丁 燕 方

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

云南省紅河州建水(個舊)元陽高速公路項(xiàng)目他白依隧道為分離式隧道，隧道全長2 615 m, 開挖斷面面積為120 m2，開挖斷面面積為120 m2,最大埋深297 m，屬深埋長隧道。隧道揭露圍巖均為全～強(qiáng)風(fēng)化板巖、炭質(zhì)灰?guī)r，圍巖破碎、松散，強(qiáng)度低、抗風(fēng)化能力弱、遇水易軟化，有千枚化現(xiàn)象；同時隧道圍巖受龍岔河區(qū)域斷裂及F14構(gòu)造分布影響，斷層及節(jié)理發(fā)育，整體穩(wěn)定性差。

他白依隧道軟巖大變形段落分布情況為：左線1 273 m、占比49%，右線1 447 m，占比56%。軟弱圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，隧道開挖后地應(yīng)力重新分布使隧道周邊產(chǎn)生了較大的松動圈。一旦工程措施和施工方法選擇不當(dāng)，極易發(fā)生初期支護(hù)變形侵限和隧道塌方等工程事故，嚴(yán)重影響施工安全及施工進(jìn)度。

他白依隧道Ⅴ級較差圍巖按施工方案采用三臺階預(yù)留核心土開挖，設(shè)計初支采用I20a工字鋼、0.6 m/榀，系統(tǒng)錨桿采用Φ25中空錨桿、長3.5 m、間距120 ×120 cm梅花形布置。初支未封閉成環(huán)前圍巖變形大，變形速率快，最大累積變形量達(dá)97.6 cm，變形速率最高達(dá)14.9 cm/d。隧道圍巖大變形造成初支混凝土開裂、剝落，工字鋼嚴(yán)重扭曲、斷裂，最終導(dǎo)致初支侵限，造成大面積換拱。其變形特點(diǎn)為：(1)變形速率快，變形數(shù)值大。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，隧道開挖揭露圍巖后，拱頂下沉和水平位移的初始變形較大，變形速率快；初支封閉成環(huán)后，受隧道圍巖塑性變形引起的擠壓變形明顯；(2)變形不均勻，非對稱性特征顯著。變形量、變形速率在不同段落存在差異，同斷面左右側(cè)變形存在差異；(3)變形周期長。上、中臺階施工后，隨著開挖斷面的加大，變形速率顯著增大；仰拱封閉后，雖然變形趨于穩(wěn)定，但初支鋼架扭曲，噴射混凝土開裂、鼓包現(xiàn)象明顯。

初期支護(hù)破壞的特征：隧道洞身連續(xù)揭露圍巖為全～強(qiáng)風(fēng)化板巖、炭質(zhì)灰?guī)r，圍巖破碎、整體穩(wěn)定性極差，開挖過程中掉塊、溜塌現(xiàn)象時有發(fā)生。隨著變形量逐漸累積，造成初支拱頂下沉和邊墻擠壓引起開裂、鋼架扭曲折彎。經(jīng)對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知其變形破壞規(guī)律為：當(dāng)累計變形量達(dá)到15 cm前，初期支護(hù)穩(wěn)定可靠；當(dāng)累計變形量超過15 cm后，初期支護(hù)表面開始出現(xiàn)裂縫；累計變形量超過25 cm時，出現(xiàn)縱向和環(huán)向裂縫，混凝土開始崩落；當(dāng)累計變形量超過40 cm時，初支噴射混凝土表面出現(xiàn)大量的裂縫、掉塊，鋼架扭曲，此時必須及時采取加固措施，否則存在坍塌的風(fēng)險。

2 軟巖大變形原因分析

2.1 地質(zhì)因素

(1)軟巖系指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性黏土類礦物的松、散、軟、弱巖層的總稱。軟弱圍巖的工程地質(zhì)性質(zhì)決定了其在隧道工程中的變形特征，即開挖后自穩(wěn)能力差，表現(xiàn)出“自穩(wěn)時間短、易坍塌”的特征。由于隧道的開挖，使先前支撐隧道洞身的圍巖被移走，洞壁臨空；造成圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，圍巖與洞壁均向隧道凈空方向變形[1]。

