張銀金， 秦 峰

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司， 重慶 400067)

隨著我國西部大開發(fā)的持續(xù)深入發(fā)展，交通基建向西部高原高海拔地區(qū)延伸，隧道工程占比及建設(shè)難度不斷刷新公路建設(shè)史，尤其在青藏高原修筑隧道，高地應(yīng)力及軟弱圍巖段大變形是繞不開的不良地質(zhì)問題，施工期間如何有效控制圍巖大變形，且又能安全建成通車運營，是工程界的一大難題。

正在建設(shè)的渭武高速木寨嶺公路隧道，線位在蘭渝鐵路木寨嶺隧道上方，平面距離約900 m～1 200 m、高差約60 m～100 m。蘭渝鐵路木寨嶺隧道，開挖斷面面積90 m2～105 m2，隧道全長19.25 km，穿越軟巖段總長約16.1 km，在隧道中間嶺脊核心段出現(xiàn)最大變形量，高達4 500 mm，共進行了約6 km段落反復拆換，工期歷時9年多才建成通車。該鐵路隧道施工中遇到的最主要的工程地質(zhì)問題是高地應(yīng)力及軟巖大變形[1-2]，其中圍巖豎向應(yīng)力、橫向應(yīng)力都較大，特別是斷層帶內(nèi)橫向應(yīng)力顯著增大[3]，在高地應(yīng)力下炭質(zhì)板巖流變特性突出[4]。

針對軟巖大變形隧道，陳子全、王勝國、李佳琪等[5-7]對施工變形及分級進行了研究，對隧道施工大變形進行了預(yù)測，提出了高地應(yīng)力軟巖隧道的分級指標、分級標準及施工控制措施建議；田洪銘等[8]提出了U型鋼可壓縮支架和泡沫混凝土填充層的聯(lián)合支護方式；祁賢[9]提出了用雙排鎖腳錨管進行控制變形；鄒種等[10]提出了超前大鉆孔、超前導洞應(yīng)力控制等法。這些方法和措施雖取得了一定效果，但未從根本上解決軟巖隧道的整體大變形問題。何滿潮等[11-13]研發(fā)了具有負泊松比效應(yīng)的NPR(Negative Poisson′s Ratio)恒阻錨索，在煤炭巷道支護中的控變效果較好，但對高地應(yīng)力下軟弱圍巖的公路隧道，控變效果如何有待驗證。

目前軟巖大變形隧道主要有3種支護方式：柔性支護、剛性支護及剛?cè)岵ёo。柔性支護采用新奧法原理，通過錨噴及鋼架支護法，找到合理的支護參數(shù)；剛性支護采用剛性強支護，隧道開挖后即施作預(yù)應(yīng)力錨索、或采用多層鋼架、或采用高強度大體積混凝土結(jié)構(gòu)等方式對隧道圍巖施以高剛度或高強度支護壓力，以抵抗或阻止圍巖變形；剛?cè)岵ёo采用柔性支護與剛性支護相結(jié)合的綜合方法，堅持“以抗為主，抗放結(jié)合”，力求產(chǎn)生一個合理的塑性圈，既允許圍巖適度變形，又有控制地釋放圍巖變形能，以保證圍巖應(yīng)力不致快速下降及過快變形、減小松動圈，如NPR恒阻預(yù)應(yīng)力錨索。

這3種抗變支護思路在渭武高速木寨嶺公路隧道中均有運用，本文以監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對這3種支護方式的控變實效進行統(tǒng)計對比分析。

1 木寨嶺公路隧道

渭武高速公路線路走向與國道G212線基本一致，木寨嶺公路隧道采用分離式設(shè)計，雙向4車道，隧道凈寬10.25 m、凈高5.0 m，開挖斷面面積為104 m2～149.3 m2，洞身最大埋深約629.1 m，其中左洞(ZK210+635～ZK225+861)長15.226 km、右洞(YK210+635～YK225+803)長15.168 km。隧道設(shè)置了3座斜井(其中2號斜井樁號為XK0+000～XK1+813)，既是隧道施工期間運輸通道，又是后期運營通風通道。斜井斷面型式與主洞相近，內(nèi)輪廓凈寬相同，凈高斜井為7.61 m、主洞為7.22 m，斜井高跨比較主洞略大。

