軟弱破碎圍巖隧道大變形特征及控制措施研究

摘要：以楊郭園為工程背景，通過現場勘測，研究分析了受斷層破碎帶影響隧道發生坍塌的過程，并提出了坍塌處反壓回填、徑向注漿、增加支護強度，將開挖方法調整為三臺階七步開挖等塌方處治措施。現場監測結果表明，隧道鋼拱架應力及圍巖壓力值均在正常范圍內，隧道最大拱頂下沉量和邊墻收斂量分別為14.4mm和 13.6mm，隧道結構穩定，有效解決了軟弱破碎圍巖的大變形問題。

關鍵詞：軟弱破碎圍巖；坍塌；處治措施；三臺階七步開挖；現場監測

0" "引言

近年來，隨著交通網絡建設的快速發展并逐步向山區延伸，隧道工程也逐年增多[1]。在山區隧道建設中，經常會遇到地應力大、圍巖軟弱破碎、地質構造發育等復雜地質條件。地應力大、圍巖軟弱破碎的隧道開挖后，圍巖變形大、持續時間長，導致隧道支護結構應力不斷增大[2-3]。當應力超過圍巖和襯砌的承載力時，初期支護就會發生開裂，圍巖就會侵入隧道凈空，甚至發生重大工程災害，對隧道施工和建設者的安全構成巨大威脅。

軟弱巖體大變形一直是隧道科學研究中最難解決的問題之一。為此許多學者對軟弱巖體大變形進行了大量研究，并取得了豐碩成果。He等[4]采用改進的非連續變形分析方法，研究了老虎山隧道圍巖裂隙的演化規律及變形破壞機理。Luo等[5]對不同施工方案下的隧道變形破壞進行了原位測試，并采用反演分析方法模擬隧道在軟弱巖體中的縱向變形，得出了彈性模量和側壓力系數對隧道變形的影響程度。韓風雷等[6]采用數值計算研究了雙側壁導坑法和三臺階法條件下軟弱破碎圍巖隧道變形特征，確定了三臺階的適用性。祁文睿等[7]針對隧道穿越軟弱破碎圍巖面臨的塌方和突水等施工技術難題，提出了短進尺三臺階七步開挖法及注漿加固處治措施，并構建了監控量測技術體系。

上述研究成果為軟弱巖體大變形的防治提供了理論支持。然而由于地應力環境、地質結構條件和巖體特征的巨大差異，以往關于高地應力和軟弱巖體大變形的研究，并不完全適用于所有工程。本文基于楊郭園隧道穿越軟弱破碎圍巖段的變形破壞情況，提出了一套“預防為主、治理為輔”、效果檢驗相結合的圍巖大變形控制技術。

1" "工程概況

1.1" "地質特征

楊郭園隧道位于寧國市甲路鎮，楊郭園隧道起訖里程DK128+103.73-DK130+523.98，總長度2417.98m，為單洞雙線隧道。隧道最大埋深約185.72m，隧道進口至出口范圍縱坡為8.7‰的下坡。

隧道山坡及坳谷表層為Qel+dl粉質黏土，褐黃色，硬塑，夾少量礫石，層厚約0.5～1.5m。其下為Qel+dl粗角礫土，中密，層厚約0～2m。

下伏基巖為志留系下統霞鄉組（S1X）砂質泥質板巖、含炭質泥質板巖，灰褐-青灰色，全風化-弱風化，其中全風化多呈砂土狀，局部薄層分布。強風化節理裂隙較發育，巖體較破碎，層厚約8～22m。弱風化節理裂隙較發育，巖體較完整。洞身圍巖為砂巖夾砂質頁巖弱風化，節理裂隙較發育，巖體較完整。物探揭示，DK128+773～DK128+882段巖體較破碎，主要巖層產狀為100°∠28°、190°∠40°。

1.2" "隧道原支護設計

隧道采用復合式支護結構，圍巖變形主要通過超前小導管支護和初期支護來控制。其中，超前小導管長度為4.3m，周向距離為40cm，縱向距離為300cm，外插角度控制在5～12°，設置在襯砌拱部約120°范圍內。

隧道初期支護系統錨桿采用長度350cm的D25中空注漿錨桿，環縱間距為100cm×60cm。錨桿沿徑向呈梅花形設置，采用Φ8鋼筋網，網格間距為15cm×15cm。鋼拱架采用I20a工字鋼，間距60cm，噴C25混凝土26cm。防水層采用1.2mm EVA防水板、400g/m3無紡土工布。二次襯砌采用模筑C30鋼筋混凝土50cm。

2" "隧道圍巖變形及坍塌特征

2.1" "圍巖變形及坍塌破壞特征

隧道DK128+773～DK128+882段圍巖主要為三疊系劉家溝組（T1l）中厚層狀砂巖偶夾薄層泥質砂巖，中風化，較軟巖，較破碎，中厚層偶夾薄層狀結構。采用兩臺階環形預留核心土法開挖，隧道開挖至DK128+776處時，隧道發生大變形破壞，支護系統失效，并發生涌水現象。此外，由于持續的變形，隧道掌子面發生大面積坍塌。

隧道開挖5d內，拱頂沉降及拱腰收斂速率較大。隧道拱頂最大沉降量為660mm，最大沉降速率為37mm/d，隧道拱腰最大收斂值為553mm，最大收斂速率為42mm/d，圍巖變形量超出了施工規范限值120.0mm。同時，隧道變形主要集中在拱頂處，變形量超過預留變形量，造成侵限，嚴重影響隧道施工安全。

