張振國

摘 要：成蘭鐵路榴桐寨隧道進(jìn)口施工過程中，隧道洞身反復(fù)出現(xiàn)高地應(yīng)力大變形。通過針對性地采取優(yōu)化洞身斷面、調(diào)整支護(hù)參數(shù)、合理加大預(yù)留變形量、自進(jìn)式長錨桿、預(yù)留核心土微臺階法等變形控制措施和施工技術(shù)，隧道大變形得到有效控制。該文深入分析了榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形的變形特征和機(jī)理，對高地應(yīng)力軟巖隧道施工控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：榴桐寨隧道 高地應(yīng)力 軟巖大變形 施工控制技術(shù)

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（b）-0020-03

Abstract：During the construction of the entrance of Liutong village tunnel on Chengdu-Lanzhou railway， it was observed that the tunnel had undergoing large deformation repeatedly due to high in-situ stress. A series of mitigation measures were proposed， including adopting an optimized tunnel section， adjusting parameters in supporting design， setting a larger deformation tolerance， using self-advancing long bolts system and using performed core-soil sidestep construction method. The proposed measures were effective in controlling the large deformation. The objective of this paper is to first investiage the characteristics and mechanics of the high in-situ stress and the assocaited large deformation at the Liutong village Tunnel and second to study the effective tunneling methods in the ground featured with high in-situ stress and large deformation.

Key Words：Liu-Tong zhai tunnel； High In-situ stress； Large deformation and soft rock； Construction controlling technique

隨著我國鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，穿越復(fù)雜工程地質(zhì)條件隧道將會越來越多，在圍巖軟弱、地質(zhì)環(huán)境惡劣、高地應(yīng)力的隧道中，施工成為了工程建設(shè)中的巨大挑戰(zhàn)。高地應(yīng)力軟巖隧道施工期間，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力持續(xù)增加，圍巖變形劇烈、持續(xù)時間長，會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂、破壞，擠出面侵入限界，嚴(yán)重影響正常施工。

1 工程概況

成蘭鐵路榴桐寨隧道設(shè)計(jì)為單線雙洞，左右線分修，隧道全長16 262 m，起訖里程D8K135+336～D8K151+598。全線占線路長度約70%的段落巖體為極軟弱破碎的板巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖，隧道洞身穿越2個向斜、1個背斜和1個斷層，受構(gòu)造影響，多表現(xiàn)出強(qiáng)烈的揉皺變形和擠壓破碎，巖體褶皺，斷裂發(fā)育，軟弱破碎，層間結(jié)合差，強(qiáng)度低，軟巖和破碎巖體開挖后自穩(wěn)能力差，是成蘭極高安全風(fēng)險隧道。

隧道里程為YD8K136+410～YD8K136+660，實(shí)際圍巖地質(zhì)較原設(shè)計(jì)差，主要表現(xiàn)在：地質(zhì)主要以灰黑色炭質(zhì)千枚巖為主，強(qiáng)風(fēng)化（無灰?guī)r、砂巖夾層），節(jié)理裂隙異常發(fā)育，巖體較破碎，層間有構(gòu)造錯動，為光滑面，巖體有褶皺扭曲現(xiàn)象，巖石較軟，開挖完畢后呈粉末狀，掌子面大部分區(qū)域地質(zhì)手捏可碎，剝落較嚴(yán)重，圍巖完整性差。

巖體存在較多夾層和原生裂隙，對巖體整體承載能力有較大負(fù)面影響。施工期間初期支護(hù)出現(xiàn)環(huán)向裂紋，逐漸發(fā)展成環(huán)向貫通裂縫，噴射砼脫皮掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，鋼架也發(fā)生扭曲變形，對施工安全造成了很大的困擾。

