山嶺重丘區高應力軟巖大變形隧道施工技術研究

馮 斌

（中交路橋南方工程有限公司,北京 101121）

0 引言

山嶺重丘區高應力軟巖大變形隧道施工環節存在著較為棘手的技術難題。軟巖自身的變形速度快，且變形量分布不均、持續時間長，施工環節很容易出現位移超量、塌方、冒頂等問題，給施工人員生命安全帶來威脅，造成嚴重的人員、經濟損失。新時期我國公路工程向著地形、地勢更復雜的區域發展，如何克服該類技術問題，實現施工質量和效能的優化，成為各界關注的焦點問題。

1 山嶺重丘區高應力軟巖變形特點

圍巖變形情況是公路隧道施工環節必須關注的重點問題。隧道開挖會直接破壞圍巖原有結構框架，使其產生彈性變形或塑性變形，給施工帶來一定影響。在山嶺重丘區高應力軟巖大變形隧道施工過程中，這種影響會更加明顯，主要體現在以下幾方面：一是圍巖變形速度快，變形初期表現尤為明顯，流變特征突出且持續時間長，很容易對襯砌、支護造成破壞，使其出現扭曲、斷裂等問題。與之相比，堅硬圍巖的施工條件要好很多，可以在開挖變形后迅速穩定下來，變形速率也相對較小。二是圍巖變形量較大，由于巖體本身易破碎、易風化，因此開挖后很容易出現塑性變形情況，進而導致破壞問題。常見的破壞形式非常多樣，比如噴射混凝土脫落、鋼架變形、拱頂坍塌[1]等。三是圍巖變形壓力增長快。山嶺重丘區高應力軟巖性能較為特殊，開挖后會在短時間內出現風化破碎問題，因此壓力增長較快，若施工支護較為科學合理，該種變形尚可以得到有效遏制，若支護襯砌不及時，很容易出現安全事故。

2 山嶺重丘區高應力軟巖大變形隧道施工案例概況

為直觀說明山嶺重丘區高應力軟巖大變形隧道施工技術要點，文章以某地公路隧道工程為例加以論述。該隧道全長65.4 km，隧道洞身穿過大型山脈帶，地形切割較為明顯，多處分布著斷裂構造帶，施工區域最大埋深1 432 m，最大地應力30.6 MPa。采用雙洞分修方案，兩線路之間相距35.7~46.2 m，另外設置了平導、外移平導，共計四線平行開挖。隧洞周邊巖體類型較為多樣，包含灰巖、炭質千枚巖等，開挖后呈現碎塊狀，可以在較短時間內風化破碎。對局部區域進行開挖試驗和勘查后發現，開挖面的收斂變形速度相對較快，有明顯的坍塌、掉塊現象，可能會對支護體系產生擠壓和破壞（見表1）。為減少地質地形條件帶來的不利影響，規避圍巖變形過快、變形量過大導致的支護變形、襯砌開裂風險，該次綜合使用了復合式襯砌策略、長短錨桿群錨支護策略等，對施工方案進行優化調整，下面對技術細節展開論述。

表1 YD362+750~YD362+775段測量結果

3 山嶺重丘區高應力軟巖大變形隧道施工控制技術分析

3.1 圓形斷面開挖技術

此次施工引入BIM技術、FLAC3D技術進行模型搭建和模擬分析。搭建內容包含隧道圍巖結構、隧道開挖結構等，綜合參考地質鉆孔資料，選取適宜的斷面開挖形式。現階段可用的開挖形式較為多樣，主要包含圓形、橢圓形、馬蹄形等，不同形式的特征優勢不同，開挖技術也存在一定差異。對于山嶺重丘區高應力軟巖大變形隧道來講，圓形斷面的適用性是最高的，由于其輪廓較為圓順，且不存在轉折、隅較，因此各方向受力情況較為均衡，有助于提升圍巖穩定性和初支結構可靠性。同時，高應力軟巖本身的變形量大、壓力增長快，圓形斷面也能夠更好地調和隧道頂壓、側壓參數，確保其與底部隆起壓力的協調分配[2]。在圓形斷面的基礎上，配合進行了雙層支護設計，經分析發現能夠有效地維持圍巖穩定性，防止初支開裂塌陷。

