張緒和

(中鐵十二局集團有限公司，山西太原 030024)

0 引言

云南地區(qū)位于歐亞板塊和印度洋板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原，地質構造復雜，新構造運動強烈，以活動斷裂規(guī)模大，分布密集，地震活動頻繁，震級大，地震破裂帶長，位錯量大為主要特征。受復雜的大地構造背景的影響，該地區(qū)隧道處于高地應力區(qū)，施工風險高、難度大，隧道施工過程中常出現(xiàn)較大變形和塌方等工程事故，嚴重制約隧道的施工安全和進度。位于該區(qū)域范圍內的成昆線擴能改造工程廣通—昆明段老東山隧道，施工過程中出現(xiàn)了嚴重的圍巖大變形，洞身左右側圍巖變形呈不對稱分布，初期支護噴射混凝土開裂、脫落，型鋼屈服。

本文針對廣昆線老東山隧道構造擠壓帶段的圍巖大變形問題，通過對隧道初期支護變形特征和原因進行系統(tǒng)分析，確定了控制圍巖變形的控制原則和具體控制措施。

1 隧道變形破壞特征與機理分析

1.1 水的影響大

初期支護變形開裂均受滲水或股水的影響，軟巖遇水泥化，無自穩(wěn)能力，并向開挖輪廓外延伸，作用于初支的壓力增大，初支總是從小變形開始，然后累積到一定的程度，在一處或者幾處關鍵部位首先產生破壞，進而導致整個支護系統(tǒng)失穩(wěn)。

1.2 變形大、距離長、比例高

圍巖下沉量大于收斂量，平均下沉量大于20 cm，最大下沉量可達45 cm，平均收斂量大于15 cm，最大收斂量可達40 cm;單次初期支護變形開裂最小距離均在15 m以上，變形開裂段落占施工段落比例超過35%，嚴重影響了施工安全和進度。

1.3 變形速度快

初期支護后下沉速率一般可達到30 mm/d、收斂速率一般可達到25 mm/d，特殊地質段下沉速率最大可達到70mm/d、收斂速率一般可達到48 mm/d，而且其變形速度降低緩慢。

1.4 突變幾率高

由于隧道沉降收斂速度高，在短時間內，圍巖強度降低，地壓隨時間增長，圍巖變形破壞發(fā)展迅速，圍巖與支護結構相互作用，導致薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生的突變幾率高。

1.5 破壞大

圍巖變形的破壞力大，突變易造成初期支護鋼架發(fā)生折曲，甚至折斷，變形開裂主要出現(xiàn)在線路右拱腰處，呈縱向開裂，隨時間推移出現(xiàn)環(huán)向開裂并不斷加劇。目前2號斜井正洞掌子面由于強大的圍巖應力，累計擠出位移4 m多，50 cm厚鋼筋混凝土封堵墻被完全破壞。

2 變形控制措施研究

2.1 變形控制原則

隧道開挖支護的全過程實質上是一個應力重分布從而達到一個新的應力平衡的過程，在這個過程中，初始原巖應力一部分由未開挖的巖體承擔，另一部分由支護結構承擔。在新奧法理論中，強調采用柔性支護，以使圍巖分擔較大的荷載，從而減小作用于支護結構上的荷載，但其前提條件是圍巖本身能夠承受足夠大的圍巖壓力，否則就有可能導致圍巖塑性區(qū)不斷擴大而最終失穩(wěn)破壞。對于處于高地應力條件下的軟巖隧道而言，一方面由于處于高地應力區(qū)，其初始原巖應力很大，另一方面巖體本身承載力極低，所能夠分擔的應力很小，單純采用傳統(tǒng)的“以放為主，先放后抗”的圍巖變形控制原則，勢必會導致圍巖極快的達到其屈服強度而失穩(wěn)破壞。

因此，對于高地應力軟巖隧道，必須改變傳統(tǒng)的“以放為主”的變形控制原則，采用“抗放結合，加強初支”變形控制原則，從提高圍巖及支護結構的承載力等多方面進行控制，施工過程中采取“寧強勿弱，寧補勿拆、巖變我變、及時封閉”的支護理念，通過提高初期支護的強度和剛度來控制隧道圍巖產生過大變形，同時通過預加固提高圍巖的承載力，并根據(jù)圍巖的變化特征及時動態(tài)調整支護參數(shù)，以達到對圍巖變形的有效控制。

