隧道大變形破壞成因及控制技術分析

陳鯨洋

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

1 工程概況

某雙線隧道隧址區地質條件極差，具有高地應力、高地震烈度、高地質災害風險的特點，地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎。該隧道穿越地層巖性為三疊系上統新都橋組（T3x）炭質板巖夾板巖、砂巖，受斷裂帶影響，巖體破碎，次生小斷層及柔皺較發育，層理產狀變化較快，層間擠壓嚴重，受構造影響巖體破碎，砂巖、板巖等節理、裂隙發育，局部貫通性好，裂隙水發育。

2 地質概況

隧道開挖揭示巖性主要為炭質板巖夾千枚巖，薄層狀，局部夾白色方解石巖脈，弱風化，巖質較軟，巖層走向與線路呈大角度斜交，傾向掌子面左側，傾角為50°～70°，局部層理扭曲，節理裂隙發育，圍巖破碎，局部圍巖手可捏碎，掌子面局部滲水，炭質板巖、千枚巖遇水易軟化，掌子面及拱頂易掉塊、溜坍，圍巖整體穩定性差。

3 變形破壞特征及成因

3.1 變形破壞特征

該隧道圍巖較破碎，屬于散體結構軟巖隧道，開挖后圍巖穩定性極差，變形方向不固定，掌子面極易發生失穩情況。按原設計方案施工，初期支護體系出現了變形破壞，主要表現為：①初期支護變形速率大，最大可達到32 mm/d，仰拱封閉成環后變形速率逐步減緩穩定，累計變形最高可達45 cm；②掌子面局部坍塌，拱部及邊墻初期支護混凝土開裂嚴重，有明顯裂縫，局部剝落、掉塊，局部段落邊墻侵限嚴重；③局部拱腰位置鋼架扭曲。

3.2 變形破壞原因

結合隧址區區域地質條件、開挖揭示的圍巖條件和變形破壞特征等綜合分析、研究，發現導致該隧道大變形破壞的主要原因有：①受活動斷裂的影響，洞身巖體極為松散、軟弱、破碎，加之隧道開挖擾動使得洞身巖體的原始應力狀態被破壞，導致該洞周圍巖的強度應力比急劇下降，產生顯著的變形[1]；②隧道開挖揭穿和擴大了地下水的排泄通道，地下水下滲、攜裹層間固體物質流失，造成結構面間的相互錯動，導致巖體沿結構面向洞內滑移變形，加劇了初期支護體系的破壞[2]。

4 大變形控制關鍵技術

該隧道大變形段落施工，應在短時間內實現初期支護封閉成環，形成整體結構受力體系，并應以長短錨桿相結合形成錨桿群作用適應大變形變化，以達到控制大變形的目的。對于大變形控制關鍵技術如下：

4.1 超前地質預報

采用地質分析法、超前水平鉆法和炮孔加深法、地質雷達法和隧道地震勘探法（Tunnel Seismic Prediction，TSP）、地下水發育地段紅外探水法等多種手段相結合，探明掌子面前方地層巖性、地質構造、地下水發育等情況，提前判釋，及時調整工程措施和開挖方法[3]。

4.2 微三臺階上部核心土法開挖技術

（1）開挖范圍：以微三臺階上部核心土法開挖技術，實現初期支護“快挖、快支、快封閉、快成環”，在短時間內初期支護可封閉成環，形成良好的整體結構受力體系。通過不斷地優化，兼顧開挖工序的施工組織和機械設備的布置空間，微三臺階上部核心土法開挖技術的臺階高度和步距控制的范圍為：上臺階高度控制在4 m 左右，中臺階高度2.9 m 左右，下臺階控制在3.1 m左右，仰拱距下臺階不超過10 m，二次襯砌拱墻離掌子面距離控制在70 m 以內。

（2）開挖流程：①開挖1 部，采用挖掘機將1 部的土體扒出核心土范圍之外，上部核心土預留縱向長度控制在為3～5 m，高度控制在2～3 m，寬度一般控制在上臺階開挖寬度的2/3 以上，上部核心土隨開挖掘進順次開挖、取消；②在上臺階初期支護穩定的條件下，交錯開挖2、3 部，2、3 部開挖長度以能施作2 榀鋼架為準，開挖后及時施作初期支護封閉；③挖掘機交錯開挖4、5部，開挖長度為2 榀拱架，開挖后及時施作初期支護封閉；④隧底開挖，隧底開挖采用全幅施工，上面鋪設仰拱棧橋，開挖長度控制在每次不超過5 榀拱架，一般控制在3 m 左右，開挖后及時施作隧底初期支護封閉成環[4]。

