公路隧道軟巖大變形及支護施工技術

何成素

(中鐵建云南投資有限公司，云南 昆明 650000)

1 工程概況

木寨嶺公路隧道位于甘肅省岷縣梅川鎮(zhèn)，采用分離式結(jié)構(gòu)，進出、出口分別設置為削竹式、端墻式。左線長15 221 m，右線長15 163 m，設置3條施工配套斜井裝置，并基于現(xiàn)場通風條件采取針對性的縱向射流通風措施，以此改善隧道內(nèi)部的施工環(huán)境。此外，配套照明、消防及監(jiān)控設施，提供基礎條件保障。隧址穿越多條折皺、斷裂構(gòu)造區(qū)域，隧道主要以炭質(zhì)頁巖、板巖為主，隧道部分段落炭質(zhì)板巖段存在高地應力、大變形特征，遇水易崩解軟化，圍巖穩(wěn)定性極差，缺乏足夠的自穩(wěn)能力，是施工中的主要干擾因素。

2 公路隧道軟弱圍巖變形特征

1)軟巖隧道變形的持續(xù)時間較長，產(chǎn)生的塑性變形量較大。

2)圍巖變形的流變特征突出，時間效應和空間效應均較為明顯，產(chǎn)生的變形量持續(xù)積累，難以有效收斂，因此有垮塌的風險。

3)軟巖對卸荷松動、施工震動的抵抗能力不足，加之隧道開挖等環(huán)節(jié)的擾動性影響，將加劇圍巖的變形量。

4)隧道圍巖變形具有并發(fā)性，例如出現(xiàn)拱頂下沉、邊墻收斂、隧道坍塌、噴射混凝土開裂，環(huán)、縱向裂縫，拱架內(nèi)鼓、扭曲等問題，明顯加大工程施工難度，潛在諸多質(zhì)量隱患和安全隱患。

3 公路隧道軟巖大變形支護施工技術

3.1 大變形體征

木寨嶺隧道自2016年7月以來，大部分地段出現(xiàn)大變形，最大變形達1 062 mm，最大變形速率達150 mm/d，噴混凝土剝落，拱架扭曲，初支結(jié)構(gòu)破壞嚴重。對于大變形段進行了大范圍拆換拱架，局部地段甚至多次拆換，10個月僅完成開挖支護200余m。

3.2 變形成因及影響因素

1)巖性的影響因素。該地段炭質(zhì)板巖板狀構(gòu)造，變晶結(jié)構(gòu)，主要成分砂質(zhì)、鈣質(zhì)、炭質(zhì)、鐵質(zhì)等，含石英細粒，裂隙、節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化，微膨脹。炭質(zhì)板巖的力學特點及微膨脹性，導致隧道開挖形成臨空面后，巖體易發(fā)生塑性變形而擠入隧道，加大支護結(jié)構(gòu)的荷載，從而誘發(fā)大變形。

2)支護參數(shù)對變形的影響。現(xiàn)場實踐證明，在符合大變形巖性特征地段采用常規(guī)支護參數(shù)的結(jié)構(gòu)大都發(fā)生了大變形現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場試驗采用加大剛架型號、優(yōu)化斷面形式等加強措施后，變形控制情況有較大改善，部分地段由于變形持續(xù)發(fā)展突破限值后，經(jīng)采取套拱或拆換拱架等措施后大多趨于穩(wěn)定。

3)地下水對變形的影響。由于地下水在軟巖中的出露會加速巖體的崩解，迅速降低其承載力，因此地下水發(fā)育軟巖地段變形速率和變形量都較大，地下水對變形影響顯著。

4)施工工藝的影響。施工過程中，初期支護施工工藝也是變形控制的影響因素之一，拱架安設不平順、連接不牢固、超挖及錨桿、噴射混凝土等都會對變形發(fā)展起到推波助瀾的作用。

綜上所述，大變形產(chǎn)生的原因由多種因素組成，可以總結(jié)如下：①高地應力、軟巖是擠壓性變形的內(nèi)因；②施工擾動是擠壓性變形的外因；③支護強度不足、施工工藝控制不力是產(chǎn)生擠壓大變形的直接原因；④擠壓現(xiàn)象實質(zhì)是一種變形速率快、收斂速率慢的巖體非線性流變，黏塑性變形導致巖體長期強度值降低；⑤高地應力軟巖應力擴容膨脹是擠壓變性的重要組成部分，而軟巖物化膨脹加劇了隧道擠壓變形；⑥水的弱化作用不可忽視。