該隧道穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，隧道的最高海拔為3 872 m，圍巖主要為前第四系、二疊系下統(tǒng)黑灰色、薄層狀炭質(zhì)板巖，泥質(zhì)變余結(jié)構(gòu)，有微膨脹性；二疊系下統(tǒng)褐紅色-灰黑色、薄層狀砂巖與炭質(zhì)板巖互層或夾層，細粒結(jié)構(gòu)；石炭系下統(tǒng)斷層壓碎巖，原巖為炭質(zhì)板巖、灰?guī)r或砂巖，巖體膠結(jié)差或無膠結(jié)，呈碎裂狀松散結(jié)構(gòu)。隧道主洞及斜井的設(shè)計圍巖級別均為Ⅴ級。

該隧道位于秦嶺-昆侖緯向構(gòu)造體系，褶皺、斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造極為復雜，隧址區(qū)有3個背斜與3個向斜構(gòu)造，12條斷層破碎帶。隧址區(qū)屬高應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力值12.14 MPa～18.76 MPa，最小主應(yīng)力值為7.34 MPa～11.61 MPa。

施工期間該公路隧道主洞及斜井在施工過程中多次發(fā)生鋼架扭曲折疊、噴射混凝土開裂剝落、初支嚴重侵線等現(xiàn)象，如圖1所示。采用新奧法錨噴鋼架支護的段落，鋼拱架拆換率高達26%以上，被院士專家組定性為“木寨嶺公路隧道為高地應(yīng)力軟巖大變形隧道，工程難度極大”。

(a) 炭質(zhì)板巖

(b) 砂巖與炭質(zhì)板巖互層

(c) 斷層壓碎巖圖1 木寨嶺隧道掌子面圍巖照片F(xiàn)ig.1 Surrounding rock photos of Muzhailing tunnel

地下水分為基巖裂隙水、巖溶水和第四系松散巖類孔隙水3大類，其中以基巖裂隙水存在為主?？傮w來說，深部巖層相對較為完整，地層滲透性變差，地下水富水性相對較差。

2 支護方案

木寨嶺公路隧道先后采用了新奧法錨噴鋼架、NPR恒阻錨索、預(yù)應(yīng)力錨索等3種支護方案。

2.1 原設(shè)計支護方案(新奧法錨噴鋼架支護)

采用新奧法理念對木寨嶺隧道進行支護：超前支護 + 噴射混凝土 + 系統(tǒng)錨桿 + 鋼拱架。

2.2 NPR恒阻錨索支護方案

負泊松比材料或結(jié)構(gòu)NPR(Negative Poisson′s Ratio)在受到單軸拉伸時會發(fā)生側(cè)向膨脹，在抗沖擊、抗剪切及吸收能量等許多方面比正泊松比材料具有更優(yōu)的性能，NPR恒阻錨索嵌入工程巖體后，將改變其原有的復雜本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性的簡單本構(gòu)關(guān)系[12]。

1) 支護形式

NPR錨網(wǎng)索噴 + W型鋼帶 + 鋼拱架。NPR恒阻錨索支護原理見圖2(a)。

單位：mm(a) NPR恒阻錨索支護原理

(b) NPR主要部件圖2 NPR恒阻錨索支護原理及主要部件Fig.2 Support priciple of NPR constant resistance anchor cable and main components

2) 支護材料及參數(shù)

NPR恒阻錨索支護材料主要有預(yù)應(yīng)力錨索、恒阻器、托盤、W型鋼帶、高強度柔性網(wǎng)、錨固劑等，見圖2(b)。具體參數(shù)見表1，支護斷面見圖3。

