青云山隧道軟弱圍巖大變形控制技術研究

王印 WANG Yin

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

我國幅員遼闊，山地眾多，其中山地面積達國土面積的2/3以上，隨著山嶺地區(qū)道路建設的不斷拓展，鐵路、公路等深埋、特長隧道不斷涌現(xiàn)，特長隧道往往會穿越各種復雜特殊的地質、地貌和構造單元。使得隧道修筑過程中會遇到破碎帶、高地應力、軟弱大變形、巖爆等系列不良地質難題。時常出現(xiàn)因不良地質導致隧道修筑時產生巨大經濟損失和安全生產事故，嚴重影響了施工效率與施工安全。因此，復雜地質條件下隧道安全、快速施工技術研究得到了越來越多的重視。本文對青云山隧道高地應力軟弱圍巖大變形的施工控制及施工技術對類似隧道施工具有較好的指導價值。

1 工程概況

武深高速公路青云山隧道位于廣東省韶關市翁源縣及河源市連平縣分水嶺青云山山脈，設計為分離式隧道，洞室凈空14.75×5.0m，起訖樁號左線ZK344+700～ZK350+610，長5910m；右線YK344+645～YK350+655，長6010m，呈132°方向展布；隧道最大埋深約808m。設斜井一座，斜井與線路交于ZK348+981處，并貫通至右線YK348+962.4處。隧址區(qū)水文地質條件差，圍巖主要為砂巖、泥巖及頁巖等巖性，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層復雜多變，圍巖完整性較差；而區(qū)內地表水徑流較好，隧址區(qū)褶皺較發(fā)育，不同類型的結構面發(fā)育，具較強的透水性，地表水順各結構面滲入地下，成為豐富的地下水水源，使得隧道區(qū)地下水較為發(fā)育。

2 軟巖大變形概況

當從斜井向大里程方向施工至ZK349+350處時，發(fā)現(xiàn)里程ZK349+260～+320段隧道變形收斂速率過大，立即加強了監(jiān)控量測，第3天初支變形加劇，且部分地段噴砼開始出裂縫。為了確保安全，人員及機具后退至安全地段。第7日時，裂縫增加及擴大，局部出現(xiàn)噴砼掉塊。ZK349+285～+305段鋼拱架也變形扭曲，如圖1所示。經持續(xù)觀測，于第12日，變形收斂趨于穩(wěn)定。

圖1 軟巖初支大變形現(xiàn)場照片

3 變形破壞程度及原因研究

3.1 變形破壞

變形趨穩(wěn)后，工程技術人員進行了詳細勘查。超量變形沿隧道全斷面均有發(fā)生，但主要發(fā)生在兩側拱腰及拱頂部位。局部的變形收斂已嚴重超限。兩側拱腰向內收斂以39～92cm為主。拱頂下沉以38～61cm為主，隧底隆起25～51cm為主。經統(tǒng)計，變形超限及扭曲破壞的鋼拱架為56榀，需更換。噴砼完全破壞面積約為890m。變形地段圍巖的地下水發(fā)育，掌子面及初支裂縫可見地下水呈雨淋狀和線狀流出。

3.2 圍巖變形原因分析

經對掌子面揭示的圍巖進行了勘察及土工試驗。測試所得隧道圍巖抗壓強度為19.3MPa，而平均地應力值為5.78MPa。圍巖的強度應力比R/σ為3.3，按相關規(guī)范的定義，圍巖強度應力比＜4時，隧道圍巖為中等變形壓力狀況。表明圍巖本身自穩(wěn)能力較差，當圍巖開挖后，可能產生較大位移變形，且持續(xù)位移變形的時間較長。

變形段的圍巖為軟弱圍巖，巖體節(jié)理較發(fā)育、破碎，結構面結合程度差。且該區(qū)地下水發(fā)育，地下水使圍巖軟化變形，結合力降低。在地應力的作用下，圍巖出現(xiàn)大變形。基于地質勘察而進行設計的原初支參數(shù)，受地質勘察的局限性，不足以的承受及限制圍巖的變形，故產生以上的初支變形情況。

