復雜軟弱圍巖低瓦斯隧道大變形綜合處置技術研究

李萬勇，劉漢明，唐 皓，陳雙龍，陳 豪

(四川省交通建設集團股份有限公司市政分公司，四川 成都 610000)

0 前 言

對于隧道圍巖大變形的預測是大變形研究和操作中最薄弱的環(huán)節(jié)，地應力測試困難復雜，參數不易獲取[1-3]，而且當前隧道設計對高地應力條件下軟弱圍巖大變形沒有做出比較明確的規(guī)定，施工規(guī)范也只是指導性的。

長期以來，常采取強剛性支護參數，采用全斷面的強支護來達到抑制變形的目的，支護成本較高[4-18]，因此，對于軟巖大變形隧道應改變傳統的“全斷面”治理思維模式，而應該根據全方位的地質面貌與應力變形數據，開展針對性的、選擇性的強支處理措施，在滿足大變形支護要求的同時降低成本。

本文以工程為對象、工藝為核心，總結出了“初支動態(tài)應力變形監(jiān)測”與“綜合物探分析，洞內外結合、長短預測結合，物性參數互補”兩個監(jiān)測控制核心要點，建立綜合預報工作體系，對巖層大變形、地應力、開挖方法進行數據模擬分析、對比與評判，動態(tài)調整初支及二襯結構形式與支護參數，實現單側、局部的非對稱加強支護與補強，控制圍巖大變形。

1 依托工程概況

河曲隧道部分施工段深埋超200 m，屬于深埋圍巖，施工開挖過程中軟巖可能變形較大，為保證軟弱圍巖大變形段安全、順利、快速并保證質量地通過，提出軟弱圍巖大變形隧道的施工措施。

該施工段設計為Ⅳ級圍巖，為粉砂質泥巖，薄層狀構造為主，屬較軟～軟巖，巖體較為完整，局部構造裂隙較發(fā)育，局部夾少量砂巖。拱頂易出現沿層面及節(jié)理切割塊體(層面控制)塌落，在設計和施工中應加強支護。地下水以水狀、淋雨狀為主，局部為股狀，在節(jié)理密集帶可能發(fā)生集中涌水災害。設計采用WFZ4C型襯砌支護，初期支護采用I14工字鋼，縱向間距100 cm；預留沉降量6 cm；C25噴射混凝土厚20 cm；Φ22藥卷系統錨桿長度2.5 m；Φ8鋼筋網片@25 cm；超前注漿單層Φ42×4小導管，環(huán)向間距40 cm；C30混凝土40 cm厚。工程重點及難點為。

1)該段屬高地應力條件下軟弱圍巖的大變形。在變形初期，不僅變形的絕對值很大，而且變形速度也很大。如果不進行治理或治理不及時，就有可能發(fā)生大變形導致的塌方，或者初期支護侵入隧道凈空，造成二次破壞。

2)對大變形的預測很重要，但這又恰好是大變形研究和操作中最薄弱的環(huán)節(jié)，地應力測試困難復雜，參數不易獲取，而且當前隧道設計對高地應力條件下軟弱圍巖大變形沒有做出比較明確的規(guī)定，施工規(guī)范也只是指導性的，只有零星地見到各種科研結果，但這種科研結果非常有針對性，只針對某座隧道而言，適用性不強。

3)河曲隧道左線ZK99+620段隧道富水，在高地應力下圍巖軟弱破碎，使其支護難度提高，變形更難控制。

4)河曲隧道工期異常緊張，在圍巖較差的情況下，要保證施工進度，軟質圍巖預支護和初期支護量大，工序多，難以實現快速施工。

5)從軟弱圍巖大變形隧道的施工經驗來看，應通過現場監(jiān)測和測量結果對支護參數進行驗證和調整，以驗證和調整預設計，監(jiān)控量測主要是位移監(jiān)測和應力監(jiān)測，應力監(jiān)測技術較復雜。

