王瑛楠，肖本利

（中國中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州475001）

木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖地段大變形控制技術(shù)

王瑛楠*，肖本利

（中國中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州475001）

由于蘭渝鐵路木寨嶺隧道受高地應(yīng)力軟弱圍巖及斷層帶地質(zhì)的影響，施工過程中圍巖擠壓變形顯著，空間移位較大，變形周期長。為杜絕變形帶來的有害因素，確保隧道長久安全性，迫切需要對高地應(yīng)力軟巖地段大變形控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，并形成有效控變形理念。通過借助以往軟弱圍巖隧道施工控變形成功經(jīng)驗，以蘭渝鐵路木寨嶺隧道施工變形情況為例，采用新奧法施工原則，并按小工作面施工法、先柔后剛、應(yīng)力釋放、分階段加強(qiáng)支護(hù)、多層支護(hù)等設(shè)計理念有效的控制了圍巖大變形。

高地應(yīng)力軟弱圍巖；大變形；新奧法施工；控變形理念

隨著國內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國鐵路行業(yè)也在突飛猛進(jìn)，鐵路隧道施工更是日新月異，針對不同地質(zhì)情況下的重難點隧道我們都在努力去克服，特別是對于一些軟弱圍巖隧道的施工，經(jīng)過多年的研究和實踐，各方面也都取得了巨大的成就，已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗和理論方法，逐漸形成了具有中國特色的軟弱圍巖隧道施工方法體系，并在推廣和應(yīng)用中，先后在烏鞘嶺特長隧道［1］、蘭渝鐵路毛羽山隧道［2］、宜萬線堡鎮(zhèn)隧道［3］等施工過程中產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，成功地控制了圍巖大變形。但因軟弱圍巖隧道的施工千變不一，各有特色，想一塵不變的使用某種工法并不是可行。

通過總結(jié)和學(xué)習(xí)我國軟弱圍巖隧道施工技術(shù)的理論知識和實踐經(jīng)驗，本文將以木寨嶺隧道3#、4#斜井管轄段施工為例，對高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道控變形技術(shù)做詳細(xì)論述，根據(jù)實例找到既能達(dá)到控變形效果保證工程質(zhì)量，又能提高工程進(jìn)度的施工工法及相關(guān)控制措施。

1　木寨嶺隧道工程概況

木寨嶺隧道位于甘肅省定西市漳縣和岷縣交界處，為雙洞單線分離式特長隧道，全長19.02km，洞身地質(zhì)條件非常復(fù)雜，隧道洞身共發(fā)育11個斷裂帶，穿過3個背斜及2個向斜構(gòu)造，屬高地應(yīng)力區(qū)，極易變形。隧道洞身穿越的板巖及炭質(zhì)板巖區(qū)，占全隧的46.53%，總計各類軟巖段長約16.1km，占隧道長度84.47%，極易發(fā)生圍巖滑坍，施工難度很高。

2　木寨嶺隧道圍巖及變形情況

2.1開挖揭示圍巖情況

大部分圍巖開挖揭示地層巖性為二疊系板巖夾炭質(zhì)板巖，圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理極發(fā)育，巖體極破碎，層間結(jié)合差，整體穩(wěn)定性差。

2.2變形情況

受圍巖地質(zhì)的影響，自隧道施工至F14-1斷層帶時圍巖極其破碎，現(xiàn)場每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于0.7m，采用人工進(jìn)行開挖，1d只能施作1循環(huán)；當(dāng)初期支護(hù)完成后經(jīng)常出現(xiàn)噴射混凝土開裂、掉塊、拱架扭曲變形等情況，量測數(shù)據(jù)顯示拱頂下沉速率平均能達(dá)到90mm/d，累計平均能達(dá)到800mm，收斂速率平均能達(dá)到160mm/d，單側(cè)收斂累計值能達(dá)到1800mm；當(dāng)二次襯砌施作后，部分地方還出現(xiàn)開裂、甚至出現(xiàn)砼脫落、鋼筋扭曲等現(xiàn)象。

