李小坤

(昆明鐵路局，昆明 650011)

0 引言

隨著我國基礎建設事業(yè)的高速發(fā)展，我國的公路工程、鐵路工程和地下工程迅猛發(fā)展，長大隧道也越來越多。在隧道施工過程中常會遇到軟弱圍巖，而圍巖變形開裂是地下工程中危害極大的一種地質(zhì)災害。掌握軟弱圍巖隧道施工技術對變形的影響，展開切實可行的支護技術研究，對保證隧道工程的順利施工有著非常重要的意義。關于隧道軟弱變形的研究很多，文獻［1－2］主要介紹了隧道軟弱圍巖變形的理論研究;文獻［3－7］主要介紹了隧道穿越復雜條件下控制圍巖穩(wěn)定性的措施;文獻［8－13］分別介紹了斷層、千枚巖大變形、順層偏壓軟巖、高地應力引起的變形等施工技術;但對隧道穿越滇中紅層這一特殊地質(zhì)條件下的變形研究不多，廣昆線老東山隧道穿越典型的滇中紅層地層，隧道在施工過程中多次出現(xiàn)了初期支護變形開裂現(xiàn)象，本文通過對施工過程中地質(zhì)超前預報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、隧道初期支護變形開裂的規(guī)律和原因進行系統(tǒng)分析，在參考現(xiàn)有研究成果的基礎上，有針對性地調(diào)整支護參數(shù)等，成功地解決了隧道施工中的變形開裂問題。

1 工程概況

根據(jù)區(qū)域性地質(zhì)勘察報告，滇中紅層分布于金沙江以南，哀牢山以東，祿豐董戶村以西的云南大部分地區(qū)。該地區(qū)地處青藏高原邊緣，新構造運動強烈，斷層構造發(fā)育，地震活動極為頻繁，加之降水集中，地質(zhì)災害頻發(fā)。成昆線擴能改造工程廣通至昆明段(簡稱廣昆鐵路)老東山隧道地處云貴高原西部，途經(jīng)地質(zhì)較為復雜的滇中紅層地區(qū)。隧道全長7 578 m，其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖長度分別為3 120，2 700，1 758 m，隧道穿越老東山F4斷層、官村至白云寺F2斷層和哨村F1斷層。隧道最大埋深約370 m，是廣昆線的重點控制工程，隧道施工風險等級極高。

老東山隧道所處地層上臺階為灰黃、灰綠夾紫紅色砂巖夾泥巖，薄至中厚層狀，泥質(zhì)、細粒結構，泥巖、砂巖均為泥質(zhì)膠結，屬軟質(zhì)巖，強風化與弱風化相間，砂巖以強風化為主(呈碎塊狀)，泥巖為全風化(呈土狀);中下臺階巖體為灰黃夾紫紅色泥巖、砂巖互層，薄至中厚層狀，泥質(zhì)膠結，屬典型的滇中紅層地層。

老東山隧道在歷時近4 a的施工過程中，受異常復雜工程水文地質(zhì)條件的影響，先后遭遇塌方1次，突水涌泥3次，變形、開裂30余次。

2 老東山隧道初期支護變形開裂特征與規(guī)律分析

老東山隧道在施工過程中初期支護出現(xiàn)了多次變形、開裂現(xiàn)象，針對開裂情況，通過分析施工過程中隧道周邊變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及其與施工工序、施工時間的相互關系，歸納分析出老東山隧道圍巖變形特征。隧道裂紋展開情況見圖1。

圖1 裂紋展開圖Fig.1 Crack of the tunnel

2.1 圍巖量測數(shù)據(jù)顯示的5種關系

1)變形與工序的關系。上臺階開挖當天變形量為2～4cm，初期支護施工完畢后為1～2cm/d;下臺階開挖當天，水平收斂較大，達到3 cm左右，初期支護施工完畢后保持在1～2cm/d;仰拱開挖當天變形在3cm左右，仰拱混凝土施工完成后保持在5～8 mm/d。中下導坑落底對拱部的變形有較大影響。

