九綿高速層狀變質軟巖隧道大變形統計分析研究

錢鑫，王飛，彭撞，楊朝棟，曾楠

（四川綿九高速公路有限責任公司，成都 610000）

1 引言

本文以九綿高速具有代表性的層狀變質軟巖隧道為工程依托， 通過對國內已有的軟巖大變形隧道及洞口淺埋段隧道進行文獻調研， 研究九綿高速層狀變質軟巖的災變規律及致災機理、隧道洞口淺埋段建設安全控制技術、大變形的預測分級與安全管控體系、 不同大變形等級下的適宜工法及支護體系、隧道長期結構安全性等內容，為后續提出軟巖大變形隧道及洞口淺埋段隧道相適宜的工法、支護體系、超前支護等提供依據。

2 九綿高速項目概述

九綿高速公路全長244 km，全線共有隧道45 座，隧道長度不等，占線路全長的53%，路線主要跨越龍門山斷裂帶、塔藏斷裂帶與虎牙斷裂等區域，該區域內斷裂帶構造規模大、破碎帶寬、活動性較強，地震災害頻發。

隧址區軟巖分布范圍廣、巖體條件差、互層現象突出，以千枚巖、板巖為代表的層狀變質軟巖（飽和抗壓強度常常小于10 MPa），遇水易軟化，具有明顯的各向異性及流變性等特點。同時，根據勘察報告得出：本工程項目洞口處地形陡峻、狹窄、偏壓、隧道埋深大、初始應力高，部分隧道的最大埋深高達千米，初始地應力值在20 MPa 以上，比如，以層狀變質軟巖為主的白馬隧道， 最大埋深達1 092 m， 現場測得最大地應力為34.73 MPa。

3 層狀變質軟巖隧道大變形原因分析

3.1 圍巖強度

斷層帶、砂礫巖以及泥土雜砂巖是本次隧道施工必須要穿越的區域，在這一過程中由于不同巖體的抗壓強度不同，在一定程度上增加了巖體變形與破壞的概率。 同時，由于軟弱圍巖的抗壓強度較低，掘進過程中比較容易發生流塑變形問題。 所以，圍巖強度影響對層狀變質軟巖隧道大變形的一個重要因素。

3.2 初期支護

硬質圍巖、薄煤層、破碎地帶的抗風能力較差，一旦圍巖被開挖后就很容易風化， 開挖面在封閉之后也比較容易出現松動圈，導致初期支護很難支撐松動圈的荷載，發生變形、開裂、導致混凝土脫落、掉皮等的現象。

3.3 施工方法對層狀變質軟巖隧道大變形的影響

施工方法也是導致層狀變質軟巖隧道大變形的一個重要因素。 此外，在隧道掘進過程中，由于工期較短，項目所在區域內地形地質條件復雜， 預防軟弱圍巖發生變形所采取的措施不具有針對性。 加之，二次襯砌無法及時跟進，上下臺階法和下臺階法差異較大等， 這些同樣是導致層狀變質軟巖隧道大變形的一個重要因素。

4 軟巖大變形隧道調研的統計分析

根據近些年來中鐵西南科學研究院有限公司對隧道擠壓性變形的研究， 提出一種擠壓因子作為評判地應力狀態的方法， 該方法的依據來源于施工現場點荷載強度的測試和巖體強度的估算[1-2]。 擠壓因子Nc根據式（1）計算：

式（1）、式（2）中，σcm為巖體單軸抗壓強度，kPa；p0為地應力，kPa；γ為巖體重度，kN/m3；H為隧道埋深，m；σci為原巖單軸抗壓強度；mi為Hoek-Brown 常數，由室內三軸試驗確定的試樣摩擦特性定義；GSI 為地質強度指標，表述巖石與巖體的整體性指標。

通過綜合考慮，提出以下擠壓大變形分級值作為參考，如表1 所示。

表1 圍巖擠壓大變形等級劃分

李國良，熊春庚，李寧[3]將施工過程中的變形加速率來評價圍巖變形趨勢，通過上臺階法連續開挖3～5 d，計算得出變形速率vp， 并根據該平均值對本工程項目圍巖的變形趨勢和支護體系進行評判。

式中，n為變形速率的天數；vi為第i天的變形速率，是指當日的總收斂值與前一日總收斂值的差值。

通過對上述圍巖變形情況的統計， 按照變形速率將圍巖劃分為一般、 低速、 中速和高速4 個等級， 變形速率vp分別為≤10 mm/d、10～30 mm/d、30～50 mm/d 以及≥50 mm/d，變形潛勢為正常、輕微、中等和強烈，如表2 所示。

表2 按圍巖變形速率的等級劃分

對不同大變形分級情況進行軟巖隧道施工工法、 支護方式以及超前支護措施的統計分析， 最后采用工程類比的方法初步提出不同大變形等級施工工法、 支護方式以及超前支護措施的建議。