（1）開挖過程中圍巖極不穩(wěn)定，且受變形影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形明顯，初期支護(hù)出現(xiàn)侵限，二次襯砌出現(xiàn)開裂。見圖1、圖2。

（2）初期支護(hù)量測統(tǒng)計情況見圖3、圖4。

3　木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖控變形理念

根據(jù)軟弱圍巖變形情況，并依據(jù)控變形成功理念和國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，逐步確定了木寨嶺隧道施工控變形的理念。在新奧法施工的基礎(chǔ)上，采用了小工作面施工法、先柔后剛、應(yīng)力釋放、分階段加強(qiáng)支護(hù)、多層支護(hù)等措施，有效地控制了圍巖大變形。

3.1新奧法組織施工原則

自我國隧道行業(yè)引入新奧法施工以后，效率在提高，科技在創(chuàng)新。因此對于軟弱圍巖的施工來說第一步必須做好的就是按新奧法的原則組織施工。

圖1　初期支護(hù)收斂變形圖

圖2　襯砌開裂圖

圖3　水平收斂縱向曲線圖

圖4　收斂速率時間曲線圖

（1）堅持短進(jìn)尺、少擾動；

（2）早封閉，減少圍巖松動造成的空間位移；

（3）關(guān)鍵部位支護(hù)加強(qiáng)，增加應(yīng)力抵抗與圍巖應(yīng)力相吻合，達(dá)到有效的承載體。

3.2小工作面施工工法

通過上述介紹來說，受高地應(yīng)力影響后的軟弱圍巖穩(wěn)定性極差，在開挖方法的選擇上必須合理，按新奧法理論來說采用大面積開挖可適當(dāng)減少圍巖的擾動，但對于木寨嶺隧道凈空9m（寬）×11m（高），當(dāng)一次開挖斷面較大時，暴露圍巖就會較多，自穩(wěn)能力極低，發(fā)生坍塌現(xiàn)象就會增多。

圍巖坍塌后不僅安全質(zhì)量得不到保障、變形得不到控制，還會影響現(xiàn)場施工進(jìn)度，一般坍塌現(xiàn)象發(fā)生后，現(xiàn)場作業(yè)人員須及時撤離現(xiàn)場，渣體穩(wěn)定后進(jìn)行封閉，緊接著采取相應(yīng)加固措施穩(wěn)定后，處理塌方體，處理完塌方體后方可恢復(fù)掌子面施工。

3.3“先柔后剛、先放后抗”思想

“先柔后剛”是指支護(hù)結(jié)構(gòu)為柔性支護(hù)，由鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、鋼架及錨桿構(gòu)成；二襯鋼筋混凝土面板為剛性支護(hù)，以承受殘余的地層荷載?！跋确藕罂埂笔侵赋跗谥ёo(hù)完成后允許發(fā)生一定程度的變形，達(dá)到設(shè)計預(yù)留變形量后再施作二次模筑。

3.4高地應(yīng)力釋放設(shè)計理念

（1）根據(jù)“先柔后剛、先放后抗”的指導(dǎo)思想，我們必須要將圍巖本身蘊(yùn)藏的高地應(yīng)力進(jìn)行釋放，可怎么釋放，釋放到何種程度，是關(guān)鍵所在。目前有2種理論的施工，國內(nèi)外都獲得了比較成功的案例，一種是先行釋放理論，意思就是采用先行導(dǎo)坑法釋放部分圍巖應(yīng)力，釋放穩(wěn)定后擴(kuò)挖成型，進(jìn)行抵抗；另外一種就是邊放邊抗理論，意思就是預(yù)留適當(dāng)預(yù)留變形量，讓圍巖應(yīng)力得到相應(yīng)釋放，但在釋放一定程度時，即預(yù)留變形量可控范圍之內(nèi)，開始加強(qiáng)支護(hù)，抵抗剩余圍巖應(yīng)力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于平衡。2種理念代表方法：