2 適用范圍及工藝原理

本技術初支監(jiān)測見圖1，單測鎖腳與注漿見圖2，初支監(jiān)測布置見圖3。

圖1 初支監(jiān)測

圖2 單側鎖腳與注漿

圖3 初支監(jiān)測布置

本技術屬于隧道技術領域，主要適用于破碎、高壓、富水地區(qū)隧道和地下工程施工開挖前的超前預測預報與大變形超前控制，實現局部支護補強，其他不良地質地段也可參照使用。

本技術以地質分析與動態(tài)監(jiān)測為核心，總結出“初支動態(tài)應力變形監(jiān)測”與“地質物探分析，洞內外結合、長短預測結合，物性參數互補”兩個監(jiān)測控制核心要點，結合初支拱架動態(tài)應力變形監(jiān)測與綜合地質預報，對巖層大變形、地應力、開挖方法進行數據分析、對比與評判，利用數據分析，預先動態(tài)調整初支與二襯結構形式與支護參數。

利用大變形監(jiān)測數據，精確定位圍巖大變形位置，有針對性地開展單側、局部的非對稱加強支護與補強，例如加強局部濕噴混凝土厚度、拱墻鋼筋網、拱墻錨桿直徑與長度、初支鋼架型號、在內力突變位置打設單側鎖腳錨桿補強等，實現初支的非對稱支護。局部強支護與弱支護協同作業(yè)，相比全斷面統一的強支護措施，大大降低大變形隧道支護成本。

3 施工工藝及操作要點

3.1 工程地質調查

進行隧道工程地質調查，將隧道工程地質調查列為隧道超前地質預報必不可少的一道工序；收集與評價隧道的主要地質問題，判定超前地質預報的關鍵隧道段；其次是對隧道已開挖段進行地質編錄，掌握隧道工程地質變化情況；必要時輔以隧道工程地質測繪。

3.2 綜合地質預報

1)地質雷達。在隧洞施工掌子面進行表面雷達探測，探測掌子面前方15～30 m以內，最大距離不超過30 m深度范圍內的不良地質情況(斷層、溶洞、含水等不良地質情況)。

2)超前鉆探。采用全液壓專用鉆探鉆機，完全適用于瓦斯隧道的超前瓦斯(地質)鉆探工作。利用鈷屑法對隧道前方的地質情況進行分析和判斷，如煤層、瓦斯的賦存情況，同時利用鉆機鉆探時所表現的狀態(tài)性質可以對隧道前方的斷層、溶洞、暗河、圍巖軟硬及巖性進行判斷，初步掌握隧道前方地質構造的里程位置，還利用返漿流量的變化初步判斷前方圍巖的地下水情況，從而采取相應措施保證施工的安全。

為了考察超前探測鉆孔前方巖體的瓦斯賦存情況，在鉆孔施工完成后，對鉆孔前方巖體的瓦斯壓力、瓦斯涌出量、瓦斯衰減系數進行測量研究。

3.3 初支應力與變形監(jiān)測

1)鋼架內力及外力。斷面鋼架應力測量限于Ⅳ級和Ⅴ級圍巖斷面，每隔200～500 m設置一個測量斷面，每個斷面設置3組測點，如圖4所示。

圖4 初支監(jiān)測

2)圍巖壓力。在圍巖與支護、兩層支護時間埋設壓力傳感器以了解圍巖壓力的大小和分布。在每個測量斷面中，嵌入9個壓力盒，分別為拱頂1個，左右拱腳各1個，左右邊墻各1個，拱腳與拱頂間3個。

3)錨桿軸力。錨桿應力測量使用的主要儀器是應力傳感器和頻率測量儀器，應力傳感器由若干個鋼筋應力傳感器串聯而成，用于觀察初始應力變化和二次應力的形成和變化，其分布如圖5所示。