1）軟巖隧道大變形分級標準

根據前期大量的文獻調研以及現場調研資料， 結合現有的圍巖擠壓大變形等級劃分及基于變形潛勢的大變形等級劃分[3]作為九綿高速層狀變質軟巖隧道初步的大變形等級劃分標準， 而針對九綿高速的大變形劃分及預測標準將在后續工作中進行研究[4]。

2）軟巖隧道合理工法的統計分析及工法

軟巖隧道在不同等級下施工工法類型： 輕微變形段多采用了上下臺階法、單側壁導坑法的施工工法；中等變形段多采用上下臺階法、三臺階法的施工工法；強烈變形段多采用上下臺階法、三臺階法、三臺階七步法以及單側壁導坑法。 而單側壁導坑法在九綿高速五里坡隧道中實施效果較差， 變形量較大。 白馬隧道調整工法為三臺階法（原為單側壁導坑法）后，對周邊收斂及拱頂沉降有較好的抑制作用， 后續研究中將以數值模擬的手段對不同工法隧道變形量的影響進行對比研究。

3）軟巖隧道合理支護體系的統計分析

（1）對于輕微大變形段，采用“長鎖腳錨桿+ 短錨桿”形式可以有效抑制圍巖變形，但對于中等—強烈大變形段，需采用“長鎖腳錨桿+ 長短錨桿”的形式；（2）對于強烈大變形段，若僅采用單層支護，很大可能面臨停工處置，多次反復變更（例如，臨時護拱，基本沒有實質作用）后最終還得拆換，因此，建議采用雙層支護，更能有效抑制大變形；（3）九綿高速現場施工中，拆換風險和頻率高，導致成本大大提高，其本質上還是因為支護參數不合理，對于設計中等—強烈的大變形段落，應注重支護參數設計，增加預留變形量；（4）為減小變形必須及時進行仰拱閉合成環，降低初支侵限風險。

4）軟巖隧道合理安全控制基準的統計分析及安全控制基準在監測期間內，隧道拱頂下沉和水平收斂不斷增長，輕微大變形斷面在緩慢變形階段的平均變形速率也達到5 mm/d 以上，遠大于現行JTG/T F60—2009《公路隧道施工技術細則》中規定的變形速率安全標準（0.2～1 mm/d），因此，該標準對于絕大多數軟巖隧道而言并不適用， 針對九綿高速層狀變質軟巖隧道群，界定各等級大變形下安全控制基準如表3 所示。

表3 九綿高速軟巖隧道大變形段安全控制基準

5 層狀變質軟巖隧道大變形防治技術措施

5.1 調整初期參數，控制變形

通過使用長錨桿、 水泥藥卷以及φ42 mm 注漿小導管等的方法加固圍巖， 并根據工程項目的實際情況調整圍巖初期參數，避免隧道出現較大的變形問題。 其中，長錨桿是有效控制層狀變質軟巖產生變形常用的方法之一。 對于隧道中的碳質硬巖應當使用4 m 長的φ42 mm 的水泥藥卷， 拱腰和邊墻的位置使用6 m 長的D25 mm 注漿小導管。

5.2 采取先柔后剛支護，承受荷載

先柔后剛指的是先施作柔性初期支護體系， 再進行剛性二次支護，二次支護可以承受來自圍巖的荷載。 先柔后剛支護以混凝土為主要材料， 通過長錨桿及支護可有效承受圍巖的壓力和變形。

5.3 通過封閉成環，增強荷載

及時進行仰拱，仰拱應當在拱墻施工完成后及時進行。 這樣，仰拱可以及時封閉成環，進而增強結構的剛度和荷載。

5.4 注重監控量測

隧道施工過程中，特別是層狀變質軟巖隧道變形段，還應當注重監控量測， 通過監控量測可以及時了解圍巖的變形與支護情況，然后根據監控量測獲得的數據，調整支護方式，確保隧道施工的安全與穩定。

5.5 減少圍巖擾動，加固圍巖破碎

隧道施工過程中， 應盡可能地減少對層狀變質軟巖隧道大變形的不利影響，嚴格控制圍巖變形，采取科學合理的爆破方式，減少和降低由于爆破技術選用不當對圍巖造成的擾動。同時，還應當控制循環進尺，采取合理的支護方式，對層狀變質軟巖進行超前支護， 減少圍巖破碎， 循環進尺控制在0.5～0.75 m。

5.6 應用短臺階法，立即封閉

具體的隧道施工過程中，還可以采用短臺階法，保證仰拱及時施作，降低圍巖發生變形的概率，確保初期支護可以立即成環，進而能與圍巖一并形成拱，合理控制層狀變質軟巖隧道出現大變形， 掌子面與仰拱之間的距離嚴格控制在20 m 之內，掌子面與二次襯砌的距離不超過50 m。

6 結語

層狀變質軟巖隧道大變形具有變形量大、 變形速率高等特點，如果處理不當則會給隧道施工的質量、進度帶來不利影響。 本文通過對九綿高速公路項目的分析，得出該工程項目發生軟巖隧道大變形的主要原因有圍巖強度、 初期支護以及施工方法等，根據隧道大變形的特點，采取相應的技術防治措使得軟巖隧道大變形得到了有效控制。