2 軟巖大變形施工情況

2015年4月1日，掌子面施工至YD8K136+436.4，發(fā)現(xiàn)YD8K136+410～420段初期支護(hù)局部存在細(xì)微裂縫（寬度約2～3 mm）。為確保下一步施工安全，對YD8K136+ 410～420施作6 m長自進(jìn)式錨桿并注漿加固處理。

2015年4月7日，掌子面已施工至YD8K136+439處，初期支護(hù)拱部變形開裂趨勢有所增加，現(xiàn)場情況如下：YD8K136+410～430拱頂初期支護(hù)形成一道縱向貫通裂縫，裂縫寬度2～10 mm不等，初支砼表面局部有剝皮現(xiàn)象（見圖1）。

為確保下一步施工安全，調(diào)整支護(hù)參數(shù)，具體如下：YD8K136+410～439段增設(shè)6 m長自進(jìn)式錨桿，加固開裂初支，并按Ⅳ級抗震襯砌鋼筋施工參數(shù)，增設(shè)襯砌拱墻鋼筋；YD8K136+439～457段將原設(shè)計(jì)的Ⅳ級復(fù)合加強(qiáng)式襯砌變更為Ⅴ級復(fù)合加強(qiáng)式襯砌。

初期支護(hù)拱部變形開裂，隨著隧道掌子面的開挖掘進(jìn)繼續(xù)向前延伸，并形成貫通趨勢，表面砼局部有剝落現(xiàn)象。于2015年4月21日掌子面施工至YD8K136+457處，2015年5月1日掌子面施工至YD8K136+485處，調(diào)整并加強(qiáng)支護(hù)措施。

2015年4月21日，變更核實(shí)紀(jì)要如下：YD8K136+439～ 454段增設(shè)6 m長、間距1.2 m×0.8 m（環(huán)×縱）自進(jìn)式錨桿加固開裂初支；YD8K136+457～485段將原設(shè)計(jì)的Ⅳ級復(fù)合加強(qiáng)式襯砌變更為Ⅴ級復(fù)合加強(qiáng)式襯砌。

2015年5月1日，變更核實(shí)紀(jì)要如下：YD8K136+454～ 485段增設(shè)6m長、間距1.0 m×0.8 m（環(huán)×縱）自進(jìn)式錨桿加固開裂初支；YD8K136+485～515段將原設(shè)計(jì)Ⅳ級復(fù)合加強(qiáng)式襯砌變更為Ⅴ級復(fù)合加強(qiáng)式襯砌。

2015年5月18日，掌子面已施工至YD8K136+515，初期支護(hù)拱部變形開裂段落持續(xù)延伸，現(xiàn)場情況如下：YD8K136+450～490拱頂初期支護(hù)形成一道縱向貫通裂縫，裂縫寬度2～10 mm不等，并發(fā)現(xiàn)在已施工完畢的仰拱端頭前后，分別于YD8K136+455、YD8K136+461處左側(cè)邊墻出現(xiàn)兩道環(huán)向裂縫，裂縫寬度約8 mm，并在矮邊墻上2 m左右有縱向裂縫出現(xiàn)。同時初支砼表面局部剝皮現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

3 軟巖大變形機(jī)理

3.1 地應(yīng)力

隧道埋深較大，區(qū)域應(yīng)力場較高，最大水平主應(yīng)力對隧道圍巖的變形和破環(huán)有一定的影響，在YD8K136+200處進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測試，水平主應(yīng)力的方向?yàn)镹51.8°W～ N88.3°W之間，最大水平主應(yīng)力方向平均值與隧道軸線夾角約為27°，對圍巖變形產(chǎn)生不利影響，最大水平主應(yīng)力平均值為23.09 MPa，該段區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力高，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，屬極高地應(yīng)力狀態(tài)，且由于水平應(yīng)力與隧道軸線夾角較小，圍巖擠壓緊密的影響范圍較大，可能發(fā)生軟巖大變形，硬質(zhì)巖段落可能會發(fā)生巖爆。