2)變形與噴射混凝土的關系。變形量達15 cm時，噴射混凝土表面可見裂縫(中導坑最為明顯)，20 cm時局部剝落，30 cm以上時大塊剝落(見圖2)。

3)變形與鋼架的關系。使用單層I20b型鋼鋼架，變形量達23cm時，鋼架局部變形;變形量達27cm時，鋼架局部扭曲(見圖3);變形量達43 cm以上時，鋼架局部折斷，墻部收斂值大于拱頂下沉值。使用單層I22b型鋼鋼架，變形量達25 cm時，鋼架局部變形;變形量達30 cm時，鋼架局部扭曲;變形量達46 cm以上時，鋼架局部折斷(見圖4)。使用雙層I22b型鋼或單層H200型鋼鋼架支護，變形量達28 cm時，鋼架局部變形凸起。目前為止，無鋼架扭曲或折斷現(xiàn)象。

4)變形與時間的關系。初期支護完成后，若17 d內(nèi)不及時施作二次襯砌，初期支護變形面積將隨時間延長不斷擴大，造成侵限，大多需要拆除重做。

5)變形與施工的關系。掌子面開挖對后方10～15 m范圍的初期支護變形影響較大;下半斷面拉槽開挖對初期支護變形的影響一般局限于拉槽開挖長度內(nèi);中下導坑落底或仰拱開挖施工時，初期支護變形量明顯增加;已施工的部分段落在仰供和二次襯砌施作完成后，附近的初期支護仍然無法快速穩(wěn)定(見圖5)。

圖5 二次襯砌完成后，端頭附近初期支護開裂嚴重Fig.5 Serious crack of primary support

2.2 施工工序間銜接對變形的影響

1)上、下臺階間距對變形的影響。主要表現(xiàn)在能否及時將下臺階施工，以及能否及時將仰拱施工完畢后形成封閉的整體受力結構。

2)仰拱與下臺階間距對變形的影響。仰拱封閉成環(huán)后，初期支護形成整體受力結構，抵抗圍巖變形的能力大大增強，由仰拱成環(huán)前的1～2 cm/d減少到仰拱成環(huán)后的5～8mm/d。也就是說，如果提前1 d將仰拱封閉成環(huán)，則每天可將圍巖初期支護的變形減少1/2(10 mm)左右。

3)二次襯砌與掌子面間距對變形的影響。距離越遠，則變形時間越長，總變形量就越大;距離越短，則變形時間就越短，總變形量就越小。但是二次襯砌混凝土施工太早，二次襯砌混凝土承受的圍巖壓力較大，對二次襯砌結構的受力產(chǎn)生不利影響。

2.3 變形開裂的特征

1)變形量大。老東山隧道進口工區(qū)拱頂最大下沉量32 cm，邊墻最大收斂量41 cm;平均下沉和邊墻收斂均在15 cm以上的段落有166 m。2#斜井工區(qū)拱頂最大下沉量45cm，邊墻最大收斂量65cm;平均下沉在15 cm以上的段落共227 m，邊墻收斂在15 cm以上的段落共411 m。

2)變形開裂的段落長、比例高。老東山隧道進口2008年9月13日至2010年4月17日施工1 003 m，發(fā)生的變形開裂段落長達309 m，達31%;2#斜井自2009年3月17日至2010年5月13日施工576 m，發(fā)生的變形開裂段落長達196 m，達34%。

3)變形開裂出現(xiàn)時間早、持續(xù)時間長。老東山隧道2#斜井工區(qū)一般發(fā)生在初期支護完成2～3 d后，局部明顯出現(xiàn)裂紋，持續(xù)時間達到16 d時，情況會較為嚴重，易出現(xiàn)侵限;進口工區(qū)一般在初期支護完成5～7 d后，變形速率較快且持續(xù)時間較長。

4)變形開裂部位較為集中。大部分變形開裂首先出現(xiàn)在線路右側拱部或拱腰偏下處，呈縱向開裂;隨著時間的推移，出現(xiàn)環(huán)向開裂并不斷加劇。

5)安全距離要求高。仰拱和二次襯砌與掌子面之間的安全距離要嚴格控制在30～50 m，一旦拉大距離，出現(xiàn)變形開裂導致?lián)Q拱的可能性就極大。

3 老東山隧道初期支護變形開裂原因分析

對于軟弱圍巖隧道施工發(fā)生的初期支護變形開裂問題，其產(chǎn)生的原因是多樣的，綜合分析老東山隧道所處的地層條件及變形的分布特征，可以確定其產(chǎn)生大變形的原因主要有以下幾個方面。