圖5 錨桿應力計的布置及傳感器在錨桿上的分布

5)支護、襯砌內應力。噴射混凝土的應力測點布置在位移測量的同一截面上，沿隧道拱頂、拱腰和側壁在噴射混凝土內埋設5個混凝土應變計。圍巖初噴后，將應變片固定在初噴面上，然后復噴將傳感器完全蓋住，待噴射混凝土達到初凝時開始讀數。

3.4 初支狀態(tài)綜合判析

對上述各種預測方法得到的數據進行總結、分析和比較，提出最終的預測結論和工程措施建議，確定下一步預測方案和工作計劃。

3.5 大變形處治(單側加強)

在圍巖條件較差情況下，鋼拱架作為隧道初期支護中主要受力結構，并具有較高的承載性能，從內力分布監(jiān)測反映出隧道某側段拱腳處存在較大的受力，相應地立即加強拱腳的支護，可采取二次噴射混凝土或增加鎖腳錨桿(見圖6)。采取上述措施后，方可進行下臺階和仰拱施工，徹底封閉圍巖。

圖6 單側鎖腳與注漿

3.6 預報與監(jiān)測驗證

預報驗證的工作步驟可按“預報一驗證一總結一再預報一再驗證一再總結”循環(huán)模式進行，安排相對較為固定的地質人員駐扎施工現場，對隧道開挖后的掌子面地質實況進行持續(xù)跟進地質編錄，編錄工作可在每次爆破出渣完成后進行，將預報地質情況與開挖地質情況按照隧道里程對應記錄，附在CAD縱斷面圖下，并將監(jiān)測情況與開挖地質實況對比分析，總結和改進預報操作，持續(xù)提高監(jiān)測與預報精度。

4 技術特點

1)通過地質探測與初支應力、變形實時監(jiān)控，采取單側局部的非對稱加強支護與補強，局部強支護與弱支護協同作業(yè)，相比全斷面統一的強支護措施，大大降低了支護成本。

2)本技術建立的綜合預報工作體系具有洞內外結合、長短預測結合，物性參數互補的特點，實現超前探測成果的多源信息化評判。

3)通過初支應力與變形監(jiān)測，數據處理直觀、監(jiān)測數據準確，適用各種復雜地質下隧道施工及監(jiān)控。

4)通過監(jiān)測數據的超前模擬分析、對比與評判，可實現動態(tài)調整初支及二襯結構形式與支護參數，實現預報與施工的動態(tài)結合。

5)通過“預報+驗證”綜合分析來實時確定預報等級，根據地質情況的危害程度分等級進行預報的工作模式，相比常規(guī)的計劃預報模式，保證了預報效果。

5 效益分析

1)技術效益。本技術提出的初支動態(tài)監(jiān)測與綜合預報方法體系，通過“預報+驗證”綜合分析來實時確定預報等級，通過初支應力與變形監(jiān)測，數據處理直觀、監(jiān)測數據準確，通過數據對高地應力分析與現場實踐相結合的手段，適用各種復雜地質下隧道施工及監(jiān)控，通過監(jiān)測數據的超前模擬分析、對比與評判，可實現動態(tài)調整初支及二襯結構形式與支護參數，實現預報與施工的動態(tài)結合。

2)經濟效益。本技術初支動態(tài)監(jiān)測雖然花費一定的費用、占用一定的施工時間，但其在后期支護材料節(jié)省上的意義十分巨大，通過地質探測與初支應力、變形實時監(jiān)控，采取單側局部的非對稱加強支護與補強，局部強支護與弱支護協同作業(yè)，相比全斷面統一的強支護措施，大大降低了支護成本。

3)社會效益。本項技術解決了高地應力軟巖隧道在施工中遇到的施工大變形監(jiān)測與支護問題，使隧道大變形得到提前控制，節(jié)省了成本，有效地降低安全風險并己逐漸得到應用和推廣。此項技術的研究成果，將為類似隧道工程的施工打下堅實基礎，提供寶貴的經驗，值得推廣應用。