4 隧道圍巖變形段采取的技術控制措施

4.1 處理技術方案

根據(jù)對現(xiàn)場圍巖情況及變形特點評估后續(xù)變形發(fā)展。經專家研究決定，對產生變形的隧道段采取如下的處理及加固措施。

①對于初支超限地段，先采用?25中空注漿錨桿進行注漿加固，以提高圍巖的抗變形和自穩(wěn)能力，避免在整治過程中再出現(xiàn)大變形或坍塌現(xiàn)象。錨桿長度為6m，按間距為1.5m梅花形布設。然后再逐孔將超限的鋼拱架和砼噴層拆除，并擴挖圍巖，圍巖擴挖輪廊較設計加寬40cm（即預留40cm的沉落及變形值）。將原格鋼架換成全環(huán)I20b鋼拱架，且間距由原來的1m減少至0.6m。在拱腳處增設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿采用Φ28自進式錨桿，長度為10m，每處拱腳兩側各設1根，錨桿端頭與鋼拱架焊接牢固。鋼拱架間的環(huán)向連接筋采用?20螺紋鋼。噴砼中設雙層鋼筋網，以提高噴砼的抗壓、抗折、抗彎及耐沖擊性能。②對于尚未超限，但評估可能超限處，也采取與超限地段相同的處理措施，即拆除鋼拱架及噴砼、擴挖及加密鋼拱架等措施。③ZK349＋230～＋350的其余段落均全環(huán)采用?25中空注漿錨桿進行注漿加固，錨桿長度為5m，按間距為1.5m梅花形布設。

4.2 技術效果

大變形段處理完畢后，進行了加強監(jiān)控量測。第20d的各類變形速率在0.15～0.05mm/d范圍內，表明經處理后，圍巖變形已趨于穩(wěn)定，采用的處理措施合理可靠。變形穩(wěn)定后，測得拱頂沉降最大值為21.5cm，通常為10～16cm；水平收斂最大值為26.7cm，通常為9～19cm；隧底隆起最大值為13.1cm，通常為6.0～10.0cm。

5 后續(xù)掘進時控制變形的主要措施

本項目結合現(xiàn)場地質情況、變形特征及類似工程經驗，總體上采取了柔性支護技術。即在加強初支及襯砌的抗變形強度、剛度的同時，還允許初支、襯砌能夠產生適當變形而能保持結構完好的思路，在確保加固效果的同時達到減少投入的目的。

5.1 選擇合理的開挖方式

隧道大變形地段后續(xù)開挖采用三臺階七步開挖法（如圖2所示），該法以弧形導坑開挖留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。其具有下列技術特點：①施工空間大，方便機械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或破碎圍巖地段可采用挖掘機直接開挖，工效較高。②在地質條件發(fā)生變化時，便于靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法。③適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。④在臺階法開挖的基礎上，預留核心土，左右錯開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定。⑤當圍巖變形較大或突變時，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調整閉合時間。

圖2 預留核心土三臺階七步法示意

5.2 超前導洞釋放變形及應力

設置開挖超前于掌子面的導洞進行變形及應力的提前釋放，達到減少初支承受的變形及地應力。本項目導洞設于掌子面的中部偏上位置。導洞采用圓形形狀，以利于自身的穩(wěn)定。導洞半徑為3.0m。試驗表明導洞超前掌子面掘進10d以上時，釋放變形及地應力的效果最佳，故導洞較掌子面超前30m以上，從而能夠保持掘進時差為10d以上。

為了避免導洞在變形及地應力的作用下坍塌，引起后續(xù)施工困難，導洞設置徑向?22錨桿（長度為3.0m，按間距1.3m梅花形布設）及10cm噴砼進行支護。

經對比測試，本項目的超前導洞能夠提前釋放變形為18%～27%，有效減輕初支承受的變形壓力。

圖3 超前導坑設置示意圖

5.3 設置小導管超前支護

在隧道拱頂150°范圍內設置5m長的?42超前小導管，小導管以2～3°外插，小導管搭設1.0m，壓注水泥漿液。

5.4 加強圍巖的抗變形能力

5.4.1 設置自進式中空錨桿

研究表明，高地應力軟弱圍巖在變形后，在圍巖內沿著隧道形成環(huán)向的塑性和剪切滑移區(qū)（相當于破碎圈）。本項目采用ANSYS有限元計算軟件，研究了青云山隧道在高地應力、水壓下的塑性和剪切滑移區(qū)。計算出塑性和剪切滑移區(qū)厚度為3.2～4.1m范圍內。原初支的錨桿長度為3.5m，錨桿穿過破碎圈后沒能在穩(wěn)固基巖上有足夠的錨固長度，或是根本沒能穿過破碎圈。故原錨桿對于控制圍巖的變形起不了作用，導致圍巖出大變形。故本項目采用了?25mm自進式中空長錨桿加固圍巖。根據(jù)具體情況，錨桿選用長度為6m、7m、8m。長錨桿布設間距為1.2m。