3.2 巖體強(qiáng)度特征

該段圍巖地質(zhì)主要以灰、黑色千枚巖為主，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙異常發(fā)育，巖體破碎，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，不同巖層相間的巖體受層間構(gòu)造錯動，形成斷層破碎帶，從而破壞了巖體的完整性，使得圍巖凝聚強(qiáng)度c值較低，內(nèi)摩擦角φ值很小，單軸抗壓強(qiáng)度較低。隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，同時伴有地下水滲流和軟化作用，改變巖體強(qiáng)度，圍巖自身強(qiáng)度不能抵抗地應(yīng)力的釋放，從而導(dǎo)致巖體產(chǎn)生流塑性變形。

3.3 初期支護(hù)不合理

現(xiàn)場地質(zhì)揭示與原設(shè)計(jì)地質(zhì)描述存在偏差，實(shí)際圍巖地質(zhì)較原設(shè)計(jì)差，在隧道開挖后隧道不能自穩(wěn)而產(chǎn)生較大的流塑性變形，設(shè)計(jì)采用的支護(hù)參數(shù)較弱，錨桿設(shè)計(jì)長度不足不能控制圍巖流塑形變形，導(dǎo)致錨桿支護(hù)效果差，鋼架強(qiáng)度不夠、間距過大，無法有效地抵抗圍巖的壓力。預(yù)留變形量小導(dǎo)致圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的力變大，使初支收斂加速，初支結(jié)構(gòu)逐步出現(xiàn)貫通裂縫，噴射砼出現(xiàn)脫皮掉塊現(xiàn)象，鋼架發(fā)生扭曲變形。開挖后無法及時封閉成環(huán)，仰拱和二次襯砌距掌子面距離過長，致使初期支護(hù)在無約束下產(chǎn)生無限制性的變形，對圍巖變形有很大影響。

3.4 工程擾動

隧道洞室開挖后，破壞了圍巖原有的三向應(yīng)力平衡，圍巖應(yīng)力在洞室周圍重新分布，開挖引起環(huán)向應(yīng)力增大，徑向應(yīng)力減小，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過局部巖體的強(qiáng)度，使部分區(qū)域的圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)或受拉而破壞，應(yīng)力不斷調(diào)整變形不斷發(fā)展來達(dá)到新的平衡狀態(tài)，設(shè)計(jì)的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不能支撐由開挖空間和擾動釋放的地應(yīng)力，形成拱頂沉降和邊墻收斂，造成初期支護(hù)開裂。同時采用臺階法光面爆破施工，對圍巖的擾動較大，加劇了圍巖的變形速率。

4 大變形控制措施

針對榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形的情況，認(rèn)真觀察圍巖變形及初支開裂規(guī)律，分析圍巖量測資料，并及時進(jìn)行變形段落圍巖地質(zhì)應(yīng)力測試。對此進(jìn)行綜合分析，查找洞身圍巖變形及初支開裂的原因，以優(yōu)化洞型，確定合理斷面，初支應(yīng)堅(jiān)持“以抗為主，抗讓結(jié)合，適度釋放地應(yīng)力”的原則進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)初期支護(hù)剛度，以組織現(xiàn)場施工。確定軟巖開挖之后的松動圈范圍，以合理加長錨桿長度，對圍巖的松動圈進(jìn)行加固。短臺階開挖，短進(jìn)尺，控制爆破裝藥量，減少開挖對圍巖的擾動。初支及時封閉成環(huán)，仰拱緊跟，待初支沉降、收斂穩(wěn)定后，及時施作二次襯砌。

4.1 加強(qiáng)監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報

在掌子面開挖后進(jìn)行了周邊收斂、拱頂下沉、地表沉陷、錨桿拉拔試驗(yàn)等不同方面的量測，運(yùn)用回歸統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬分析的方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理和分析，對圍巖的穩(wěn)定性做出穩(wěn)定性判斷，并及時反饋指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，以便根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整施工方法和支護(hù)方案。

