高地應(yīng)力軟巖隧道大變形特征與處治技術(shù)

覃子秀　林志　嚴(yán)遠(yuǎn)方　馮萬林　吳秋軍

摘要：文章結(jié)合依托工程對高地應(yīng)力軟巖隧道大變形特征與處治技術(shù)展開研究，得出如下結(jié)論：（1）大變形災(zāi)害嚴(yán)重程度與地應(yīng)力等級、圍巖軟弱程度高度相關(guān)，地應(yīng)力越高、圍巖越軟弱，大變形越嚴(yán)重；（2）大變形災(zāi)害具有變形量大、持續(xù)時間長以及空間分布不均的特點(diǎn)；（3）大變形災(zāi)害處治應(yīng)遵循“抗放結(jié)合、共同承載、動態(tài)控制”的原則，采取多項(xiàng)主動支護(hù)措施，降低災(zāi)害影響。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力；隧道；大變形；施工技術(shù)；災(zāi)害處治

0引言

近年來，我國公路路網(wǎng)向地質(zhì)條件與地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜的中西部延伸，配套的隧道工程也因地質(zhì)條件等因素逐漸向大埋深、地質(zhì)因素更復(fù)雜的方向發(fā)展，復(fù)雜的工程條件帶來諸多影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題。

目前，學(xué)者們針對高地應(yīng)力軟巖大變形災(zāi)害開展了大量研究工作，深入地認(rèn)識了大變形特征與變形控制技術(shù)。趙瑜等［1-2］結(jié)合數(shù)值模擬手段，對高地應(yīng)力軟巖隧道大變形特征進(jìn)行了分析。朱朝佐等［3］結(jié)合分段施工工藝，提出了采用格柵縱向連接形式以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)縱向整體性的方法。張宏亮等［4］分析比對了武都西隧道大變形多種施工方案，認(rèn)為應(yīng)力釋放至一定程度后及時施作二襯可有效解決大變形問題。盧陽［5］結(jié)合文筆山隧道大變形處治成功案例，提出了“因隧制策，動態(tài)調(diào)整”的施工原則。

另外，也有學(xué)者認(rèn)為高地應(yīng)力軟巖隧道施工應(yīng)采取“強(qiáng)支護(hù)”措施對抗圍巖變形，但這并不適用于所有等級的大變形災(zāi)害，容易對現(xiàn)場施工產(chǎn)生誤導(dǎo)。

本文根據(jù)高地應(yīng)力軟巖隧道大變形特征，結(jié)合依托工程，對變形控制技術(shù)進(jìn)一步探索與研究，以期形成成套處治技術(shù)，解決高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制技術(shù)難題。

1 高地應(yīng)力軟巖隧道大變形特征

1.1 工程背景

木寨嶺特長隧道全長15 km，最大埋深為629.1 m，穿越木寨嶺，溝通西南地區(qū)與甘肅及西北地區(qū)。隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜，地處秦嶺構(gòu)造帶，工程開展極具挑戰(zhàn)，在建設(shè)期間發(fā)生了強(qiáng)烈的大變形災(zāi)害。

1.2 地應(yīng)力高且圍巖軟弱

現(xiàn)場開展了地應(yīng)力測試工作。結(jié)果表明，隧址區(qū)以水平主應(yīng)力為主，垂直主應(yīng)力較小。發(fā)生大變形前最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力值為20～40 MPa，垂直主應(yīng)力一般小于水平主應(yīng)力，量值為10～20 MPa。

另外，木寨嶺隧道穿越斷層破碎帶，巖體破碎，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，鏡面結(jié)晶。下第三系主要以泥巖夾砂巖為主，V級圍巖分布范圍較廣，地下水與區(qū)段內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育。洞室開挖后，大變形段巖體呈碎塊狀、粉末狀。

1.3 變形量大

隧道開挖后，受高地應(yīng)力與軟弱圍巖共同作用，初支變形量極大。工程監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示［6-7］，軟弱圍巖洞段拱頂沉降量可達(dá)數(shù)十毫米，而在圍巖極軟弱，如斷層破碎帶或巖石單軸抗壓強(qiáng)度極低的洞段，拱頂沉降量可達(dá)米級。

部分輕微變形區(qū)鋼架連接處發(fā)生扭曲變形折斷，并向內(nèi)側(cè)侵入20 cm；較大變形區(qū)則侵限嚴(yán)重，初支邊墻嚴(yán)重變形，鋼拱架發(fā)生錯位，變形輪廓線與設(shè)計(jì)輪廓線相距達(dá)60 cm；嚴(yán)重變形段仰拱開裂嚴(yán)重并向上隆起，隆起高度達(dá)1.5 m。