①先行導(dǎo)坑法：即先掘進(jìn)比較長的導(dǎo)坑，通過位移釋放一部分初始地壓，可減輕作用在擴(kuò)挖的支護(hù)構(gòu)件中的應(yīng)力。概念上是通過導(dǎo)坑發(fā)生先行位移，結(jié)果是推遲了支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置時間，從而減輕了作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的地壓。采用此方法時，導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)可以在保證安全質(zhì)量可靠的情況下進(jìn)行減弱，因為通過應(yīng)力釋放后須重新擴(kuò)挖進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，這樣的話支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力明顯減小，才能達(dá)到控變形效果。

②加大預(yù)留變形量，采用邊放邊抗的理論：當(dāng)圍巖應(yīng)力重新組合時，必定要釋放一定地應(yīng)力并重新組合，加大預(yù)留變形量就是為了預(yù)留釋放地應(yīng)力時產(chǎn)生的位移空間，但釋放的同時應(yīng)力在重新組合，為了充分發(fā)揮圍巖自身的承載性，就必須在釋放的同時加強(qiáng)柔性支護(hù)，使支護(hù)與圍巖形成一體，形成穩(wěn)定的橢圓形軸比。該方法實施過程中應(yīng)采用邊放邊抗的原則，必須加強(qiáng)支護(hù)，并實時分階段增加補(bǔ)救措施。保證在二次襯砌施作前支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定，并不侵入二次襯砌凈空，達(dá)到控變形效果。

（2）2種工法如何選用：因2種工法都有統(tǒng)一的目標(biāo)，那就是釋放圍巖應(yīng)力，但因工法不同各具特色、各有制約。

①加大預(yù)留變形量并加強(qiáng)支護(hù)措施，通過邊放邊抗的原則施工，一般是圍巖應(yīng)力較大，在釋放到一定程度上可以采用多重支護(hù)加強(qiáng)措施進(jìn)行抵抗，使之達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，現(xiàn)場進(jìn)行采用。但該工法必須要求圍巖應(yīng)力釋放到一定程度，并且施作后能達(dá)到穩(wěn)定才行。

②超前導(dǎo)坑法施工，則是當(dāng)圍巖應(yīng)力相當(dāng)大，采用上述增大預(yù)留變形量并加強(qiáng)支護(hù)措施已不能完全抵抗圍巖開挖后的較大應(yīng)力時，現(xiàn)場進(jìn)行采用。但該工法必須在保證安全、經(jīng)濟(jì)的條件下，盡最大程度上去釋放地應(yīng)力，釋放一定程度后繼續(xù)采用上述邊放邊抗的方法，通過加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，抵抗殘余圍巖應(yīng)力，使柔性支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）上述2種方法現(xiàn)場實施效果：

①以DK181+365-345段初期支護(hù)為例，現(xiàn)場采用加大90cm的預(yù)留變形量+雙層支護(hù)的方法，量測情況顯示DK181+350處上臺階未施作雙層支護(hù)前變形速率平均35mm/d，采用雙層支護(hù)后變形速率明顯減小至10mm/d以下，且襯砌施作前已減小至0.2mm/d，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這說明該段采用該工法，圍巖應(yīng)力得到釋放，變形得到控制。

②以DK181+275～255段初期支護(hù)為例，在上述工法的基礎(chǔ)上采用先行導(dǎo)坑法釋放部分地應(yīng)力，實施后，擴(kuò)挖的初期支護(hù)變形明顯減小，且能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5分階段加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，控制有害變形

受高地應(yīng)力軟弱圍巖的影響，山體蘊(yùn)藏的地應(yīng)力不論是采用哪種工法來釋放，釋放的都只是一部分，殘留的仍須加強(qiáng)柔性支護(hù)來抵抗。施工過程中的柔性支護(hù)是分階段施工，并非一次成型，存在的薄弱環(huán)節(jié)較多。為了在時間和空間上將圍巖應(yīng)力盡可能的釋放，就必須分階段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，減少有害變形，通過逐級消弱圍巖應(yīng)力的方法使柔性支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)木寨嶺隧道變形情況分析，我們分階段采取了如下措施，并獲得了較為顯著的效果。

