軟巖隧道開挖大變形控制技術分析

摘" 要：大變形問題是軟巖隧道施工中的常見病害，若處理不當會嚴重影響隧道修建成本和工期。該文結合工程實例從加強工程預報、錨桿施工控制、預留變形量、雙層初期支護和剛柔結合5個方面梳理總結軟巖隧道施工大變形控制方法，可為類似工程提供借鑒和參考。

關鍵詞：軟巖大變形；預報；錨桿；預留變形量；初期支護；剛柔結合

中圖分類號：U455 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-0170-04

Abstract： Large deformation is a common problem in soft rock tunnel construction. If not handled properly， it will seriously affect the cost and time-limit of tunnel construction. Based on engineering examples， this paper summarizes the large deformation control methods of soft rock tunnel construction from five aspects， including strengthening engineering prediction， bolt construction control， reserved deformation， double-layer initial support， rigid and flexible combination， which can provide reference for similar projects.

Keywords： large deformation of soft rock; prediction; bolt; reserved deformation; initial support; rigid-flexible combination

隨著我國鐵路、公路建設不斷向山區延伸，隧道工程建設常不可避免地要穿越高地應力軟弱圍巖區。軟巖具有強度低、滲水性和吸水性好、易風化、易崩解和膨脹性等特性[1]，在高地應力環境下，容易產生大變形，相應的控制問題就成為隧道施工的一大難題，處理不好將影響隧道工程建設成本和工期，甚至造成嚴重的工程事故。當前，軟巖大變形的定義還不清晰明確，設計規范還未專門將其列入。雖然國內外研究和實踐從支護措施、結構形狀設計等方面對高地應力軟巖隧道大變形施工控制技術提出了許多觀點與解決方法，但隧道工程的獨特性又使得任何一種方法或技術尚不能應對實際中各種復雜多變的地質條件。因此，開展有針對性的、階段性的技術總結就顯得格外重要。本文將結合成功工程案例梳理代表性的軟巖隧道開挖大變形控制技術和相應成果，從加強工程預報、錨桿施工控制、預留變形量、雙層初期支護和剛柔結合5個方面闡述軟巖大變形的有效控制技術、措施和理念，以期為類似工程提供借鑒和參考。

1" 加強工程預報

由于前期選線勘察成果有限，加強隧道施工過程中的工程預報，提前掌握掌子面前方及周邊圍巖情況，從而采取有針對性的施工應對措施，對于高地應力軟巖隧道大變形的控制極為重要。成武高速公路武都西隧道[2]隧址區為剝蝕中山地貌，山體地形陡峭。當隧道掘進至750 m左右時，發現圍巖產狀紊亂，褶皺明顯，與設計不符。此時隧道的最大埋深達到1 000 m，地應力高，開挖時圍巖構造應力將強力釋放，穩定性極差，判斷隧道施工將進入大變形段。為了更準確掌握前方的地質情況，在隨后施工過程中加強了對隧道掌子面前方巖體和隧道底板地質情況的探測和分析。現場使用天線中心頻率為100 MHz的GSSI SIR-3000地質雷達，從點測及線測結果來看，圍巖以千枚化炭質頁巖為主，節理裂隙較發育，巖體松散破碎，褶皺明顯，完整性及穩定性差。據此指導現場施工處理方案，使施工進度和成本得到了有效控制，預報結果在后續的施工中也得到了證實。位于成蘭鐵路的榴桐寨隧道[3]，隧道長達16 262 m，設計方案為單線雙洞、左右線分修。隧道圍巖受夾層和原生裂隙的影響，整體承載能力差。前期設計由于地質勘測資料不夠詳細，支護參數出現了偏差，導致隧道施工過程中出現了大變形問題。后續施工過程中將超前鉆孔探測法、地質雷達、紅外線超前探水等幾種預報技術優化組合且綜合運用，并結合隧道圍巖周邊收斂、拱頂下沉、錨桿拉拔試驗等多種方面的量測，有效地提高了地質超前預報的精度與準確率，補充了圍巖的特征，彌補了地質勘測信息的不足。基于這些信息對圍巖的穩定性作出了較為準確的判斷，進而及時反饋指導設計和施工，通過優化調整施工和支護方案，最終成功有效地解決了工程大變形問題，避免了工程事故的發生，提高了施工效率，降低了工程成本。可見，工程預報對于復雜地層中隧道的安全施工是必不可少的，否則就如同人在黑暗中行走，對安全隱患一無所知，災害隨時可能發生。此外，工程預報應綜合采用多種技術方法，長短結合，物探鉆探聯合，綜合多方面信息，才能更充分地了解地層各種復雜因素，從而有效指導施工。