3.3 施工過程控制

結(jié)合前期斜井及正洞變形段實際情況，根據(jù)現(xiàn)場試驗及科研階段成果，針對支護參數(shù)、施工工藝控制、工法等進行了分階段調(diào)整與優(yōu)化，以避免侵限，杜絕拆換。支護參數(shù)在斜井工程實踐和試驗研究中逐步優(yōu)化。

第一次：I18拱架全環(huán)設置，系統(tǒng)錨桿3.5 m，噴射混凝土23 cm，超前小導管4 m，仰拱45 cm，C35鋼筋混凝土。炭質(zhì)板巖多為薄層，強風化，局部中厚層，巖體破碎，褶皺扭曲，局部滲水，I8型鋼拱架應用初期變形基本可控，隨著斜井深入及地質(zhì)惡化變形逐漸增大。本段平均變形161.63 mm，最大變形378.81 mm(K0+250—300)，72個量測斷面中收斂變形大于150 mm的斷面有37個，占51.39%。初支拱架封閉成環(huán)，局部圍巖較差地段采用I20b型鋼拱架，及時封閉變形為150～200 mm，加強監(jiān)測，及時注漿，增設錨桿變形>200 mm，增設套拱。

第二次：I20b拱架全環(huán)設置，拱部：3.5～4 m，Φ22 mm組合中空錨桿，邊墻：3.5～4 m，長4 m、Φ22 mm全長粘結(jié)型砂漿錨桿，C35鋼筋混凝土。炭質(zhì)板巖，弱風化，薄層，局部中厚層，巖體破碎，地下水發(fā)育，最大涌水量25～26 m3/h。炭質(zhì)板巖遇水后力學性能大幅下降，圍巖極易發(fā)生變形、坍塌、掉塊。(K0+350—450)段初支以I20b型鋼為主，水平收斂變形超150 mm的段落長達105 m，二次支護段落長84 m，前期變形發(fā)展迅速，經(jīng)二次支護后變形基本得以有效控制。

第三次：H150拱架全環(huán)設置，拱部：長4 m、Φ22組合中空錨桿，邊墻：長4 m、Φ22全長粘結(jié)型砂漿錨桿C35鋼筋混凝土。隨著隧道埋深增加，圍巖壓力進一步增大，同時出現(xiàn)泥化夾層，導致圍巖整體穩(wěn)定性降低。以全環(huán)H150型鋼拱架為主，平均變形271.43 mm，前期，斜(K0+550—600)段變形超150 mm段落長165 m，套拱段長50 m，變形基本可控；進入斜145～070斜后，變形呈增大趨勢，經(jīng)采取加強措施后變形仍未有效控制，套拱長度60 m。

第四次：HW175型拱架全環(huán)設置，間距0.5～0.8 m，拱部：長4 m、Φ22 mm組合中空錨桿，邊墻：長4 m、Φ22全長粘結(jié)型砂漿錨桿C35鋼筋混凝土。斜(K1+210-790)副聯(lián)段以炭質(zhì)板巖為主，弱風化～強風化，局部夾砂巖，褶皺扭曲，局部有黑色軟泥夾層及滲水鑒于前段大變形，采用正洞斷面進行模擬試驗。由于臨近正洞，地質(zhì)極差，施工過程中變形仍較大，平均變形達379.77 mm，最大變形726.44 mm斜(K1+310—400)，局部拆換拱。通過該試驗段，對早高強混凝土、深孔錨桿等變形控制措施進行了試驗，并取得了較好效果，確定了正洞軟巖段支護參數(shù)以HW175型鋼拱架為主的總體思路。

經(jīng)過幾個階段的調(diào)整與優(yōu)化，變形控制逐漸由前期的“被動抗”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃涌亍保蟛糠值囟蔚淖冃蔚玫搅溯^為有效的控制，施工生產(chǎn)也逐步穩(wěn)定。