由于隧道圍巖松散、破碎和軟化，開挖過程中掌子面出現小規模涌水。同時出現鋼拱架變形、錨桿斷裂、超前小管破壞以及噴射混凝土開裂等破壞現象。在隧道圍巖持續變形破壞下，鋼拱架因過度彎曲而突然斷裂，開挖面前方松散圍巖坍塌到隧道內。坍塌發生后，支護系統的所有部件都遭到了徹底破壞。

為避免次生災害發生，立即采取了停止開挖、封閉塌方體、回填反壓土等應急措施。此次塌方的處理措施從兩方面入手：一方面是提高圍巖支護體系的承載力，關鍵是增強隧道圍巖物理力學性能，提高支護承載力。另一方面調整開挖方法，加強監測。

2.2" "圍巖變形及坍塌破壞原因

軟弱破碎圍巖是導致隧道圍巖大變形的主要因素。此外，地下水的軟化作用進一步加劇了圍巖的變形和破壞。在隧道初期支護結構完成時，圍巖變形仍處于快速增長階段，原支護方案強度不足以限制和防止圍巖的過度變形，無法承受巨大的圍巖壓力。因此隧道開挖后，圍巖和支護結構變形不斷加大，導致隧道發生坍塌事故。

3" "隧道坍塌處治技術

3.1" "前期處理

隧道坍塌發生后，首先停止開挖，對塌方體進行處理。通過噴射C20混凝土和鋼筋網片對塌方體進行封堵，形成整體受力體，使其均勻受力。再從隧道外運來碎石和土作為反壓回填土，回填到隧道面上，防止二次塌方的發生。反壓回填土有兩層，第一層采用人工壓實，以避免擾動，厚度為50cm，長度為5m，面積占隧道面的2/3。

3.2" "后期處理

3.2.1" "徑向灌漿

為提高圍巖的整體性穩定性，減少斷層破碎帶對圍巖的破壞，確定采用徑向注漿。具體工藝如下：將砂漿錨桿調整為φ50×4mm的注漿管，長5m，縱向間距120cm，每環25根。為保證漿液在動水條件下迅速凝結，在隧道拱部120°范圍采用水泥懸浮液-硅酸鈉雙漿漿液，其他部分采用普通水泥漿[8-10]。注漿順序為從上到下，從拱頂到兩側。徑向灌漿及支護示意如圖1所示。

3.2.2" "提高支護剛度

在改善圍巖物理力學性能的同時，需對隧道支護的承載能力進行提高，以確保施工安全[11-13]。為提高支護強度，對坍塌段支護參數進行調整。具體措施如下：將鋼拱架類型由I22a調整為I25b，間距60cm，將二次襯砌主筋由原來的φ22鋼筋調整為φ25鋼筋。

3.2.3" "挖掘方法調整

塌方發生前，在塌方段采用上下臺階預留土法開挖。為避免塌方等災害再次發生，對開挖方法進行了調整，確定采用三臺階七步開挖法。三臺階七步開挖法預留核心土的坡度設計為5：1，上層核心土的高度為3m，下層核心土的高度為4m。采取這種方法雖然延長了工期，但有利于隧道工作面的穩定。

此外，為確保施工安全。還采取了縮短工序間隔時間、調整各工序順序、及時施工倒拱、初期支護緊貼隧道工作面等措施。

4" "現場施工監測

4.1" "隧道監測布置

為分析隧道大變形處治措施的效果，將大變形位置DK128+778作為監測斷面，對圍巖變形及鋼拱架應力進行監測。監測參數主要包括拱頂沉降、邊墻收斂變形和圍巖壓力。拱頂沉降監測點有3個，均位于上臺階，邊墻收斂變形監測點對稱布置在隧道兩邊墻上，形成兩條監測線，分別為監測線1和監測線2。圍巖與初期支護之間的接觸壓力采用壓力傳感器監測，監測段共分布有7個壓力傳感器，編號分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7，分別位于左拱腳、左拱腰、左拱肩、拱頂、右拱肩、右拱腰、右拱腳。

4.2" "監測結果及分析

4.2.1" "圍巖變形

DK128+778監測斷面圍巖變形監測曲線如圖2所示。由圖2可以看出，掌子面上臺階開挖后，圍巖變形緩慢增加。隨著隧道圍巖裂隙中注漿漿液強度的逐漸增加，圍巖的穩定性也逐漸增強。上臺階開挖后第17d，監測斷面的拱頂沉降和邊墻收斂變形基本穩定。3個拱頂沉降監測點的變形量分別為13.3mm、14.4mm和12.8mm。監測線1位置處的邊墻收斂變形約為13.6mm，監測線2位置處的邊墻收斂變形約為11.9mm。

4.2.2" "圍巖壓力

圍巖壓力的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，7個監測點的圍巖壓力均在短時間內急劇增長，并逐漸趨于穩定。圍巖未形成應力集中區，最大壓力約為122.8kPa。二次襯砌施工完成后，圍巖壓力和鋼拱架應力變化不大，表明隧道結構基本穩定。

5" "結束語

本文以楊郭園為工程背景，通過現場勘測，研究分析了受斷層破碎帶影響隧道發生坍塌的過程，提出了相應塌方處治措施，并對現場進行監測。得到如下成果

斷層破碎帶是誘發隧道圍巖坍塌的主要因素，隧道塌方段圍巖變形特征受斷層破碎帶控制，主要特征有變形速度快、變形量大、變形時間長、穩定性差和變形不協調等。

提出的坍塌處治措施主要包括4個：一是坍塌處反壓回填，二是徑向注漿，三是增加支護強度，四是將開挖方法調整為三臺階七步開挖法。

根據現場監測結果可知，隧道圍巖壓力值均在正常范圍內，且隧道最大拱頂下沉量和邊墻收斂量分別為14.4mm和 13.6mm，有效控制了隧道圍巖變形，驗證了坍塌處治措施的有效性和合理性。

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