2" 錨桿施工控制

作為一種通過從內部補強圍巖的技術方法，錨桿技術可改善圍巖的物理力學指標，建立不連續巖體之間的聯系，提升圍巖的抗裂強度，從而使圍巖的承載能力得以充分發揮。對于軟巖的大變形問題，錨桿可通過內壓效應和平衡拱效應，阻止塑性變形的擴展。九綿高速的白馬隧道[4]，全長13 013 m，隧道地質條件極為復雜，洞身段巖性以炭質板巖、板巖發育為主，巖質較軟。受強烈構造作用影響，褶曲及次級斷層發育，巖體破碎，加上局部埋深大，地應力高，施工期隧道多次出現大變形，以及初期支護開裂、侵限、坍塌等問題。根據地質條件，現場施工采取在拱部、邊墻、拱腳位置處增設長錨桿的加固措施，錨桿為φ22的螺紋鋼，全長錨固劑錨固，長度不短于6～8 m。由于錨桿長度大，施工中要求嚴格控制錨桿長度、角度、注漿壓力和錨固質量等工藝。加固措施實施后，多個段落的變形監測數據顯示，隧道變形趨緩，后續開挖過程的變形也得到了有效控制。隧道最大變形量控制在了180 mm以內，最大拱頂下沉量在90 mm以內，均未超限，說明該加固措施取得了明顯效果。位于南昆鐵路的家竹箐隧道[5]，IDK579+170～+560段長390 m的范圍內隧道進入煤系地層，施工時發生了罕見的大范圍大變形。工程曾多次更改施工設計方案，先后采用了以剛克剛、以柔克剛等支護措施后大變形仍得不到有效控制，最后采用以先放后抗、先柔后剛、剛柔相濟的綜合治理原則，配合鋼纖維鋼筋混凝土，在工程中大范圍使用超長錨桿，一共在拱部和邊墻上部施作長錨桿4 455根，長度總共達到42 375 m，最終成功將隧道拱頂、拱腳、邊墻等部位的變形量控制在了±10 mm之內，治理效果十分顯著。由此可見，錨桿通過加固圍巖，與圍巖共同形成承載拱，可分擔圍巖作用在支護結構上的壓力，將其應用于軟巖隧道，可有效控制隧道的大變形。

3" 預留變形量

圍巖本身具有一定的自承能力，從經濟合理的角度來考慮，隧道工程支護結構設計施工應優先發揮圍巖的這一能力，但同時也相應要產生一定的變形，施工中將設計開挖線適當擴大，給圍巖變形預留一定空間的做法稱之為隧道預留變形量法。位于陜西省漢中市境內的連城山公路特長隧道[6]，現場開挖時，發現巖體裂隙、褶皺非常發育，極易產生傾向坍落、擠壓大變形。現場開挖最初采用預留核心土法，在HK200b鋼架的支護下，施工過程中仍產生了嚴重的大變形，隧道最大沉降變形達到2.72 m，繼續施工風險極大。后續施工采用三臺階預留核心土法，加強支護強度并進一步增大預留變形量。在粉狀、碎裂狀、薄層狀、厚層或綠泥石片巖段隧道預留變形量分別取70～95、50～70、30～50、15～30 cm，并對各施工階段施工提出了變形控制基準，進一步改善了隧道大變形問題。從后續施工結果來看，合理預留變形量取得了較好的效果，有效緩解了隧道的大變形問題，保障了工程的安全高效施工。地處洱海東岸的某隧道[7]，地形以剝蝕構造低中山地貌為主，巖體完整性極差。現場布設了隧道監控測量系統，但由于軟巖隧道圍巖受力復雜，監測數據離散性較強，難以精準指導施工。經綜合考慮后，隧道施工決定采用合理預留變形量法，預留變形量以隧道拱頂下沉累計值的范圍作為合理取值的區間。頻數-沉降區間的柱形圖表明，拱頂沉降值近似正態分布，當設定預留變形量為25、30、35 cm時，其保證率分別為71.76%、80.00%、91.76%。基于現場監控測量和施工現場調查，兼顧考慮高保證率和超挖帶來的成本損失后，最終將預留變形量的范圍取為30～35 cm，在掌子面含水量少的區段取30 cm，含水量較大的區段則取35 cm。施工時再結合掌子面圍巖巖性的變化情況，對預留變形量做出進一步的合理調整，確保了隧道施工的安全順利進行。由此可見，合理設定隧道圍巖的預留變形量，可充分發揮隧道圍巖的自承能力，提高隧道施工的安全性，保障施工人員的安全。