6 應用實例

1)樂山至西昌高速公路馬邊至昭覺段工程S2-1項目。本工程河曲隧道位于四川省涼山州美姑縣巴普鎮(zhèn)巴古鄉(xiāng)境內，進口位于巴普鎮(zhèn)灑勒村，進口位于巴姑鄉(xiāng)勒布村，采用分離式雙洞布置。本隧道位于兩斷層交匯處北側，隧道進、進口外設計線路均與洪溪—美姑斷層相交，隧道進口外斷層與路線交于美姑河支流酒勒那達河，約k96+940(ZK96+990)處，進口外斷層與路線交于美姑河谷，約K97+700(ZK97+700)樁號處。本隧道穿越須家河組地層，地層巖性以粉砂質泥巖、砂巖為主，局部夾炭質泥巖或薄層煤線，呈黑色～深灰色，具污手特征，具有一定生成瓦斯能力，為低瓦斯隧道。ZK96+571～ZK96+604；K96+404～K96+475不良地段：2020年9月13日—2020年9月25日，左、右洞開挖支護從ZK96+571～ZK96+604；K96+404～K96+475段落時，11組監(jiān)控量測數據發(fā)生變化，ZK96+570；ZK96+580；ZK96+590；ZK96+600；K96+410；K96+420；K96+430；K96+450；K96+460；K96+470；左洞最大收斂值為58.67 mm；右洞最大收斂值為62.55 mm。

該工程采用本文技術，提出的初支動態(tài)監(jiān)測與綜合預報方法體系，通過“預報+驗證”綜合分析來實時確定預報等級，通過初支應力與變形檢測，數據處理直觀、監(jiān)測數據準確，通過數據對高地應力、軟巖分析與現場實踐相結合的手段，適用各種復雜地質下隧道施工及監(jiān)控，通過監(jiān)測數據的超前模擬分析、對比與評判，可實現動態(tài)調整初支及二襯結構形式與支護參數，實現預報與施工的動態(tài)結合。

2)G4216線新金段高速公路XJ11標。G4216線新金段高速公路XJ11標，起于涼山州雷波縣海灣鄉(xiāng)海灣村，止于雷波縣錦城鎮(zhèn)柳口村，施工里程K56+840～K64+490(含雷波服務區(qū))，管轄主線長7.65 km。主要結構物包括向陽隧道(1/2)、黑林坳隧道、米田隧道、西邊溝右線大橋、忘神坡右線大橋和忘神坡左線大橋。設計雙向四車道，設計時速80 km，施工段內橋隧比58.5%。合同總工期44個月，造價約9.10億元。

該工程采用本文技術：①以地質分析與動態(tài)監(jiān)測為核心，根據全方位的地質面貌與應力變形數據，建立綜合預報工作體系；②對巖層大變形、地應力、開挖方法進行數據模擬分析、對比與評判，動態(tài)調整初支及二襯結構形式與支護參數，實現單側、局部的非對稱加強支護與補強，控制圍巖大變形，局部強支護與弱支護協同作業(yè)，相比全斷面統一的強支護措施，大大降低支護成本；③根據初支應力與變形數據，動態(tài)調整初期支護的設計參數，有針對性地局部調整與補強濕噴混凝土厚度、拱墻鋼筋網、拱墻錨桿直徑與長度、初支鋼架型號等，在內力突變位置打設單側鎖腳錨桿補強，實現初支的非對稱支護。

7 結 論

本文依托結合樂山至西昌高速公路馬邊至昭覺段工程S2-1項目河曲隧道大變形防治，闡述了復雜軟弱圍巖低瓦斯隧道大變形綜合處置技術，得到了以下結論。

1)結合初支拱架動態(tài)應力變形監(jiān)測與綜合地質預報技術，對巖層大變形、地應力、開挖方法進行數據分析、對比與評判，預先動態(tài)調整初支與二襯結構形式與支護參數。

2)大變形隧道局部補強技術，利用大變形監(jiān)測數據，定位圍巖大變形位置，針對性開展單側、局部的非對稱加強支護與補強。

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