3.5.1全環(huán)采用H175型鋼拱架，并減小間距

通過增加拱架強(qiáng)度、減小拱架間距后，初期支護(hù)變形有所減小，得到了部分抵抗。

3.5.2增設(shè)錨桿支護(hù)

通過增設(shè)錨桿，現(xiàn)場拱架連接處變形有所減小，起到了削弱圍巖應(yīng)力的作用。

3.5.3徑向注漿加固

當(dāng)圍巖坍塌、松動，或初支變形較大時，采用拱墻徑向注漿加固措施，初支變形有所改善，適用于這種軟弱圍巖施工，但因單獨注漿會影響現(xiàn)場施工，須將該作業(yè)納入正常工序中。

3.5.4橫撐支護(hù)

臺階薄弱處有害變形得到有效抑制。

3.5.5采用控變形拱架

采用異形控變形拱架后，拱架基本能保證順接，未出現(xiàn)薄弱地段外凸現(xiàn)象，控變形有所改善，作用明顯。

3.6采用多重支護(hù)確保柔性支護(hù)穩(wěn)定

為了達(dá)到柔性支護(hù)的穩(wěn)定，當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放到一定程度后，現(xiàn)場通過上述階段性的加強(qiáng)措施，一定程度上削弱了圍巖應(yīng)力，但因剛度不夠，上述理念也只能是暫時性，迫切需要施作多重支護(hù)來抵抗這種殘留的較大圍巖應(yīng)力。相比之下多重支護(hù)也是階段性的加強(qiáng)支護(hù)，只是階段性不同。本方法的概念是一次支護(hù)發(fā)生屈服，但因設(shè)置二次支護(hù)，地壓和支護(hù)反力得到平衡。3.6.1已有的技術(shù)理論

①董方庭提出圍巖松動圈理論，其基本觀點是：松動圈越大，收斂變形越大，支護(hù)越困難，因此，支護(hù)的目的在于防止圍巖松動圈發(fā)展過程中的有害變形。②何滿潮提出關(guān)鍵部位耦合組合支護(hù)理論，認(rèn)為：復(fù)雜巷道支護(hù)要分為2次支護(hù)，第一次是柔性的面支護(hù)，第二次是關(guān)鍵部位的點支護(hù)。

3.6.2柔性支護(hù)穩(wěn)定情況對比

（1）以DyK181+930處為例，該處采用單層初期支護(hù)，剛性支護(hù)未施作前，初期支護(hù)變形不穩(wěn)定，速率大于5mm/d，且已侵入剛性支護(hù)凈空，現(xiàn)場進(jìn)行了拆換拱施工，拆換拱后支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定時，進(jìn)行了二次襯砌施作。

（2）以DK181+430為例，該處采用雙層初期支護(hù)，剛性支護(hù)施作前，初期支護(hù)已趨于穩(wěn)定，變形速率小于0.2mm/d，且未侵入剛性支護(hù)設(shè)計凈空，未出現(xiàn)拆換拱施工。

3.6.3剛性支護(hù)穩(wěn)定情況對比

（1）單層初期支護(hù)，在穩(wěn)定后施作二次襯砌，二次襯砌內(nèi)埋設(shè)接觸壓力計，進(jìn)行壓力測定。

（2）雙層初期支護(hù)段，二次襯砌內(nèi)埋設(shè)接觸壓力計，進(jìn)行壓力測定，數(shù)值明顯減小，與單層支護(hù)相比縮小將近10倍。

圖5　二次襯砌接觸壓力測定（DyK181+930）

根據(jù)上述對比情況來看，增強(qiáng)柔性支護(hù)后，一方面控制了有害變形的發(fā)生，穩(wěn)固了支護(hù)體，杜絕了拆換拱施工；另一方面減弱了后期釋放的圍巖應(yīng)力，為后期剛性支護(hù)提供安全防護(hù)。

3.6.4雙層支護(hù)施作時機(jī)

雖然雙層支護(hù)控變形效果較好，但施作時機(jī)卻尤為重要，根據(jù)圍巖應(yīng)力釋放所需時間和空間的影響，雙層支護(hù)須在滯后下臺階3～5榀拱架整體施作，且應(yīng)在開挖15d后進(jìn)行。