3.4 隧道支護

3.4.1 支護形式

1)加強鎖腳及鎖固。施工中上臺階變形最大，往往呈現(xiàn)出初期變形快的特點，導致上中臺階拱架連接困難，進一步加劇變形發(fā)展。上臺階拱腳初期變形為變形控制的重點，必須加強鎖腳，必要時可增至2～3組(2根/組)

2)鎖固錨桿。由于拱腳處經(jīng)鎖腳錨桿約束，致使該處應力過于集中，往往出現(xiàn)拱架節(jié)點破壞，因此，同時設置拱架鎖固錨桿于拱架連接板之間，并固定于拱架上，使拱架受力更趨均勻，避免拱架節(jié)點處因應力集中而破壞。

3)徑向注漿。鑒于炭質(zhì)板巖或板巖原狀地層可注性不強，開挖后僅施作注漿管，據(jù)變形情況適時注漿補強，達到較理想的效果。通常大變形地段，將其納入工序根據(jù)變形等級管理，在變形達到一定程度時適時注漿，既具有一定的可注性，又可最大程度遏制變形。

4)長錨桿。結(jié)合松動圈測試及施工實踐，大變形地段采用7 m長自進式錨桿，以加強拱架與圍巖的連接力，與拱架、鎖腳、注漿等措施共同形成初期支護體系。一般設置于邊墻位置，雙線隧道必要時設置為鎖腳錨桿，水平向下打設。采用自進式，工效較低，對施工影響大，通過錨桿鉆機調(diào)研及改裝，在木寨嶺隧道2#斜井進行了試驗，工效得到了一定的提高；統(tǒng)籌安排工序作業(yè)，可與立拱與錨噴平行作業(yè)，盡量減少對施工的影響。

5)臨時橫撐。施工中嚴格按變形控制標準適時施作，使受擾動圍巖在橫撐的約束下盡快完成應力調(diào)整達到新的平衡，同時為其他補強措施爭取時間，避免拆換，拆除前應進行注漿補強。

6)工法、工藝控制。考慮到H175型鋼重量大、兩臺階施工時間長等因素，現(xiàn)場開挖以三臺階為主，臺階長度5 m左右，必要時上臺階預留核心土，可做到快封閉。工序化注漿，注漿補強納入工序管理，在上、中臺階拱架安設后施作邊墻徑向注漿管，既避免了后期鉆設注漿管無作業(yè)平臺的困難，還能保證注漿作業(yè)及時進行。

3.4.2 二次支護施工時間的選擇

軟巖隧道二襯施工時間的選擇尤為重要，通常在圍巖應力、塑性區(qū)及變形速率趨于穩(wěn)定后施工二次支護結(jié)構(gòu)，原因在于此時圍巖的膨脹變形在前期已經(jīng)經(jīng)過充分的釋放，圍巖所具備的承載力無明顯損失，整個圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)相對較好(進入等速蠕變階段)。可根據(jù)隧道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)而定，根據(jù)數(shù)據(jù)做出判斷，待表面位移速率趨于平緩時施作二次支護。

3.4.3 隧道支護注意事項

1)開挖后隨即初噴混凝土，嚴格控制開挖間距，從而封閉圍巖。隨后，按照要求將錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼架設置到位，再以分層的方式復噴。

2)各系統(tǒng)錨桿處均配套合適尺寸的鋼墊板，并以焊接的方法將其與鋼筋網(wǎng)、鋼架穩(wěn)定結(jié)合于一體，提高整體穩(wěn)定性，避免偏位。

3)有效處理鋼架接頭，避免接頭布設在同一截面鋼架拱部節(jié)點受力薄弱處。

4)施工中充分考慮各向異性，針對薄弱部位做補強處理，提高整體穩(wěn)定性。軟弱圍巖的變形以及受損最初見于某處或多處，后續(xù)將由于控制不當而向周邊擴展，從而破壞整個支護體系的穩(wěn)定性。因此，隧道開挖后隨即加強地質(zhì)檢查，對巖體變形破壞的主要因素做出判斷，識別隧道應力集中的區(qū)域，再對此類部位采取加強支護措施，消除應力集中所造成的不良影響。