表1 木寨嶺隧道NPR恒阻錨索支護設(shè)計參數(shù)Table 1 NPR constant resistance anchor cable support design parameters of Muzhailing tunnel

單位：mm圖3 NPR支護斷面Fig.3 Support section of NPR

2.3 預(yù)應(yīng)力錨索支護方案

除無恒阻器外，其它與NPR恒阻錨索支護方案相同。

3 預(yù)應(yīng)力(或NPR恒阻)錨索支護的隧道施工工序及工藝流程

通常情況下，采用上下臺階法施工的隧道，采取預(yù)應(yīng)力/NPR錨索支護的隧道施工工序見圖4(a)。

圖4 隧道施工工序與錨索施工工藝流程Fig.4 Tunnel construction process and anchor cable construction process

對于上臺階開挖，NPR恒阻錨索施工每循環(huán)用時約為2.0 h～2.5 h，流程見圖4(b)，預(yù)應(yīng)力錨索施工每循環(huán)用時約為1.5 h～2.0 h，流程見圖4(c)。預(yù)應(yīng)力錨索相較于NPR恒阻錨索，減少了擴孔及恒阻器安裝2道工序，因此少耗時約0.5 h。

4 不同支護方式的控變效果對比分析

渭武高速木寨嶺公路隧道自開工以來，由于隧道開挖后變形很大，施工現(xiàn)場先后采用了新奧法錨噴鋼架、NPR恒阻錨索、預(yù)應(yīng)力錨索3種方式進行支護；施工過程中，第三方監(jiān)測單位開展了大量的監(jiān)控量測工作，采集了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)根據(jù)對不同支護方案的監(jiān)測情況進行對比分析，為找到更加適宜該隧道的支護方案提供支持。

4.1 不同支護方式下隧道支護狀態(tài)觀察

1) 錨噴鋼架支護段

施作于2號斜井XK0+000～XK1+740段，施工長度1 740 m，初期支護出現(xiàn)了大變形情況：(1) 鋼架折疊、扭曲、搓斷，拱頂、拱腰及邊墻均有不同程度變形，上中臺階接茬處錯開；(2) 噴混凝土大面積剝落、掉塊、開裂；(3) 初支斷面擠出、嚴重侵限，見圖5。

(a) 拱腰鋼架折疊

(b) 上中臺階鋼架接茬處錯開

(c) 斷面擠出圖5 錨噴鋼架支護段的初支變形Fig.5 Deformation of initial support of spray anchor steel frame support section

2) NPR恒阻錨索支護段

施作于2號斜井XK1+740～XK1+813.43(73.43 m)、主洞YK218+150～YK218+194(44 m)、YK218+369.2～YK218+635(265.8 m)、ZK218+352～ZK218+412段(60 m)，共443.23 m，初期支護變形基本正常：(1) 鋼架受力正常，無扭曲、折疊現(xiàn)象，上中臺階接茬處無錯開現(xiàn)象；(2) 噴射混凝土局部小面積剝落、掉塊現(xiàn)象，初支表面局部環(huán)向開裂；(3) 初支斷面輪廓較為圓順，未見擠出或侵限等異?，F(xiàn)象，見圖6。

圖6 預(yù)應(yīng)力/NPR恒阻錨索支護段的初支變形Fig.6 Initial support deformation of prestressed/NPR constant resistance anchor cable support section

3) 預(yù)應(yīng)力錨索支護段

施作于主洞YK216+655～YK218+150(1 495 m)、YK218+194～YK218+369.2(175.2 m)、YK218+635～YK219+942(1 307 m)、ZK216+751～ZK218+352(1 601 m)、ZK218+412～ZK219+856段(1 444 m)，共6 022.2 m。初期支護變形基本正常，控變效果比NPR恒阻錨索支護段略好。