1.4 變形持續(xù)時間

受高地應(yīng)力與軟弱圍巖控制，隧道圍巖初期變形速率極快，一般15 d可完成大部分變形，如下頁圖1所示。在初期變形后，變形一般等速發(fā)展，少見加速發(fā)展甚至呈現(xiàn)不收斂的趨勢，均反映軟弱圍巖顯著的流變特性。

已發(fā)生大變形洞段在及時支護(hù)后仍會出現(xiàn)持續(xù)變形現(xiàn)象，持續(xù)時間可達(dá)數(shù)月，最終因變形量過大導(dǎo)致支護(hù)損壞嚴(yán)重而進(jìn)行換拱。

1.5 變形空間分布不均

現(xiàn)場高地應(yīng)力軟巖大變形災(zāi)害較為嚴(yán)重，隧道在縱向上可分為四大區(qū)域：

（1）基本穩(wěn)定區(qū)：該洞段初支基本穩(wěn)定，拱頂沉降為50～100 mm，水平收斂值為20～50 mm。

（2）輕微變形區(qū)：該段初支發(fā)生輕微變形，拱頂沉降為150～250 mm，水平收斂值為100～200 mm。

（3）較大變形區(qū)：該段初支發(fā)生較大變形、仰拱開裂，多分布在埋深較大區(qū)域，拱頂沉降為250～350 mm，水平收斂值為150～300 mm。

（4）嚴(yán)重變形區(qū)：該段初支侵限嚴(yán)重、仰拱隆起、二襯開裂，多分布在埋深600～700 m段，少數(shù)埋深較小。該段拱頂沉降達(dá)500～1 150 mm，水平收斂值為450～900 mm。

2 大變形處治技術(shù)

如果變形控制技術(shù)體系不完整，出現(xiàn)大變形災(zāi)害后，處理措施過于簡單，容易導(dǎo)致措施失效，引起嚴(yán)重后果。本文調(diào)研國內(nèi)外大量工程案例，歸納總結(jié)形成如下大變形的災(zāi)害處治技術(shù)。

2.1 超前釋放地應(yīng)力

勘察設(shè)計(jì)階段可通過水力壓裂等地應(yīng)力測試手段對施工全域地應(yīng)力水平進(jìn)行評估，結(jié)合地應(yīng)力反演等方法明晰施工洞段地應(yīng)力分布規(guī)律。對地應(yīng)力較高，或高地應(yīng)力較集中區(qū)域采用超前導(dǎo)洞鉆孔卸壓法、松動爆破卸壓法、開掘卸壓巷道法等超前應(yīng)力釋放手段釋放一部分圍巖應(yīng)力，讓應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，降低正洞施工過程中的變形，見圖2。

2.2 超前支護(hù)

圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)相互作用，初期支護(hù)的大變形主要由圍巖的大變形引起，應(yīng)采取圍巖加固措施以充分發(fā)揮圍巖自承能力。

2.2.1 超前錨桿加固

錨桿直徑可取20～25 mm，長3～4 m，環(huán)向間距為0.4～0.6 m，仰角為10°～15°，可采用有壓注漿錨桿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

2.2.2 小導(dǎo)管超前注漿加固

鋼管直徑可取40～50 mm，長度為3～5 m，環(huán)向間距為0.3～0.5 m，高壓注漿加固，注漿壓力可取1～2 MPa。

2.3 優(yōu)化斷面形狀

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，圍巖變形速率較大或變形潛勢大時，應(yīng)對斷面形狀進(jìn)行優(yōu)化，如采取增加仰拱厚度、加大仰拱曲率、選用圓形斷面等措施，或根據(jù)地應(yīng)力特征，如最大主應(yīng)力與隧道軸線夾角等，采用非對稱斷面等方法調(diào)整斷面形狀。

2.4 加強(qiáng)初期支護(hù)

隧道開挖后應(yīng)及時施作“主動支護(hù)”以控制圍巖變形，且應(yīng)快速封閉成環(huán)。初期支護(hù)的強(qiáng)化工作可從以下方面開展。

2.4.1 噴混凝土

為避免發(fā)生大變形災(zāi)害，可增加噴混凝土厚度、提高噴混凝土等級，或在噴混凝土內(nèi)摻加各類纖維（鋼纖維、維尼綸纖維）、專用聚合物等。

2.4.2 多層初期支護(hù)