(2)具有膨脹巖性質(zhì)的圍巖在一定條件下體積膨脹，形成了較大的膨脹力。隧道變形段的圍巖主要為炭質(zhì)灰?guī)r，含蒙脫石、綠泥石等，吸水后體積可膨脹10%～20%，圍巖膨脹壓力直接加荷在初支上產(chǎn)生了大變形[2]。

2.2 設(shè)計因素

設(shè)計的支護(hù)參數(shù)僅僅是各種圍巖在理論應(yīng)力狀態(tài)下的一種預(yù)案，但實(shí)際施工過程中存在的各種外界附加的因素會加劇軟巖大變形的發(fā)展，其中較為突出的因素為地下水不同的賦存量引起的水巖藕合作用程度大小的不同，當(dāng)水巖藕合作用力超過了工程設(shè)計初支所能承受的最大壓力時將導(dǎo)致初支產(chǎn)生不同程度的變形。

2.3 施工因素

(1)施工過程中對圍巖的擾動產(chǎn)生的變形。無論是鉆爆開挖，還是機(jī)械開挖，從巖體結(jié)構(gòu)受力分析上都會對圍巖產(chǎn)生擾動，引起圍巖應(yīng)力的重新分布，達(dá)到新的自我穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成應(yīng)力拱圈。對于軟巖隧道，其塑性屈服破壞狀態(tài)范圍較大，自穩(wěn)平衡狀態(tài)所需的應(yīng)力拱圈半徑更大，因而隧道初支承受的荷載就更大。

(2)開挖工法不適應(yīng)圍巖的地質(zhì)條件，不能有效地控制變形。選擇開挖工法時，原則上應(yīng)在確保安全的前提下從簡單到復(fù)雜，盡量減少開挖步驟。較復(fù)雜的開挖工法主要表現(xiàn)在上、中、下臺階及仰拱等工序交叉施工，因其工序施工時間長，不能及時封閉成環(huán)，增加了初支的變形時間[3]。

(3)封閉不及時造成圍巖風(fēng)化。圍巖揭露后對其巖面未及時封閉，軟巖在空氣和水的作用下加快了風(fēng)化，增大了松動圈的范圍，降低了圍巖強(qiáng)度；同時，初支若未及時封閉成環(huán)，將不能充分發(fā)揮環(huán)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。

3 控制軟巖大變形的主要措施

針對他白依隧道軟巖大變形的變形原因及特點(diǎn)，經(jīng)過項(xiàng)目部在現(xiàn)場反復(fù)研究和實(shí)踐，主要從如何降低施工對圍巖的擾動、提高圍巖自身承載力以及從施工工藝上縮短工序作業(yè)時間、快速封閉成環(huán)、減少圍巖變形的時間等方面采取了相應(yīng)的控制措施，制定了“超前預(yù)報、少擾動、短進(jìn)尺、加大預(yù)留量、先放后抗、加固圍巖、勤量測、及早封閉初支成環(huán)并及時施作仰拱、跟緊二襯”的總體處理原則。

(1)超前地質(zhì)預(yù)報。施工現(xiàn)場時常會遇到實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況與施工圖中的地質(zhì)情況存在較大的差異，進(jìn)而引起技術(shù)措施和施工方法的變化。因此，施工階段必須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作。超前地質(zhì)預(yù)報主要采用地質(zhì)素描、物探、超前鉆探等方法。在破碎帶和斷層洞段加強(qiáng)超前長、短鉆孔，及時探明隧道前方的地質(zhì)情況，特別是地下水的發(fā)育情況，嚴(yán)禁在未探明情況下盲目開挖。