2.2 變形控制措施

在總結經驗教訓的基礎上，經過多次研究，以通過圍巖量測和地應力測試為支撐，采用“剛性支護”作為控制變形的理念，堅持“快挖、快支、快閉合”的基本原則，并且配合多項針對性的輔助措施，對施工過程實施“動態(tài)管理”，實現(xiàn)變形開裂的長期有效可控。具體按“掌子面先行位移、掌子面擠出位移、掌子面后方位移、各臺階拱腳下沉和地下水對初期支護影響”等五個方面來進行控制。

2.2.1 掌子面先行位移控制

通過加密超前小導管縱、環(huán)向間距的方式控制掌子面先行位移，確保其位移值控制在總位移值的30%以內。小導管的長度和縱向間距由型鋼鋼架縱向間距確定，一般地段采用長度為3 m～3.5 m，1.2m ～1.8m 一環(huán)，環(huán)向間距30 cm ～40 cm;地質較差段落每循環(huán)施作超前小導管，小導管長度為3 m，1.2 m一環(huán);地質差異較大時，加密地質較差側的小導管環(huán)向間距，間距控制在25 cm～30 cm，此法的實施有效控制了掌子面的先行位移(見圖1)。

2.2.2 掌子面擠出位移控制

通過采用環(huán)向開挖預留核心土的方式控制掌子面擠出位移，確保其位移值控制在70 mm～100 mm。當位移值超出70 mm時，通過對掌子面實施鋼管支護和噴射混凝土封閉等方式控制擠出位移，具體采用 φ42注漿鋼花管，2.5 m/根，間距 100 cm ×100 cm，梅花形布置，兩循環(huán)打設一次，噴射10 cm厚C25混凝土封閉掌子面(見圖2)。

圖1 超前小導管控制先行位移

圖2 注漿鋼花管控制擠出位移

2.2.3 控制掌子面后方位移

通過采用大剛度鋼支撐、增加預留沉落量、非爆開挖、提高噴射混凝土強度等方式控制掌子面后方位移，確保其位移速度控制在20 mm/d。根據(jù)現(xiàn)場施工實踐，堅持按“快挖、快支、快閉合”的施工原則組織施工，盡可能縮短工序作業(yè)時間、減小作業(yè)循環(huán)總時間。

1)雙層鋼架支護法。

為有效控制初支變形開裂，經多次實踐和綜合比選，施工過程中，在地質差異大、擠壓扭曲嚴重、受地下水影響較大的地段采用了“雙層鋼架支護法”對初期支護進行加強(見圖3)。

“雙層鋼架支護法”是初期支護采用Ⅰ22b雙層型鋼鋼架，即在80 cm開挖范圍內設置兩榀弧長不同的型鋼鋼架，使初期支護形成內外兩層，既減小了鋼架的間距又增加了噴射混凝土的厚度。該方法由于工程量較大、工序復雜，僅在老東山隧道2號斜井正洞圍巖地質極為復雜、擠壓扭曲嚴重、富水地段使用，對變形的控制效果非常明顯。

2)大拱腳臺階法。

“大拱腳臺階法”是施工過程中通過分別在上、中臺階拱腳處設置擴大基礎的方式加強初期支護剛度，有效控制初支沉降，同時根據(jù)實際揭示地質情況適時增設“臨時仰拱”的一種施工方法。一般地段采用Ⅰ22型鋼鋼架，地質較差地段采用H175或Ⅰ22b型鋼鋼架，間距60 cm;將設計的單層連接筋調整為雙層連接筋同時增大鋼筋直徑和加強鎖腳。在老東山隧道進口試驗段施工中，對于地下水影響較小的復雜地質地段抑制圍巖及初支變形效果明顯(見圖4)。