3.1 巖性因素

滇中紅層是一種軟—半堅硬特殊性巖組，這一砂泥質(zhì)巖組多鈣泥質(zhì)膠結，富含芒硝、石膏和巖鹽，含可溶鹽泥巖，遇水易崩解和濕陷，同時含鹽泥巖夾層。該巖層具有一定的膨脹性，其膨脹變形率可達12%;特別是干濕交替頻繁的環(huán)境下，巖體更易風化變形破壞，浸水后黏聚力和內(nèi)摩擦角急劇下降，大變形擴容松動和水浸泡后的滑動帶的黏聚力可衰減至0;在充水飽和后體積不變的條件下，膨脹壓力可高達130 MPa。在這種膨脹壓力的作用下，極易導致隧道初期支護變形開裂。

3.2 地下水因素

現(xiàn)場調(diào)查表明，幾乎所有的初期支護變形開裂都伴隨著滲水的影響(見圖6)。其破壞過程是一個漸進的力學過程，總是從小變形開始，然后累積到一定的程度，在一處或者幾處關鍵部位首先產(chǎn)生破壞，進而導致整個支護系統(tǒng)失穩(wěn)、崩潰。已完成的初期支護段落在擱置大約7 d后，其背后的地下水開始活躍，初期支護表面開始潮濕，伴隨著變形開裂的發(fā)生，圍巖量測數(shù)據(jù)顯示，一般情況下，17 d內(nèi)初期支護一旦無法成環(huán)，鋼架將產(chǎn)生扭曲折斷直至侵限甚至坍塌。

圖6 變形開裂的前兆(初期支護表面大面積滲水)Fig.6 Portent of tunnel deformation and cracking:large area of water seeping on the surface of the primary support

老東山隧道以泥巖、砂巖和泥巖夾砂巖為主，各個掌子面的圍巖對水的敏感性很強，遇水后強度衰減得很快，直接導致的結果是突水、涌泥或局部的溜塌。掌子面及初期支護表面出現(xiàn)的滲水主要為基巖裂隙水，由于滇中紅層為軟弱巖類，其孔隙比較大，黏結力差，地下水容易在其中產(chǎn)生滲流。隧道開挖后，在地下水滲流作用下，極易產(chǎn)生滑塌和因軟巖強度降低造成的圍巖變形，對隧道支護結構產(chǎn)生較大壓力;而且地下水對結構面的軟化、泥化和潤滑作用，降低了結構面的抗剪強度，使圍巖發(fā)生大范圍的剪切破壞，或使巖體沿結構面發(fā)生剪切滑動，從而產(chǎn)生圍巖大變形。由于無法探明地下水的來源，施工過程中對于水的處理存在較大的盲目性。

3.3 地質(zhì)構造因素

老東山隧道地處3條逆沖斷層夾持的構造擠壓帶中，地層巖性復雜，砂巖和泥巖混雜，小斷層、褶曲、不整合面、順層滑動面和巖脈等各種不利結構面交錯發(fā)育，各部位巖性和完整性差異大，隧道開挖后掌子面極易產(chǎn)生掉塊和塌方。由于各種不利結構面交錯發(fā)育的影響，導致初期支護變形左右不對稱，使得圍巖變形更加難以控制。

3.4 其他因素

對變形開裂段進行現(xiàn)場調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)，老東山隧道變形還存在以下幾個方面的問題。

1)對掌子面揭示的圍巖狀況認識不清，對滇中紅層地質(zhì)潛在的安全風險認識不足，由此導致施工方案針對性不強。

2)由于對滇中紅層地質(zhì)的認知不足，對初期支護參數(shù)的選擇及支護結構的強度要求無法及時做出調(diào)整。

3)在施工工序安排上不夠緊湊。

4 老東山隧道變形控制原則與控制措施

4.1 軟弱圍巖隧道大變形控制方法

隨著軟弱圍巖大變形隧道的不斷增多，對大變形隧道的認識也不斷深化，提出了多種支護措施，在施工過程中采取的支護措施基本可以分為以下3大類。

1)剛性支護。這種支護措施的核心是通過加大支護結構的強度和剛度來抵抗巨大的圍巖壓力。支護材料一般為鋼材或木材。

2)可縮支護。這種支護的理論依據(jù)是當開挖引起的圍巖擴容(剪脹或遇水膨脹)不可避免時，允許圍巖發(fā)生適度的變形，這樣可以降低作用于結構上的支護壓力，從而減少超挖量并降低支護強度。