3.2 平導優化設計技術

隧道平導主要起到輔助施工作用，可以較好地改善主洞施工環境。案例工程方案設計初期，采用了三線并行開挖思路，平導位于中央區域，左右線同時開工。經過現場開挖試驗和勘探后發現，大變形段地質條件較為復雜，頁巖、炭質頁巖等廣泛分布，輝綠巖脈大量侵入，分布規律不明顯，施工環節不僅容易受到高地應力影響，還會受高瓦斯等因素威脅。且正線平導部分圍巖變形也十分明顯，經量化測量判定為嚴重大變形，具有變形速率高、壓力大的鮮明特征，部分支護體系受此影響，也出現了破壞問題。以YD362+820斷面為例，區域內豎直、水平方向均出現了變形收斂情況，變形、收斂量分別達到了371.25 mm和131.6 mm，對雙層支護鋼架產生了較大壓力，鋼架局部出現扭曲、折斷問題，平導的通風、排水工作也難以保障。當前右線施工相對滯后，但如果繼續沿用初期設計方案，勢必會加劇變形問題，因此通過現場調研和專家論證，對方案進行了適當調整，決定將平導外移一段距離，消除群洞效應可能帶來的不利影響。外移方向為右側，距離為70 m，同時對原有平導進行回填和加固，確保圍巖穩定性的提升。

3.3 注漿堵水技術

山嶺重丘區高應力軟巖隧道開挖環節，還需要重點關注注漿堵水問題。從設計參數看，工程襯砌對水壓的承受能力是有限的，上限值設定為0.6 MPa，超過該臨界值很容易出現漏水、開裂問題，給施工失敗埋下隱患。案例隧道部分區段下穿高川河區，測量長度約83 m，河流水位較為穩定。從模型分析結果看，該河段灰巖較發育，巖體易破碎、易風化，隧道頂部還存在節理裂隙發育問題，后期如果與河水聯通，將會造成嚴重的滲水、塌陷事故。基于此，施工環節引入了連續超前周邊注漿技術，與局部徑向注漿技術相配合，可以在外層打造出隔水環封閉層，確保高富水區段施工順暢性，降低后期涌水概率。注漿用料為水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在1 MPa左右。由于該項子工程屬于高風險工程項目，因此施工環節需要進行跟蹤化、動態化的監控監測管理，提前分析和確定報警閾限值，做到及時響應和及時處理。該次斷面拱頂下沉速率極限值[3]設置為5 mm/d，當下沉量累計到100 mm，或者監測數據異常突變時，系統會自動發出報警信息，現場施工必須馬上暫停，經過圍巖注漿加固后，方可繼續施工。注漿時，鉆孔深度應當維持在1.5~5 m，持續注入直到漿液灌滿溢出，確保漿液充分填滿變形裂縫，確保圍巖外側形成結構完整、強度較高的防水環體系，防止異常變形問題和滲水冒頂問題擴散蔓延。

3.4 臺階及仰拱開挖技術

從既有的軟弱圍巖隧道施工案例看，分部法是較為常用的開挖技術方案，根據操作細節不同，又可以劃分為預留核心土環形開挖、交叉中隔壁開挖等類型，能夠較好地應對軟弱圍巖施工技術難題。案例工程巖體本身較為脆弱，整體走向為N40~60°E，傾向NW，勘查發現山脈穿越褶皺發育，巖層傾角較大，為65~85°，隧道開挖段落地應力最大值32 MPa，采用分部開挖法是較為適宜的。具體來看，由于山脈巖層本身存在較為明顯的傾斜，因此推薦使用兩臺階施工方案，下臺階部分率先施工，帶仰拱一次性開挖，這樣可以有效減小施工擾動，避免頻繁爆破帶來的巖體坍塌風險，在保證開挖施工需求的同時維持巖體自穩性。一次性開挖的做法還能夠擴大施工空間，方便大型設備進入，有助于縮短工期、提升效率。對于輕微或中等變形區域來講，直接使用該種方式即可滿足需求，但嚴重大變形區域還需要預留一定的變形量。因此，在兩臺階施工的基礎上，搭配使用了“臨時仰拱+預留核心土”的技術方法，兩期支護分別預留15 cm和25 cm，能夠最大限度地保證施工安全。