勘察設(shè)計(jì)階段判定存在中等或強(qiáng)烈大變形災(zāi)害時，可設(shè)置多層初支并在每兩層間設(shè)置預(yù)留變形區(qū)以保證施工安全。

2.4.3 系統(tǒng)錨桿

可通過“長短結(jié)合”的布置方針設(shè)置系統(tǒng)錨桿?？稍诠皦μ幉贾?5 mm×5 mm中空注漿錨桿（長度為4 m）、51 mm×8 mm自進(jìn)式錨桿（長度為9 m），在隧底處布置76 mm×6 mm鋼花管（長度為6 m），在拱腳處布置108 mm×6 mm鋼花管（長度為9 m）。

2.4.4 鋼筋網(wǎng)片

在噴混凝土中布置菱形鉸接金屬網(wǎng)，在增加支護(hù)能力同時允許圍巖適當(dāng)變形。

2.4.5 強(qiáng)化鋼拱架

根據(jù)大變形嚴(yán)重情況加密或增設(shè)不同規(guī)格的單層或多層閉合鋼拱架支護(hù)，以提高支護(hù)剛度；也可采用可壓縮的U型鋼拱架或H型鋼，或可壓潰式接頭，在開挖初噴3～5 cm厚的混凝土后架設(shè)，再用噴混凝土填滿并覆蓋。

2.4.6 布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）

恒阻大變形錨桿是有效控制高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形的支護(hù)措施［8］，其原理是依靠負(fù)泊松比（NPR）材料在拉伸時環(huán)向面積增大，提供恒定阻力以抵抗圍巖變形。

在大變形洞段，以預(yù)應(yīng)力錨桿代替部分傳統(tǒng)錨桿可增加初支支護(hù)能力。負(fù)泊松比（NPR）恒阻大變形錨桿參數(shù)如表1所示。

2.5 加強(qiáng)二次襯砌

大變形洞段圍巖荷載應(yīng)由初支與二襯共同承擔(dān)。為降低大變形災(zāi)害影響，可采取如增加二襯厚度至60 cm、提高一級混凝土等級等措施。

2.6 臨時支護(hù)

現(xiàn)場出現(xiàn)圍巖變形速率大、現(xiàn)場條件受限而無法施作加固措施時，可采用木支撐或型鋼進(jìn)行臨時支護(hù)。

2.7 預(yù)留變形量

兩車道隧道可設(shè)置150～500 mm的預(yù)留變形量，允許圍巖發(fā)生變形。預(yù)留變形量應(yīng)根據(jù)大變形潛勢選擇。

3 大變形處治技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 處治方案

為有效、安全地處治大變形災(zāi)害，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測與專家論證，提出“兩階段”處治對策：對大變形災(zāi)害較輕微及后續(xù)變形潛勢較小的洞段采用一階段處治方案，即加強(qiáng)支護(hù)、加深加大仰拱曲率；對已出現(xiàn)仰拱隆起，二襯崩潰的較大、嚴(yán)重大變形段，采用二階段處治方案，即在換拱后采用聯(lián)合支護(hù)措施加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。處治全過程遵循“抗放結(jié)合、共同承載、動態(tài)控制”的原則。

3.2 一階段處治措施

基本穩(wěn)定區(qū)及輕微變形區(qū)圍巖狀況較為樂觀，處治措施以“抗”為主，采取主動式（柔性）和被動式（剛性）相結(jié)合的方式，主要加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度、加深加厚仰拱。具體措施及參數(shù)如下：

（1）加大鋼架、加密間距、強(qiáng)化接頭連接：為增強(qiáng)初支支護(hù)抗力，加強(qiáng)縱向連接能力，將鋼拱架型號提升至I22b，縱向布置間距加密至0.6 m，并在縱向設(shè)置I16工字鋼菱形連接。

（2）增強(qiáng)鎖腳：增設(shè)4根長6 m的鎖腳鋼架。

（3）加大預(yù)留變形量：增加預(yù)留變形量至50 cm，并加強(qiáng)變形監(jiān)測。

按上述方案采取措施后，輕微變形區(qū)拱頂沉降與水平收斂逐漸穩(wěn)定在100 mm左右，輕微大變形得到有效控制。

3.3 二階段處治措施

在較大變形區(qū)與嚴(yán)重變形區(qū)，支護(hù)系統(tǒng)已基本失效，二襯崩裂、初支侵限嚴(yán)重、仰拱隆起。換拱作業(yè)挖除侵限巖體后經(jīng)評估認(rèn)為一階段處治措施已無法滿足支護(hù)需求。