3)錨、注、噴一體化支護系統(tǒng)。該系統(tǒng)技術要點可以概括為:①開挖后及時支護，充分利用圍巖的自承能力。②初期錨噴支護應采用帶止?jié){塞的(鉆)錨、注一體化(自鉆式)注漿錨桿;混凝土噴層可以是素混凝土，也可以是鋼纖維混凝土，根據(jù)實際情況，還可以設置可縮式鋼架支撐。③二次襯砌應設置足夠強度的仰拱，并應為初期支護預留一定的變形量或在初期支護和二次襯砌之間設置變形層。

4.2 老東山隧道圍巖變形控制具體措施

在進行充分的文獻調(diào)研和理論分析的基礎上，針對老東山隧道的工程特點，確定了“以支為主，以讓為鋪，支讓結合”的支護設計原則。有針對性地采取一些控制措施，確保隧道變形開裂得到有效控制。

4.2.1 強化超前地質(zhì)預報工作

老東山隧道地質(zhì)條件復雜多變，為充分了解隧道工作面前方圍巖的變化情況，實際施工中采取多種超前地質(zhì)預報相結合的方法對老東山隧道的地質(zhì)情況進行了探測。具體包括超前水平鉆探20 000 m、地質(zhì)雷達探測3 000 m、TSP超前地質(zhì)預報5 200 m、高密度電法探測1 440 m，此外，地質(zhì)素描、超前加深炮眼等按照循環(huán)作業(yè)同步進行。

4.2.2 加強超前預支護及注漿加固

現(xiàn)場調(diào)查表明，幾乎所有的初期支護變形開裂都伴隨著滲水的影響，因此，為控制圍巖變形，保證施工安全，施工中加強了超前預支護及徑向注漿加固(見圖7)，尤其重視注漿的質(zhì)量，對錨桿(管)的施工從機具到注錨工藝都給予重視。徑向注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，注漿采用φ42鋼花管，長度5.0 m，間距1.0 m，梅花形布置，壓注水泥漿和水泥－水玻璃雙液漿，注漿壓力 0.5 ～1.2 MPa，水灰質(zhì)量比為 1∶1;具體漿液配比和注漿壓力可由現(xiàn)場試驗確定。通過對隧道周邊圍巖進行注漿加固，一方面可提高圍巖力學性能，另一方面可阻止地下水滲入隧道結構周邊圍巖區(qū)域，減少圍巖膨脹產(chǎn)生的膨脹壓力對支護結構的影響，從而減小圍巖的變形。

圖7 徑向注漿加固Fig.7 Radial grouting

4.2.3 調(diào)整初期支護參數(shù)

為了預防各種初期支護變形開裂險情，結合現(xiàn)場實際地質(zhì)狀況，對原設計的初期支護參數(shù)做了如下調(diào)整:預留變形量由13 cm調(diào)整為25～50 cm、將I18b或I20b型鋼鋼架在地質(zhì)較差地段調(diào)整為 I22b、I25b、H175或H200型鋼鋼架或4種類型鋼架配套使用(見圖8)、將單層網(wǎng)片調(diào)整為雙層網(wǎng)片、將單層連接筋調(diào)整為雙層連接筋同時增大連接筋的使用型號、實施擴大拱腳、將鋼架的14 mm厚連接鋼板調(diào)整為20～25 mm、實施φ76大鎖腳注漿導管等。

圖8 使用H200和I22b型鋼鋼架配套支護Fig.8 Installing H200 and I22b steel rib

4.2.4 改變開挖方式

在地質(zhì)條件允許的情況下，對中、下導坑的爆破開挖使用液壓錘代替(見圖9)，減少了爆破振動，有效地控制了變形開裂的不斷延伸，為后續(xù)仰拱和二次襯砌施工爭取了相對充足的時間。對滲水嚴重的段落，中下導坑分次進行落底，有效地降低了安全風險。