3.5 隧道支護技術

案例工程位于山嶺重丘區，局部構造扭曲明顯，且圍巖性能不太穩定，支護體系設計難度較大，若采用普通砂漿錨桿方式，鉆孔環節面臨的潛在風險非常大，很容易出現塌孔、縮孔等狀況。對比分析后認為，采用中空錨桿較為適宜，可以較好地應對軟巖大變形段施工難題，有助于強化錨桿的支撐、加固功能。鉆孔環節使用專業錨桿鉆機，能夠較好地達到維穩、錨固目標，確保圍巖抗剪強度的提升。為提升施工設計的科學性，此次還引入了地質雷達、聲波探測技術[4]等，對施工區域松動區進行探查和圈定，確保錨桿參數、點位的優化。支護作業分兩期進行，共使用長短兩種規格錨桿，直徑分別為32 mm和22 mm。對于輕微變形區段，搭配方式為短錨桿4 m+長錨桿6 m；對于中等、嚴重大變形區段來說，則使用短錨桿4 m+長錨桿6~8 m。不同規格的錨桿組合起來，能有效消除圍巖松弛帶來的不利影響，延緩變形速度的同時保證圍巖穩定性。錨桿組內采用梅花形布置方式，縱橫間距控制在1.0~1.2 m之間（見圖1）。施工時需要按照設計點位開孔，確保鉆孔、初支面處置，然后在壓力注漿技術的支持下，對錨桿進行安裝固定，壓力值控制在0.3~0.5 MPa較為適宜，混凝土內可適當摻入早強劑等化學試劑，最大限度地減少漿料收縮帶來的不利影響。注漿60 min后對混凝土進行強度檢測，達到20 MPa設計值方可通過驗收。支護完成后還需要加強初支變形監測，以案例工程YD362+750~YD362+975大變形段為例，此次測量主要使用了全站儀裝置設備，每5 m劃分一個監測斷面，累計劃分變形斷面45個，其中輕微變形斷面28個，中等、嚴重大變形斷面17個，拱頂沉降累計值最大為287.6 mm，水平收斂累計值最大為291.6 mm。通過收斂情況分析可以發現，長短錨桿組合支護的方式能夠較為明顯地解決高應力軟巖大變形問題，支護體系作用下圍巖載荷效應也更加分散，圍巖自承能力呈現出穩定上升趨勢，可以降低支護破壞、襯砌受損的風險，保障高應力軟巖大變形隧道順利施工。

圖1 長短錨桿群錨組合示意圖

3.6 二次襯砌技術

此次工程施工規模較大、影響范圍較廣，為縮短工期采用了四線并行開挖方式，有助于提高施工效率，但也給襯砌施工帶來了一定難度。襯砌搭建過早，很容易受群洞效應制約，出現變形超量、襯砌失敗風險，搭建過晚則會增加事故隱患。通過模型分析和參數計算分析后發現，襯砌搭建環節需要重點考慮幾個指標參數，在確定初支變形穩定的前提下，對安全布局情況、后行洞初支封閉情況等進行檢測驗收，合格后方可組織襯砌施工。滿足這些條件的隧道結構相對穩定，此時施加襯砌有助于降低內輪廓控制難度，同時滿足變形量預留要求。該次施工對初期支護的穩定性要求較為明確，當隧道支護水平收斂小于0.2 mm/d，且連續7天平均值達到此要求，拱頂下沉小于0.15 mm/d時，即可視為穩定性達標，可以開展二次襯砌施工。穩定性觀察周期定為1個月，若限定時間內部分區段遲遲未能達到收斂穩定標準，則要采取必要的補強、注漿加固等措施。此外，并行施工下不可簡單地考慮單獨一線的施工情況，而要綜合多線情況進行分析計算，避免群洞效應加劇垮塌風險。其中先行洞二支施工要適當后調，待到后行洞開挖至先行洞一支時再行操作，跟蹤觀察左右線初期支護變形情況，待到其全部收斂之后，方可進行二次襯砌施工，以達到減少相互擾動、維持作業面安全的目的。注意：該次工程二襯安全步距必須嚴格控制，不得超過300 m上限，若區段變形收斂時間過長、穩定速度過慢，還應及時補強優化，保證施工效率和質量的提升。

4 結語

綜上所述，山嶺重丘區地形地質特征較為復雜，建造軟巖大變形隧道時面臨的潛在風險較為多樣，控制不當很容易影響施工安全和隧道質量，實踐中務必要給予充分重視。要從圍巖力學動態特征入手，準確把握其變化趨勢和規律，綜合優化圓形斷面開挖技術、平導設計技術等，先控制、后釋放，保障隧道修建質量。同時做好注漿堵水、隧道支護和二次襯砌工作，為施工安全性、可靠性的提升奠定堅實基礎。