基于施工期與營運(yùn)期安全、耐久考慮，制定“分段分級處治”的施工方案，采取“雙層初期支護(hù)+長短錨桿結(jié)合+預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間”的處治措施。具體措施及參數(shù)如下：

（1）超前支護(hù)：在拱部150°范圍設(shè)置4根長900 cm89 mm的中管棚，環(huán)向間距為40 cm，搭接長度為300 cm。

（2）雙層初支：第一層厚度為31 cm、第二層厚度為27 cm的C25噴混凝土結(jié)構(gòu)，并在初支的拱、墻部設(shè)置雙層8 mm，規(guī)格為150 cm×150 cm的鋼筋網(wǎng)片，以增加初支延性。

（3）加深加厚仰拱：挖除隆起侵限的仰拱后，重新施作厚度為70 cm的C35鋼混仰拱。

（4）強(qiáng)化鋼拱架：在一階段處治的基礎(chǔ)上提高鋼拱架型號至I25b，并設(shè)置雙層鋼拱架。

（5）長短結(jié)合系統(tǒng)錨桿：拱墻處布置25 mm×5 mm中空注漿錨桿（長度為4 m）、51 mm×8 mm自進(jìn)式錨桿（長度為9 m），在隧底處布置76 mm×6 mm鋼花管（長度為6 m），在拱腳處布置108 mm×6 mm鋼花管（長度為9 m）。

如圖3所示為按上述方案采取措施后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖3可知，第一層初支變形量依舊較大，但第二層初支變形量較小且趨于收斂，大變形得到有效控制。

3.4 其他處治措施

發(fā)生大變形災(zāi)害后，經(jīng)專家論證對后續(xù)洞段采用微臺階法開挖工藝快速封閉成環(huán)，同時采用“隧道管樁+長錨桿采取大型三臂錨桿臺車+潛孔鉆機(jī)施工”的施工工藝，以控制后續(xù)洞段變形。

4 結(jié)語

高地應(yīng)力軟巖隧道施工期間易發(fā)生大變形災(zāi)害，但致災(zāi)過程較為緩慢。本文結(jié)合依托工程對大變形災(zāi)害展開研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）大變形災(zāi)害初期來壓極快，圍巖變形速率較高，且在縱向分布不均。若未及時采取有效措施，施工洞段支護(hù)措施極易在初期因變形過大而失效，造成極大損失。

（2）發(fā)生大變形災(zāi)害洞段圍巖變形周期較長，治理后仍需進(jìn)行長期監(jiān)測，以確保施工安全。

（3）大變形災(zāi)害處治應(yīng)“分段分級”，大變形等級較低時應(yīng)以增強(qiáng)支護(hù)抗力為主，等級較高時應(yīng)遵循“抗放結(jié)合、共同承載、動態(tài)控制”的原則，允許圍巖充分釋放變形能，控制其不發(fā)生有害變形。

（4）多層初期支護(hù)+長短結(jié)合系統(tǒng)錨桿的支護(hù)方式能有效控制大變形，可作為主要支護(hù)措施供其他工程參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙 瑜，李曉紅，盧玉義，等.深埋隧道圍巖應(yīng)變軟化模型參數(shù)的正交設(shè)計(jì)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（7）：716-719，729.

［2］趙 瑜，李曉紅，盧玉義，等.深埋隧道圍巖系統(tǒng)卸荷演化過程的Lyapunov指數(shù)分析［J］.巖土力學(xué)，2008（10）：2 871-2 876.

［3］朱朝佐，謝文清.硬質(zhì)巖淺埋大斷面隧道施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（3）：190-194.

［4］張宏亮，姬 猛.武都西隧道軟弱圍巖大變形段支防控制技術(shù)［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2015，11（8）：130-131.

［5］盧 陽.高地應(yīng)力作用下文筆山隧道軟巖變形特征與機(jī)制研究［D］.湘潭：湖南科技大學(xué)，2020.

［6］于家武，郭新新.木寨嶺公路隧道復(fù)合型大變形控制技術(shù)與實(shí)踐［J］.隧道建設(shè)（中英文），2021，41（9）：1 565-1 576.

［7］丁彥杰.蘭渝鐵路木寨嶺隧道長期變形監(jiān)測研究［J］.鐵道建筑，2022，62（2）：123-126.

［8］陶志剛，韓 惠，明 偉，等.新型NPR錨桿支護(hù)系統(tǒng)抗動力沖擊試驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2023，48（5）：2 008-2 021.

作者簡介：覃子秀（1986—），高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。