（3）開挖質量控制要點：①1 部開挖時每次進尺一榀鋼架間距，先采用挖掘機開挖，距開挖輪廓線處預留30～50 cm 巖、土體，人工采用風鎬沿輪廓線進行開挖預留土體，避免挖掘機開挖對已施作的初期支護造成破壞和對洞周遺留巖、土體產生大的擾動；②各部開挖時，拱腳處預留不少于30 cm 厚的巖、土體，采用人工開挖，嚴禁拱腳超挖，拱腳采用擴大拱腳墊槽鋼，防止因拱腳原狀土被破壞或承載力不足而造成支護下沉；③每循環開挖前，測量組在掌子面準確放出開挖輪廓線，開挖完成后要檢查開挖斷面，不得出現超欠挖[5]。開挖施工放樣時比設計開挖輪廓半徑應加大預留，施工預留變形量=施工誤差5 cm+圍巖預留變形量（根據前期初期支護變形量動態調整）。由于分部開挖后各部分斷面較小，不能完全采用機械開挖，可以采用挖掘機挖出上部的主斷面，周邊輪廓采用人工使用風鎬修鑿，以達到符合設計開挖輪廓線為準。采用挖掘機配合裝載機出碴。

4.3 長短錨桿相結合施工技術

（1）短錨桿。采用長4 m、Φ22 mm 組合中空錨桿，在開挖后，初噴一層噴射混凝土后進行，初噴混凝土厚度不少于8 cm，噴射面圓順，錨桿垂直于噴射面切線方向，墊板與初噴面密貼。錨桿注漿采用孔底返漿法，注漿順序按“分區分段輪注法”的原則多次注漿法，確保注漿孔及孔周巖體裂隙充填密實，使短錨桿與開挖揭示后的圍巖快速形成整體，共同受力，有效提高圍巖的自穩能力[6]。

（2）長錨桿。采用長8 m、Φ38 mm 中空錨桿，長錨桿采用后打法，即初期支護噴射混凝土完成后，待初期支護體系有一定變形后進行，施作時機根據監控量測數據而定。當出現以下情況應及時施作長錨桿：①監控量測變形速率持續2 d 大于5 mm/d；②累計變形量大于10 cm 時，變形速率仍未降低；③初期支護出現開裂、鋼架出現扭曲變形和短錨桿墊板出現變形。長錨桿與短錨桿打設位置交錯布置，長錨桿注漿原則和方式同短錨桿，必須確保注漿質量；長錨桿鉆孔應穿越圍巖塑性區，錨入圍巖彈性區，使錨桿、初期支護和洞周巖體三者形成共同受力體系，協調應對大變形，達到控制大變形的作用。

4.4 隧道洞內水處理技術

該隧道圍巖主要為炭質板巖夾千枚巖，千枚巖遇水極易軟化甚至泥化，極易造成圍巖極限強度急劇下降，勢必對隧道整體穩定性造成極大的影響，從而進一步加劇初期支護體系的變形，故應高度重視隧道的洞內水處理。

（1）對于富水地段，一方面結合超前地質預報綜合判釋掌子面前方水體位置及水量大小，同時采用超前水平鉆孔和加深炮眼加深進行超前鉆孔釋水釋壓；另一方面對該區域采用超前周邊注漿進行“靶向注漿”，提前對該富水地段巖體進行注漿堵水、固結[7]。

（2）開挖后及時對滲水按開挖部位分別設置集水坑進行匯集、引排，避免滲水散排，浸泡圍巖，同時惡化施工環境。

（3）初期支護完成后，對明顯滲水部位，應采用不少于長4 m、Φ42 mm 鋼花管進行注漿堵水、固結。

4.5 監控量測

施工過程中，必須加強監控量測工作，安排專人負責，納入工序卡控管理，及時采集數據，對監控量測數據及時進行整理、分析[8]：①根據監控量測數據動態調整工程措施、施工預留變形量、工序施工進度；②根據監控量測數據控制長錨桿和二次襯砌拱墻的施作時機。

5 大變形控制效果

在該隧道某段區間先進行試驗段施工中，隧道施工安全、平穩、有序，初期支護施作完成后，監控量測數據顯示最大拱頂累計下沉量為11 cm，凈空收斂最大累計量為16 cm。初期支護無異常開裂及鋼架扭曲現象，且初期支護穩定后無侵入二次襯砌拱墻的現象。

6 結束語

通過該隧道施工實踐，采用了一系列控制大變形施工關鍵技術，洞內初期支護穩定，拱頂下沉和洞周收斂均在允許范圍之內，仰拱面無任何變化，現場工序銜接合理，管理有序，安全可控，從現場施工情況可以判定目前選擇的掘進技術是科學、合理的，能夠保證隧道結構的穩定和隧道掘進安全。