綜上所述，無論是斜井還是主洞，預(yù)應(yīng)力錨索(或NPR恒阻錨索)施作段的初支變形都呈明顯改善趨勢，表明預(yù)應(yīng)力錨索(或NPR恒阻錨索)支護在控制木寨嶺公路隧道圍巖變形方面，取得了較好效果。但是，從施工實際效果來看，NPR恒阻器安裝后極少發(fā)生恒阻行程，表明恒阻器柔性支護效果不明顯，需進一步改善；另外，由于預(yù)應(yīng)力錨索比NPR恒阻錨索省去了擴孔及恒阻器安裝時間(也是隧道開挖之初、圍巖極易變形的階段)，因此預(yù)應(yīng)力錨索能更快成環(huán)受力、更早控制圍巖開挖之初的快速變形和松弛范圍，因而能實現(xiàn)更好的控變效果。

4.2 不同支護方式下隧道變形監(jiān)測分析

隧道開挖后，針對不同的支護方式，在隧道拱頂和拱腰均進行了密集的位移監(jiān)測，結(jié)果見表2，隧道典型監(jiān)測斷面的變形極值對比見圖7。

表2 3種支護方式段落監(jiān)控量測及拆換拱情況統(tǒng)計Table 2 Monitoring measurement and steel frame removal and replacement statistics of three different support methods

圖7 不同支護方式段落典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)極值對比Fig.7 Extreme values comparison of typical section monitoring data of different support types

由表2、圖7可以看出：1) 相對于錨噴鋼架支護段，NPR恒阻錨索支護段的拱頂下沉下降了50.6%，周邊收斂下降了48.1%，控變效果顯著提高；2) 相對于錨噴鋼架支護段，預(yù)應(yīng)力錨索支護段的拱頂下沉下降了62.5%，周邊收斂下降了49.5%，控變效果顯著提高；3) 預(yù)應(yīng)力錨索與NPR恒阻錨索兩者的支護效果相近，相對于NPR恒阻錨索，預(yù)應(yīng)力錨索由于減少了恒阻器擴孔及安裝時間，因而能更快地控制圍巖變形，實際控變效果略好。

另外，3種支護方式的隧道洞段均出現(xiàn)了拆換拱情況。由表2的拆換拱數(shù)據(jù)可以看出，相對于采用錨噴鋼架支護方式，預(yù)應(yīng)力錨索支護或NPR恒阻錨索支護的隧道換拱率大幅下降，控變效果更好。這也與蘭渝鐵路木寨嶺隧道在高地應(yīng)力、軟巖地質(zhì)條件下，采用常規(guī)的錨噴鋼架(柔性)及多層鋼架(剛性)支護均難以滿足工程實際支護要求[14]的實踐結(jié)果相吻合。

4.3 不同支護方式的隧道施工效果比較

木寨嶺公路隧道開工建設(shè)5年來，主要采用了3種支護方案，各方案除了錨桿(索)施工工藝不同外，其它工藝環(huán)節(jié)相同，但施工進度及效果卻大為不同，結(jié)果見表3。

表3 3種不同支護方式施工效果比較Table 3 Construction effects comparison of three different support methods

5 結(jié)論與建議

1) 預(yù)應(yīng)力錨索支護或NPR恒阻錨索支護，對控制高地應(yīng)力軟巖隧道開挖后的圍巖變形，相較于錨噴鋼架支護，控變效果顯著提高。

2) 預(yù)應(yīng)力錨索支護與NPR恒阻錨索支護，對高地應(yīng)力軟巖隧道的控變效果較為接近，隧道拱頂下沉及周邊位移變形最大值控制在450 mm以內(nèi)。

3) 根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索支護的良好應(yīng)用效果，建議在高地應(yīng)力軟巖隧道或其它類似大變形隧道采用預(yù)應(yīng)力錨索支護，更利于圍巖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，還可減少后期因變形大而發(fā)生的二次換拱率。