(2)減少施工擾動，提高圍巖的自穩(wěn)性。施工過程中，應(yīng)盡量減少誘發(fā)圍巖變形的不利因素，控制圍巖變形發(fā)展。一是采用超前大管棚、超前帷幕注漿、超前小導(dǎo)管等預(yù)加固措施，對軟弱破碎且富水段圍巖進(jìn)行主動加固；二是對于圍巖破碎、自穩(wěn)性差的段落宜采用三臺階預(yù)留核心土工法開挖，短進(jìn)尺、及時封閉成環(huán)；同時，為盡量減少施工對圍巖的擾動，將原鉆爆工法調(diào)整為銑挖法施工[4]。

(3)開挖短進(jìn)尺，初支快速封閉成環(huán)，跟緊二襯。施工中應(yīng)盡量減小單循環(huán)開挖長度，單循環(huán)開挖長度應(yīng)不大于1榀拱架?？s短單循環(huán)作業(yè)時間以減少圍巖變形的時間效應(yīng)。每循環(huán)開挖完成后，立即對巖面噴射4～6 cm厚混凝土封閉，以減少巖面暴露在空氣中的時間，防止圍巖風(fēng)化崩解。根據(jù)對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析得知：當(dāng)初支封閉成環(huán)、仰拱澆筑完成后，初支變形速率明顯減弱。因此，在施工過程中應(yīng)合理安排施工工序、縮短工序搭接時間，盡早封閉仰拱；同時，為緊跟二襯結(jié)構(gòu)，采用7.5 m長鋼模臺車澆筑二襯混凝土，可有效縮短安全步距。對于軟巖大變形隧道，為控制初支變形侵限，應(yīng)將隧道安全步距盡量控制在仰拱距掌子面25 m，二襯距掌子面35 m的范圍內(nèi)。

(4)合理預(yù)留變形量，動態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。目前，根據(jù)對該隧道前期已掘進(jìn)段落監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)的分析與總結(jié)后得知：放大預(yù)留變形量是控制變形、防止初支侵限的一種有效方法。為使初支在封閉成環(huán)前有足夠的變形空間，對預(yù)留變形量進(jìn)行加大調(diào)整，做到“先放”。結(jié)合局部洞段出現(xiàn)不對稱變形的情況，采用了左、右側(cè)不均衡性預(yù)留變形量的方式。同時，根據(jù)初支變形的時間～變形曲線，按照上導(dǎo)變形速率最快將預(yù)留量放大至80～100 cm，將中導(dǎo)預(yù)留量適度調(diào)整至50～60 cm，下導(dǎo)預(yù)留量調(diào)整至40～50 cm。為抵抗并減緩周邊圍巖對初支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生徑向剪切應(yīng)力引起的變形，在施工過程中，適時調(diào)整支護(hù)參數(shù)以加強(qiáng)初支縱向與環(huán)向的剛度，做到“后抗”。加強(qiáng)初期支護(hù)的環(huán)向剛度，采用Ⅰ25 a、1榀/0.5 m封閉成環(huán)；同時，為加強(qiáng)初支縱向剛度，在鋼架連接板處增設(shè)縱向Ⅰ14型鋼連接。

(5)采用徑向注漿加固圍巖。每循環(huán)初支完成后，立即進(jìn)行徑向注漿加固，讓漿液充填巖石空隙，使圍巖與漿液組成密實(shí)連續(xù)體，有效地改善巖體的受力結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)性，且徑向加固的拱圈半徑宜大于塑性變形區(qū)的厚度?？紤]到仰拱下臥層軟弱基礎(chǔ)的因素，徑向注漿環(huán)向范圍應(yīng)包含仰拱范圍。注漿管采用Φ42鋼花管，間距采用1 m×1 m，梅花型布置；對于正常軟巖變形段其徑向防護(hù)拱圈的有效半徑可取4.5 m；對于極軟弱圍巖且富水段落其有效半徑可取6～8 m。