5)注漿也是隧道施工中的重點環(huán)節(jié)，在完成注漿作業(yè)后可借助漿液封堵圍巖裂隙，消除水的滲漏通道，以免因滲漏水而破壞軟弱圍巖的穩(wěn)定性。針對活動斷裂帶，處理時可采取帷幕注漿的方法，使得圍巖堵水加固效果突出。

3.5 大變形控制關鍵技術

堅持“以抗為主，控放結(jié)合”的原則，木寨嶺隧道以大剛度的H175型鋼拱架為主，結(jié)合圍巖地質(zhì)變化適度調(diào)整拱架間距和預留變形量，按照變形管理等級，適時施作注漿補強、長錨桿、鎖腳與鎖固錨桿、臨時橫撐等各項控變措施。

1)結(jié)合量測數(shù)據(jù)分析與地質(zhì)情況預測變形發(fā)展，按照變形控制工藝要求及時施作各項措施，并對變形趨勢異常之處提高管理等級，以此提高支護剛度來降低隧道位移。

2)拱部鋼管棚注漿加固地層并超前支護，拱墻設系統(tǒng)長錨桿，錨桿采用加長中空注漿錨桿，必要時采用長預應力徑向錨桿；掌子面正面噴射混凝土封閉，架設全環(huán)鋼架、掛網(wǎng)噴錨加強支護，采用錨、注、噴一體化圍巖加固-支護系統(tǒng)，設底部橫撐或臨時仰拱，提高隧道抗擠壓，抗變形的強度。嚴格按超前及初期支護設計進行施工。

3)加大預留變形量。為了防止噴層變形后侵入二次襯砌的凈空，開挖時加大預留變形量，另外采取了不均衡預留變形量技術[1]。

4)施工支護采用“先柔后剛、先放后抗、剛?cè)岵痹瓌t，使初期支護能適應大變形的特點。

5)及時封閉仰拱特別是仰拱初支，是減小變形、提高圍巖穩(wěn)定性的措施之一；另外加大仰拱厚度，增大仰拱曲率，也有利于改善受力狀況。

6)根據(jù)隧道始終存在順層偏壓的特點和順層巖層施工力學行為分析，確定地質(zhì)順層情況下巖石傾角對隧道穩(wěn)定性的影響，采取了不均衡預留變形量技術，不對稱支護措施，短進尺，微震爆破開挖，防坍塌。強支護，快封閉，仰拱緊跟對穩(wěn)定支護的作用很大，保持仰拱、二次襯砌緊跟，盡量縮短仰拱、二襯到掌子面步距。采用間隔空眼、微差爆破技術以及左右側(cè)不均衡裝藥爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動[2]。

7)全過程實施施工地質(zhì)超前預報工作。綜合應用超前鉆孔探測、TSP203地質(zhì)預報系統(tǒng)等多種方法，從地層特性、結(jié)構(gòu)面特征、圍巖應力、地下水四個角度切入，系統(tǒng)性分析各自對隧道穩(wěn)定性的影響。對于可溶巖地段斷層、高壓富水地段等性質(zhì)較為特殊、脆弱性較強的部分則加大探測力度，準確掌握實際情況[3]。對于高地應力軟弱圍巖，規(guī)范探測方法、準確分析，進行圍巖級別的判定與修正，根據(jù)所掌握的信息判斷圍巖級別的具體特征，據(jù)此組織設計工作。

8)加強圍巖監(jiān)控量測。以軟巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為主要的分析對象，綜合考慮圍巖的特性以及變形特征，建立具有適用性的圍巖變形管理基準作為工作的引導。從監(jiān)控量測數(shù)據(jù)出發(fā)，判斷隧道的穩(wěn)定程度，同時基于數(shù)據(jù)做動態(tài)化的設計，確保成型的設計方案與現(xiàn)場地質(zhì)條件相適應，在監(jiān)控量測數(shù)據(jù)發(fā)生變化后適時調(diào)整設計參數(shù)。

4 結(jié) 語

軟弱圍巖地質(zhì)條件特殊，加強處理具有必要性。通過本文有關工程實例的分析，提出了軟弱圍巖大變形的基本特點，并闡述了實際施工中應注重的關鍵支護技術要點，希望本文內(nèi)容可以給類似工程提供參考，以此充分保證公路隧道施工安全，在此前提下達到提質(zhì)量、增效率、創(chuàng)效益的效果。

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