5.4.2 對破碎圈采取小導管注漿加固

圍巖大變形后在隧道周邊形成了破碎圈，破碎圍巖間生成的裂縫形成了地下水的通道，軟弱圍巖在地下水的軟化下，進一步加劇了變形，惡化了病害。本項目采取在隧道洞身按間距為3.5m梅花型布設長度為4.0m注漿小管，對破碎圈實施注漿加固，避免了變形的進一步發(fā)展。相關文獻表明，隧道周邊小導管注漿對于控制圍巖變形的效果非常明顯，但對注漿時機有要求。當注漿過早時，圍巖內尚未形成裂縫，漿液無法壓入，起不到效果。注漿過晚，則圍巖變形已過大，可能已導致初支形成破壞。研究表明，在隧道水平收斂處于180～230mm時進行小導管注漿，可獲得較佳的變形控制效果。軟巖變形段隧道初期支護設計如圖4所示。

圖4 軟巖變形段隧道初期支護設計

5.4.3 采用大剛度鋼拱架和可伸縮鋼拱架

變形段采用大剛度的I22a工字鋼拱架，且間距由通常的1.0m減至0.6m，拱架間設置?18mm縱向連接筋，噴砼中設置雙層鋼筋網，噴砼厚度也從原25cm增至28cm。

在掘進至隧道最大埋深段（ZK349+830～+960）時，地應力較大，鋼拱架受擠壓變形很大，常導致I22a工字鋼拱架因變形過大而扭曲失效。該段鋼拱架采用了U29型鋼架，U29型鋼架為可伸縮鋼架，能夠適應圍巖的較大變形而不出現(xiàn)扭曲失效現(xiàn)象，是柔性支護技術體現(xiàn)。

5.4.4 增設鎖腳錨管

鎖腳錨管對稱設置在臺階的大拱腳處、邊墻腳往上30cm鋼架上，每側1根，端部與鋼管焊牢。鎖腳錨管采用?42鋼管制作，長度為8m，向下傾角為10～15°，并壓注水泥漿，注漿壓力≮2MPa。

5.4.5 采用預應力錨索控制大變形

在隧道最大埋深段（ZK349+830～+960），因地應力過大，采以上述技術方案進行了圍巖變形控制，但是變形值還是難以控制在目標值內，特別是兩側拱腰的變形值較大。本項目運用預應力錨索進行拱腰處變形的控制。分別在兩側拱腰設置3層6S15.2預應力錨索，層距為2m，沿隧道縱向間距為2m，錨索施加500kN的預應力。

5.4.6 提高圍巖預留變形量

為了避免后期變形量過大，使變形后的初支侵入模注襯砌空間內，將預留的邊墻變形量增大至30～40cm，拱頂20～25cm，隧底15～20cm。

5.4.7 玻璃纖維錨桿封閉掌子面

為了確保施工安全，避免掌子面圍巖坍塌，開挖后的掌子面采用易于切割的玻璃纖維錨桿進行加固，以利于后續(xù)掘進。玻璃纖維錨桿間距1.2m，梅花形布置，長度為3.5m，并噴射8cm混凝土封閉掌子面。

5.5 提高模注混凝土襯砌承載剛度

采用ANSYS有限元計算軟件進行了圍巖變形對初支及襯砌產生的彎矩進行了研究（如圖5所示）。

圖5 軟弱圍巖使襯砌產生的彎矩（單位：N·m）

根據(jù)荷載數(shù)據(jù)，對襯砌進行了重新設計，厚度由原設計45cm增厚至60cm。且襯砌砼的配筋率也由原來的15%提高至19%，并在砼中添加2%的鋼纖維。為了達到有效抑制圍巖的變形，襯砌在圍巖變形尚未完全穩(wěn)定前即完成二襯澆筑。

6 變形控制效果

本項目對大變形區(qū)段加強了監(jiān)控量測，表1為隧道3個典型斷面在達到按規(guī)范判定為變形穩(wěn)定狀態(tài)時所經歷的時長，及累計變形量。

表1 典型斷面穩(wěn)定后變形量及時長表

從表中可看出，斷面ZK349+950出現(xiàn)拱頂最大累計下沉量239mm；斷面ZK349+830出現(xiàn)最大水平收斂累計297mm。上述兩個數(shù)據(jù)均在可控范圍內。

隨后的監(jiān)控量測表明，隧道沒有出現(xiàn)初支變形破壞及侵限現(xiàn)象。表明，采取的圍巖變形控制及支護措施科學合理，有效控制了隧道圍巖的變形，變形預留量也設置合理。

7 結束語

青云山隧道高地應力軟弱圍巖段的地質條件復雜、工程環(huán)境惡劣，施工風險高。通過科學研究、科技攻關及嚴格施工，取得了復雜地質環(huán)境下隧道軟弱大變形圍巖施工的系列成果，如轉換施工工序、注漿加固破碎圖、設置超前導洞、設置預應力錨索、運用可伸縮拱架等，有效控制了本項目隧道圍巖大變形的施工難題，為國內類似工程的施工提供參考借鑒。