3.7支護(hù)結(jié)構(gòu)及時封閉成環(huán)，形成穩(wěn)定封閉體

按上述控變形理論來說圍巖應(yīng)力釋放的同時需要加強(qiáng)柔性支護(hù)的剛度，為的就是穩(wěn)固圍巖，減少支護(hù)的繼續(xù)變形。按新奧法施工理念以及于學(xué)馥等人（1981年）提出的“軸變理論”和“系優(yōu)開挖控制理論”，該理論認(rèn)為：應(yīng)力均勻分布的軸比是巷道最穩(wěn)定的軸比，其形狀為橢圓形。所以圍巖早封閉、支護(hù)結(jié)構(gòu)及時封閉成環(huán)可以減小變形，及早形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。針對軟弱圍巖可以做好以下幾點：

（1）圍巖變形大多分布在比較薄弱處，而拱架連接處是臺階法施工的薄弱環(huán)節(jié)，及時對拱架做接腿處理可以避免薄弱處的有害變形。

（2）施作臨時仰拱，既能抵抗有害變形還能提前形成臨時穩(wěn)定圈，達(dá)到控變形目的。

3.8剛性支護(hù)加強(qiáng)

通過上述變形情況說明，高地應(yīng)力釋放是個漫長的過程，如果柔性支護(hù)措施不強(qiáng)，二次襯砌的壓力就會加大，很容易導(dǎo)致開裂變形情況，因此提高剛性支撐的強(qiáng)度可以避免這種情況的發(fā)生。剛性支護(hù)加強(qiáng)可以表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）加大柔性支護(hù)強(qiáng)度，當(dāng)采用多重柔性支護(hù)實際上就加大了剛性支撐；

（2）加強(qiáng)襯砌模筑砼的強(qiáng)度，增加襯砌厚度，加密鋼筋，采用高強(qiáng)度鋼材；

（3）預(yù)留襯砌補(bǔ)強(qiáng)空間，當(dāng)已施作的二次襯砌開裂后，可以繼續(xù)通過補(bǔ)強(qiáng)空間進(jìn)行加固處理。

4　結(jié)論與建議

通過對蘭渝鐵路木寨嶺軟弱圍巖隧道控變形施工技術(shù)的研究，可以得出以下結(jié)論和建議：

（1）堅持新奧法施工原則組織施工。

（2）為保障軟弱圍巖隧道的施工安全性，現(xiàn)場須采用小工作面施工法，這樣可以減少圍巖極不穩(wěn)定造成的坍塌現(xiàn)象，達(dá)到了控變形和保安全的目的。

（3）受高地應(yīng)力影響下的軟弱圍巖，蘊(yùn)藏著較大地應(yīng)力，支護(hù)后需要進(jìn)行一定程度上的釋放，現(xiàn)場可采用加大預(yù)留空間和超前小導(dǎo)洞的方法來完成。

（4）針對軟弱圍巖來說必須加強(qiáng)柔性支護(hù)的強(qiáng)度，才能充分發(fā)揮圍巖自身的承載力，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，起到控變形和安全保障的效果。

（5）為控制柔性支護(hù)變形和剛性支護(hù)開裂的情況發(fā)生，現(xiàn)場無論采取何種工法都必須保證在剛性支護(hù)施作前柔性支護(hù)能夠穩(wěn)定。因此，針對高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道的施工，控變形工作歸根結(jié)底就在釋放圍巖應(yīng)力和抵抗圍巖應(yīng)力2個方面。通過分階段加強(qiáng)支護(hù)、多重支護(hù)、臨時支護(hù)、早封閉支護(hù)等措施控變形，就是遵循了抵抗圍巖應(yīng)力的原則。

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U455.49

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1004-5716（2016）10-0175-04

2015-10-30

2015-11-04

王瑛楠（1984-），男（漢族），吉林吉林人，工程師，現(xiàn)從事隧道工程方面施工管理工作。