4" 雙層初期支護

隧道施工時，除圍巖完全能夠自穩而無須支護外，都需及時施作支護。初期支護是永久襯砌的重要組成部分，既要與圍巖共同變形，又要有足夠的強度和剛度來抑制圍巖的過大變形。位于甘肅省隴南市的蘭渝鐵路兩水隧道[8]，巖體受構造運動影響大，軟弱巖體整體性極差，且處于極高地應力狀態。當初期支護采用單層時，發現噴射混凝土大范圍開裂、掉塊，部分鋼拱架扭曲、斷裂，初期支護結構侵限、拆換拱等情況頻繁發生。經現場試驗后決定采用雙層初期支護方案，第1層初支為全環設H175型鋼架，全環噴厚30 cm的C25混凝土，鎖腳采用長6 m的R32N自進式錨桿，在每榀拱架兩側邊墻大跨范圍內各增設3根9 m長的R32N自進式錨桿，對拱架進行鎖固，施工完第1層初期支護拱墻后，在仰拱封閉前利用鋪掛防水板臺架安裝第2層初期支護拱架，拱墻噴厚度為20 cm的C25混凝土，拱墻設I18型鋼架。監測結果表明，在第二層初期支護施作后，承受了一部分圍巖荷載，隧道拱頂下沉和拱腳水平收斂速率迅速下降趨于穩定，所有支護結構工作狀態良好，治理效果明顯。地處龍巖市龍門鎮境內的新考塘隧道，出口大段埋深淺，且處于強富水區，圍巖的變形穩定性問題較大。為確定現場施工時能否在拆撐前通過設置二次初期支護來減小拆撐過程對結構安全的影響，張俊儒等[9]根據現場實際地質情況，采用FLAC3D軟件建立了隧道出口最大跨度斷面的數值分析模型。對比分析了一次性施作60 cm厚的單層初期支護和先施作35 cm厚的一次初期支護，再施作25 cm厚二次初期支護方案的效果。結果表明，雙層初期支護對于拆撐過程安全性具有更好的控制效果，并為現場實測數據結果所證實。可見，在圍巖穩定性差的隧道施工中選擇采用雙層初期支護方案，能很好地控制隧道大變形，提高隧道的穩定性；另外由于不需再增加襯砌臺車，減少了綁扎鋼筋的工序，施工便利性也得到了增強。

5" 剛柔結合

隧道支護體系采用剛柔相結合的方式可有多種組合，如可適當釋放圍巖變形應力，降低支護體系承擔的圍巖壓力，支護體系采用柔性支護結構（如格柵鋼架）為主，再局部提高支護強度，達到剛性支護效果；如針對不同深度圍巖破壞存在差異的特點，采用分區域加固形成剛性承載圈，并在隧道外部設置緩沖層及可縮性支架，形成柔性加固圈。位于甘肅定西市境內的胡麻嶺隧道[10]，圍巖構成以膨脹性泥巖為主且地下水豐富，支護極易產生開裂。施工初期，采取了強支護手段，但花費高且進度慢。經綜合考慮，決定采取剛柔結合的支護方式，柔性支護部分采用格柵鋼架進行支護，其主要目的是給圍巖以膨脹通道，鋼架間距0.8～1.2 m，為減緩圍巖應力釋放速度，還采用了長度不小于5 m的長錨桿。為適當約束圍巖膨脹，現場還局部使用了剛性支護，每10 m段落中選擇2 m，將C25噴射混凝土改為C40模筑混凝土施工，厚度40 cm，以局部提高支護強度。此外，還通過施工縫減少膨脹力的傳導，每5 m設置一道環向施工縫，縫中填設聚乙烯泡沫塑料板作為緩沖結構，以減小圍巖不均勻的變形。從后續施工結果來看，采用剛柔結合的支護方式，加快了施工進度，減緩了工期壓力，降低了因不良地質產生的施工事故。位于西秦嶺中山區的木寨嶺隧道[11]，全長19 095 m，隧道最大埋深約700 m，最小埋深約40 m。隧道施工進行至嶺脊核心段后變形開始增大，初期支護開裂且掉塊非常嚴重。為進一步調整優化隧道支護參數，現場施工采取主動加固和改善圍巖的思路，總體遵循剛柔結合的設計原則，設計了錨、梁、噴和注聯合的支護體系方案，使支護具有一定的讓壓特性，在加固圍巖、提高圍巖自支承能力的同時，也允許圍巖在控制下適當發生變形以適應軟巖初期大變形的特點，有效解決了施工難題，確保了施工的順利進行。由此可見，結合現場實際施工情況，合理將剛柔結合的理念運用于工程施工中，可以有效解決大變形問題，保障施工安全。

6" 結束語

軟巖是我國交通基礎設施建設大規模往山地丘陵地貌地區推進過程中不可避免要面臨的一種地質條件，其大變形問題則是軟巖隧道施工的難題之一，對相關工程好的控制技術和經驗進行總結將大有裨益。本文結合代表性工程實例，從加強工程預報、錨桿施工控制、預留變形量、雙層初期支護和剛柔結合5個方面梳理總結了軟巖隧道施工大變形的有效控制技術、措施和理念，可為今后類似工程提供借鑒和參考。

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