由于缺乏詳細(xì)的地質(zhì)勘測資料，設(shè)計(jì)時支護(hù)參數(shù)出現(xiàn)偏差，施工方法使用不當(dāng)，將地質(zhì)素描法、超前鉆孔探測法、超前炮眼探測法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外線超前探水等幾種預(yù)報手段優(yōu)化組合、綜合運(yùn)用，提高地質(zhì)超前預(yù)報的精度與準(zhǔn)確率，彌補(bǔ)地質(zhì)勘測信息的不足，從理論上補(bǔ)充圍巖的特征，從而進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，能夠很大程度上避免工程事故，改善作業(yè)環(huán)境，保障施工安全，提高工作效率，節(jié)約成本。

4.2 優(yōu)化洞型、確定合理斷面

根據(jù)設(shè)計(jì)隧道斷面采用的馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)，對于拱墻處發(fā)生應(yīng)力集中產(chǎn)生大變形的區(qū)域，采取輪廓近似圓形的襯砌斷面形式，改善受力性能，并加大預(yù)留變形量30 cm，避免支護(hù)變形過大侵限。

4.3 以抗為主，抗讓結(jié)合，適度釋放地應(yīng)力

在圍巖釋放壓力的同時，要及時跟進(jìn)支護(hù)措施來控制圍巖的變形。初期錨噴支護(hù)可以做成柔性結(jié)構(gòu)來適應(yīng)圍巖變形，起到維護(hù)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。

4.4 合理加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定軟巖開挖之后的松動圈范圍約3.5 m，合理加長錨桿長度，對圍巖的松動圈進(jìn)行加固。將在拱墻原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增設(shè)6 m長（φ22，縱向間距為1 m，環(huán)向間距為0.8 m）自進(jìn)式錨桿，并注漿加固處理，消除巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)，在圍巖內(nèi)形成組合拱，同時錨桿對圍巖施加壓力，使處于二向應(yīng)力狀態(tài)的圍巖保持三向應(yīng)力狀態(tài)。同時將原設(shè)計(jì)的I18型鋼支護(hù)變更為I25型鋼支護(hù)，提高支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度來約束圍巖的松弛變形，保證隧道的穩(wěn)定與安全。

4.5 短臺階法開挖

嚴(yán)格控制上臺階循環(huán)進(jìn)尺1 m，控制爆破裝藥量，初期支護(hù)緊跟掌子面施工，減少對圍巖的擾動性，短臺階法可使圍巖盡快封閉成環(huán)，發(fā)揮圍巖自承能力，同時有利于仰拱緊跟，待監(jiān)控量測初支沉降、收斂穩(wěn)定后，及時施作二次襯砌，提高襯砌的安全性，保證圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）高地應(yīng)力、圍巖自身強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，最大水平應(yīng)力大且與隧道夾角過小，這都是隧道發(fā)生大變形的主要因素，地質(zhì)勘測信息的不足造成支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)強(qiáng)度不足以及施工方法不當(dāng)，直接影響了隧道的變形程度。

（2）初期支護(hù)破壞形式主要是出現(xiàn)貫通裂縫，噴射砼出現(xiàn)脫皮掉塊現(xiàn)象，鋼架發(fā)生扭曲變形。通過對隧道斷面優(yōu)化，合理加大預(yù)留變形量，加強(qiáng)對初期支護(hù)的剛度，是控制軟巖大變形的重要手段。

（3）為減少工程擾動對圍巖的不利因素，隧道開挖采用預(yù)留核心土微臺階法，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺和爆破用藥量，縮短各工序之間的距離，有利于盡早初期支護(hù)及封閉成環(huán)，更好地控制圍巖的變形。

（4）加強(qiáng)圍巖的監(jiān)控量測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理和分析，并及時進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報和現(xiàn)場試驗(yàn)，為隧道施工設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性信息。

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