(6)強(qiáng)化鎖腳及脫空處理。鋼架鎖腳錨管的打設(shè)角度、錨管的根數(shù)、深度及尾端與鋼架的連接節(jié)點(diǎn)是控制軟巖大變形的重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)。結(jié)合隧道作業(yè)空間因素的影響，鎖腳錨管采用Φ76、長6 m的鋼管，打設(shè)角度為45°，對初支沉降、收斂變形控制均具有良好的效果。軟巖開挖后，其周邊圍巖自穩(wěn)能力差，掉塊、滑落、初支拱背脫現(xiàn)象較嚴(yán)重，為防止軟巖松動圈范圍加大，應(yīng)對鋼拱架背后或頂部的空腔噴混凝土填充，以確保初支結(jié)構(gòu)能盡早與周邊圍巖形成共同作用力拱圈。

(7)加強(qiáng)監(jiān)控量測，科學(xué)分析數(shù)據(jù)。監(jiān)控量測是軟弱圍巖隧道安全施工的“眼睛”，是判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、指導(dǎo)軟弱圍巖隧道安全施工“最重要”的信息化手段。該隧道每個監(jiān)測斷面設(shè)5個位移量測項(xiàng)目：拱頂下沉、拱腰收斂、拱腳收斂、墻腰收斂、仰拱隆起，每5～10 m布設(shè)一個斷面。當(dāng)有滲漏水時宜適當(dāng)加密，在初支完成后4 h內(nèi)布置埋設(shè)點(diǎn)，于12 h內(nèi)讀取初始讀數(shù)，每天至少進(jìn)行一次監(jiān)測，可根據(jù)變形情況增大量測頻率，根據(jù)量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷圍巖的變形情況是否處于正常狀態(tài)，從而為施工安全和支護(hù)參數(shù)的確定提供科學(xué)的依據(jù)。[5]

(8)采用四新技術(shù)，投入新設(shè)備。他白依隧道施工過程中，將超前地質(zhì)預(yù)報工作納入工序管理，同時采用卡薩格蘭地C6XP-C多功能鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆孔詳細(xì)探測前方圍巖地質(zhì)情況及賦水情況，為超前地質(zhì)預(yù)報提供詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。C6XP-C多功能鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)不同類型地質(zhì)條件下的超前地質(zhì)預(yù)報、超前管棚支護(hù)施工、鉆注一體施工、高壓旋噴、錨桿、錨索及巖石取樣等施工。該鉆機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且鉆進(jìn)長度大、效率高，對軟巖大變形隧道超前探孔和圍巖加固施工能起到事半功倍的效果；同時，投入了機(jī)械臂濕噴臺車，其噴混凝土作業(yè)效率高，能及時封閉圍巖，同時減少了洞內(nèi)作業(yè)人員，確保了施工安全。

4 結(jié) 語

他白依隧道軟巖大變形段落占比較高，風(fēng)險等級評估為Ⅳ級，變形控制成為該隧道掘進(jìn)施工的重難點(diǎn)。通過該隧道軟巖大變形段落的變形控制實(shí)踐，筆者總結(jié)出以下施工技術(shù)措施：

(1)加強(qiáng)監(jiān)控量測位移數(shù)據(jù)管理，對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析并適時采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，這是控制軟巖大變形首要的技術(shù)手段；

(2)放足預(yù)留變形量，做到“先放”“允許變形”是目前控制軟巖大變形的一種有效手段；

(3)對軟弱圍巖塑性變形區(qū)域進(jìn)行徑向注漿加固，加強(qiáng)了圍巖的自穩(wěn)性，改善了周邊圍巖的塑性變形狀態(tài)并使其達(dá)到彈性應(yīng)力分布狀態(tài)，是控制軟巖大變形、減少產(chǎn)生變形內(nèi)部因素的根本方法之一；

(4)改變工法、動態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，減少圍巖擾動，做到“后抗”是控制軟巖大變形、減少產(chǎn)生變形外部因素的重要方法之一；

(5)科學(xué)管理、合理地安排施工工序、緊湊工序搭接、盡早封閉仰拱、二襯結(jié)構(gòu)，能夠有效控制變形。