圖9 使用液壓錘施工Fig.9 Excavation by hydraulic hammer

4.2.5 控制各工序的施工時間

軟弱圍巖隧道施工中，各工序施工所占時間的長短不僅對施工進度有影響，還對控制變形有相當大的影響，施工過程中對各道施工工序的時間安排如下。

1)開挖工序時間安排。開挖作為隧道施工的一道工序，它包括超前小導管的施工、鉆眼、裝藥、連線和爆破，實際施工中，開挖一般需要4 h。

2)出碴工序時間安排。出碴包括上臺階扒碴和下臺階出碴2部分。為減輕人工勞動強度，上臺階扒碴采用挖掘機進行，因此，上臺階扒碴時掌子面是單工序作業(yè);下臺階出碴時上臺階可以進行拱部型鋼、鋼筋網(wǎng)、錨桿的施工，下部出碴與上臺階初期支護同時進行，因此，下部出碴不占用循環(huán)時間。出碴時間(實際為上部扒碴時間)在整個工序循環(huán)中占用時間較少，一般為1 h。

3)初期支護時間安排。初期支護是軟弱圍巖隧道施工的關鍵工序，在整個工序循環(huán)時間中占有重要比例。實際施工中，由于噴混凝土量較大，初期支護一般為7 h左右。

4)仰拱施工時間安排。仰拱施工是通過搭設棧橋進行的，雖對掌子面的開挖工序有干擾和影響，但它不占用整個工序循環(huán)時間。如果仰拱開挖后不及時封閉，會使邊墻型鋼長時間暴露、懸空，產(chǎn)生較大的拱頂下沉和邊墻收斂。因此，在施工中必須對仰拱施工的時間加以控制，一般情況下每循環(huán)仰拱施工時間控制在20 h左右(包括仰拱混凝土的灌注)。

5)二次襯砌施工時間安排。襯砌施工雖然不占用掘進工序的循環(huán)時間，但是，由于初期支護存在大變形，型鋼鋼架、噴錨網(wǎng)支護結構的剛度畢竟是有限的，不可能等到圍巖基本趨于穩(wěn)定后再進行混凝土襯砌。因此，施工中對混凝土襯砌仍然有施工時間的要求，這不僅是控制圍巖變形的需要，同時也是滿足施工進度要求的需要。一般情況下，完成一環(huán)(12 m)襯砌的施工時間為3 d(包括掛防水板、綁扎鋼筋、臺車對位、灌注混凝土、拆模等)。

4.2.6 控制各施工工序的間距

1)上、中、下臺階工序間距。間距的控制主要是根據(jù)在上臺階進行上部施工的安全距離要求決定的，并盡可能將上臺階縮短，以利于中、下部能盡快施工，在變形出現(xiàn)異常的情況下能及時將仰拱封閉形成整體受力結構。因此，上、中、下臺階工序的間距分別控制在5 m范圍內(nèi)，一方面保證上臺階施工時拱部有4～5 m的施工操作平臺;另一方面，保證上臺階開挖后3 d左右能夠施工中、下臺階，此時初期支護的變形量可控制在5～10 cm。

2)仰拱與下臺階間距。間距的控制主要是考慮下部施工要有一個操作空間和仰拱施工時能將挖掘機停放在下臺階平臺上，同時還必須考慮在仰拱施工前初期支護的總變形量不能太大。因此，仰拱與下臺階的間距控制在15 m范圍內(nèi)，一方面保證下臺階施工時有15 m的施工操作平臺;另一方面，保證下臺階開挖后在7 d左右能夠施工仰拱，此時初期支護的總變形量可控制在15～20 cm。

3)二次襯砌與掌子面間距。正常情況下，二次襯砌與掌子面安全距離應保持在30～50 m，一方面是保證仰拱施工掌子面到襯砌端頭有15 m左右的距離，可以充分利用這個空間進行防水板和二次襯砌鋼筋綁扎的施工;另一方面，保證上臺階在開挖后15～17 d能夠施工二次襯砌鋼筋混凝土，此時初期支護的總變形量可控制在25～30cm。特殊情況下，二次襯砌與掌子面的距離可階段性保持在15～30 m，為此需要拆除防水板鋪掛臺車。實踐證明在隧道變形發(fā)展到一定階段，適時施作二次襯砌對于控制圍巖變形是有效的。

