為初期抑制破裂面發(fā)展和膨脹變形的主要手段，在隧道近區(qū)圍巖形成加固組合拱結(jié)構(gòu)，加強圍巖整體性和穩(wěn)定性。長錨桿在一支噴混凝土后采用錨桿臺車打設(shè)，拱墻全部設(shè)置。鉆進、清孔、注漿一體化快速施工，一方面控制加固組合拱圍巖的變形，另一方面將加固組合拱懸吊于穩(wěn)定巖體，使近、遠區(qū)圍巖協(xié)調(diào)變形，作為中后期抑制深層圍巖擠壓的主要手段。

短錨桿和長錨桿的結(jié)合，是實現(xiàn)雙層初支施工工藝的重要手段。快速錨固技術(shù)，實現(xiàn)了對圍巖裂縫發(fā)展、膨脹擠壓的快速控制。

3.3 變形量預(yù)測及設(shè)置

通過對隧道斜井大變形段數(shù)據(jù)統(tǒng)計，拱頂下沉隨里程變化散點圖如圖3所示，邊墻位移隨里程變化散點圖如圖4所示。中臺階變形值為兩邊收斂總值，臺階預(yù)留變形量為收斂值的一半。

圖3 拱頂下沉隨里程變化散點圖

圖4 邊墻位移隨里程變化散點圖

由圖可以看出，拱頂預(yù)留變形量為350 mm時，保證率為90%，當(dāng)拱頂預(yù)留變形量為370 mm時，保證率為95%。當(dāng)邊墻預(yù)留變形量為245 mm時，保證率為90%，當(dāng)預(yù)留變形量為370 mm時，保證率為95%。

為此施工中對隧道正洞嚴(yán)重軟巖大變形預(yù)留變形量取值為35～45 cm。考慮斜井施工狀態(tài)及相對應(yīng)正洞的支護強度差異，實際設(shè)計按40 cm考慮。其他等級預(yù)留變形量取值見表1。

表1 茂縣隧道大變形段預(yù)留變形量 cm

4 大變形段雙層支護施工

選擇契合圍巖變形時空效應(yīng)的雙層初支施工技術(shù)，是大變形隧道施工變形控制的有效手段之一。隧道圍巖在開挖與初支后短時間內(nèi)急劇膨脹和擠壓，支護結(jié)構(gòu)和圍巖相互作用，共同變形，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)掌握變形發(fā)展規(guī)律，準(zhǔn)確把握施作二支的最佳時機，使后續(xù)變形量不超過二支本身的屈服收縮，又可與一支共同抵抗圍巖變形應(yīng)力，達到控制大變形的目的。由于二支施作的方法、時機不同，二支的閉合完整性更好，是對一支局部變形失穩(wěn)后的補充，兩者形成了初支控制變形的整體。從理念上徹底解決了初支破壞后另行拆換鋼架的難題，保證了嚴(yán)重大變形段工程進度的順利推進，體現(xiàn)了對極高地應(yīng)力下圍巖變形時空效應(yīng)的應(yīng)用。

4.1 一次初期支護

短臺階預(yù)留核心土法開挖上臺階，上臺階掌子面超前支護后，進行上導(dǎo)坑開挖，核心土長3～5 m，寬1/3～1/2隧道開挖寬度。循環(huán)進尺為1榀鋼架，開挖后立即進行混凝土初噴、鋼架架設(shè)、掛網(wǎng)打設(shè)鎖腳錨桿和拱部短錨桿。

沿鋼架墻腳以上不大于30 cm，緊貼鋼架兩側(cè)與豎向成30°～45°打設(shè)鎖腳錨桿，并與鋼架焊接牢固。上臺階拱部132°范圍內(nèi)打設(shè)4 m以上的短錨桿、復(fù)噴混凝土。

中臺階左、右側(cè)一前一后開挖，進尺為2榀鋼架，左側(cè)提前右側(cè)2～3 m，開挖后立即進行混凝土初噴、接長鋼架，打設(shè)鎖腳錨桿，噴錨支護。下臺階開挖支護與中臺階步驟相同。隧底開挖緊跟下臺階，及時施作仰拱初支，封閉成環(huán)距離一般為25～30 m，有利于抑制圍巖變形。

4.2 二次初期支護及施作時機

整個初期支護分為兩個階段循環(huán)交替進行，一支與拱部短錨桿施工和二支與拱墻長錨桿施工。掌子面掘進四個循環(huán)后，利用專用錨桿臺車施工自進式長錨桿，錨桿長度為10 m，20根/m，完成拱墻部位錨桿鉆進、清孔、注漿工作。

利用二支支護臺架全斷面法跟進拱墻二支，墻角設(shè)鎖腳錨桿。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、理論分析，提出在變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的時候施作二支。隧底開挖，利用初支棧橋施工二支仰拱初支。

為保證一支和二支共同作用，二支施工時機非常重要，不能等到一支全部被破壞后再施作二支，因一支破壞后圍巖會形成新的擠壓變形薄弱點，減弱整個支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，此時再進行二支相當(dāng)于重新進行一支；不在一支的基礎(chǔ)上立即施作二支，是因為圍巖初始應(yīng)力在開挖后短時間內(nèi)會急劇釋放，施作二支也無法抵抗高地應(yīng)力的擠壓。結(jié)合軟巖大變形隧道圍巖變形時空效應(yīng)的規(guī)律特點，按照分部位、分工序、平衡及限時的原則施工雙層初支。經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、理論分析，在變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的雙控指標(biāo)作為施作二支的時機較為合理。當(dāng)拱頂沉降、周邊收斂的累計變形量曲線發(fā)展到這個階段時施作二支，后續(xù)的變形量不超過二支本身的屈服收縮，又可與一支共同抵抗圍巖變形應(yīng)力。現(xiàn)場二支施作3 d后，變形速率迅速降至0.3～1 mm/d，趨于穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)初支混凝土鼓包開裂、鋼架扭曲等失穩(wěn)現(xiàn)象，避免了初支鋼架的拆換。

5 結(jié)論與體會

通過對圍巖松動圈研究分析，提出了雙層H175型鋼＋長短錨桿支護體系，3 m＋10 m長短錨桿交錯結(jié)合形成群錨效應(yīng)，實現(xiàn)對圍巖裂縫發(fā)展、擠壓變形的快速控制。

采用“分部預(yù)留、先讓后抗”施工的理念進行雙層初支施工，從理念上徹底解決了初支破壞后另行拆換鋼架的難題，分析總結(jié)了變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的雙控指標(biāo)作為施作二支的時機，保證了嚴(yán)重大變形段隧道的順利推進，滿足了施工工期的要求。

隧道初期支護穩(wěn)定，隧道變形得到了很好的控制，充分驗證了雙層初期支護對軟巖大變形控制的重要作用。