圖3 雙層型鋼鋼架支護

圖4 大拱腳臺階法斜撐設計圖

3)液壓式松土器配合欠挖式爆破開挖技術。

通過“欠挖式爆破”配合松土器開挖的方式逐步替代全爆破開挖法，減少了超挖，降低了爆破對圍巖和支護結構的擾動;將噴射混凝土強度提高到C30，進一步增加了噴射混凝土的強度。通過上述施工工藝和支護參數(shù)的優(yōu)化，有效地控制了掌子面后方位移，效果較為明顯。目前14 d內支護閉合成環(huán)，掌子面與仰拱、二襯距離分別控制在30 m和60 m內(見圖5)。

2.2.4 各臺階拱腳下沉控制

通過調整鋼架連接板厚度、設置大拱腳、大鎖腳錨管、在拱腳處設置縱向連接系統(tǒng)等方式控制各臺階拱腳下沉，確保其下沉值小于拱頂下沉值。鋼架連接板厚度由14 mm調整為20 cm～25 cm，增加連接剛度強度;上、中臺階鋼架增設大拱腳，分散上部荷載;設置φ76鎖腳錨管，加大鎖腳的承載力;在鋼架拱腳設置Ⅰ14連接型鋼，加強了鋼架間的縱向連接。通過以上措施的綜合作用，增強了初期支護的整體抵抗作用，有效的控制了各臺階拱腳的下沉(見圖6)。

圖5 松土器配合開挖

圖6 實施大管棚鎖腳和縱向托梁加強支護

2.2.5 對地下水影響的控制

施工實踐證明，軟弱圍巖的強度受地下水的影響十分敏感，圍巖遇水后會發(fā)生顯著的軟化和泥化，主要表現(xiàn)在突發(fā)性和后發(fā)性兩個方面。根據(jù)專家意見，現(xiàn)場采取了預防為主的方式進行處理，對于突發(fā)性水的影響，主要采取定期進行水平鉆孔放水引流的方式處理;對于后發(fā)性水的影響，主要采取初期支護預埋鋼花管排水的方式處理;對地下水豐富的段落，中、下臺階采取分次落底的方式，有效降低了地下水對施工和支護結構的影響。

3 變形控制效果分析

針對老東山典型高地應力軟巖隧道，采用以上綜合動態(tài)控制技術，對老東山隧道大變形段從掌子面先行位移、掌子面擠出位移、掌子面后方位移和各臺階拱腳下沉等方面采取控制措施，取得了較好的變形控制效果。

圍巖變形值及變形速率。在變形控制技術實施前，老東山隧道進口典型地質地段的拱頂下沉和邊墻收斂曲線分別如圖7，圖8所示，采取措施后的拱頂下沉和邊墻收斂曲線分別如圖9，圖10所示。

圖7 采取措施前拱頂下沉—時間曲線

對比分析隧道進口典型地質段拱頂下沉及水平收斂數(shù)據(jù)可知，變形控制技術實施前，隧道拱頂最大下沉速率為70 mm/d，最大收斂速率48 mm/d，累計下沉和收斂分別為42 cm，30 cm;變形控制技術實施后，拱頂最大下沉速率減為36 mm/d，最大收斂速率減為30mm/d，累計下沉和收斂分別減為24 cm，18 cm。通過對施工方案和變形控制措施的優(yōu)化，隧道圍巖及初支變形得到了有效的控制，雖然在施作仰拱和滲水段圍巖變形仍會有一定的波動，但圍巖變形在可控范圍內。

4 結語

1)通過高地應力軟巖隧道變形特征的分析，確定了其變形機理，高地應力軟巖隧道產生大變形的主要原因是由于高地應力作用下軟弱圍巖超過其屈服強度而產生塑性擠出引起的，而地下水的存在又進一步降低了軟巖的屈服強度。

圖8 采取措施前周邊收斂—時間曲線

圖9 采取措施后拱頂下沉—時間曲線

圖10 采取措施后周邊收斂—時間曲線

2)高地應力軟巖隧道應采用“抗放結合、寧強勿弱、寧補勿拆、巖變我變、及時封閉”的支護理念，通過提高初期支護的強度和剛度來控制隧道圍巖產生過大變形，以達到對圍巖變形的有效控制。

3)提出了超前加固，封閉掌子面，采用雙層初支，擴大拱腳等具體變形控制措施，較好的控制了隧道圍巖的變形，保證了隧道的施工安全，在老東山隧道工程實踐中取得了良好的變形控制效果，保證了隧道的施工安全。

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