通過對施工方法、施工工藝、施工組織進行改進，變形量得到了有效控制。

4.3 實施效果

1)調(diào)整初期支護輔助措施的應用效果。通過拱腳基礎擴大、調(diào)整縱向I14連接鋼架、“L”形鎖腳連接鋼筋和“U”形鎖腳連接卡以及“人”字形斜撐的使用，不僅加強鋼架間的縱向連接剛度，而且經(jīng)過改造后還可以加強鎖腳與鋼架間的連接，較好地控制了施工變形問題。通過對監(jiān)控量測資料的對比分析，調(diào)整后最大變形量為28 cm，解決了變形侵限問題。

2)對二次襯砌臺車進行改造的應用效果。通過對二次襯砌臺車與前方用于鋪掛防水板和施作二次襯砌鋼筋工作臺車進行“二合一”改造，為及時施作仰拱和二次襯砌創(chuàng)造了空間條件，實現(xiàn)了“各道工序長期保持均衡作業(yè)”的目的，有效地控制了隧道變形開裂二次襯砌問題，大大減少了施工中的安全風險。

通過對施工完畢的隧道二次襯砌結構進行長期的監(jiān)控量測，均未觀測到變形，表明初期支護參數(shù)調(diào)整后隧道結構是安全可靠的。

5 結論與討論

1)軟弱圍巖隧道施工中，首先要做到“五到位”，即:認識到位，措施到位，管理到位，人員到位，設備到位。同時應嚴格按照“先預報、管超前、控爆破、短進尺、早支護、快封閉、勤量測”的21字方針組織施工，它是軟弱圍巖隧道施工成敗的關鍵。

2)軟弱圍巖隧道地質(zhì)復雜、變化頻繁，只有做好超前地質(zhì)預報工作，準確掌握地質(zhì)情況，才能正確地選擇施工方案。

3)導致隧道圍巖產(chǎn)生大變形的因素很多，必須充分了解隧道產(chǎn)生大變形的主要原因，才能采取有針對性的控制措施。對于處于滇中紅層中的老東山隧道，其大變形是在巖性、地下水和地質(zhì)構造綜合作用下，因開挖卸荷和圍巖膨脹所導致的，因此注漿堵水對控制變形會產(chǎn)生良好的效果。

4)對于支護系統(tǒng)，要確保其有效性。應嚴格控制好鋼架的縱向間距，加強鋼架的縱向連接;按要求做好超前支護和鎖腳錨桿(管)，結合實際揭示圍巖的巖層產(chǎn)狀確定鎖腳錨桿(管)的角度，同時提高安裝焊接的質(zhì)量。噴射混凝土時要控制好噴射距離和角度，嚴防出現(xiàn)空洞;總之要確保支護系統(tǒng)的有效性。

5)無論采用哪種施工方法，軟弱圍巖隧道施工都應嚴格控制好施工步距，仰拱施工必須先行，要確保二次襯砌適當緊跟掌子面施工，安全距離任何時候不能超標。

6)不同的時空條件、外部環(huán)境、生產(chǎn)要素和管理能力，其所采取的變形控制方法是不同的。在軟弱圍巖隧道施工的過程中，只要對出現(xiàn)的各類問題采取有針對性的措施，才能夠確保隧道初期支護的變形開裂長期處于受控狀態(tài)，避免出現(xiàn)換拱和塌方事故。

7)建議針對滇中紅層地質(zhì)的獨特性，開展專項地質(zhì)勘察及研究，為工程設計、施工提供理論依據(jù)，對處于滇中紅層的各類工程(如橋梁基礎、高路塹邊坡防護等)有針對性地采取工程技術措施，確保施工及工程竣工后的安全。

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［13］ 劉招偉，王明勝，方俊波.高地應力大變形隧道支護系統(tǒng)的試驗研究［J］.土木工程學報，2010，43(5):111－116.(LIU Zhaowei，WANG Mingsheng，F(xiàn)ANG Junbo.In situ study of reinforcement systems for tunnels under high geo-stress and large deformation［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43(5):111 －116.(in Chinese))