老東山隧道軟弱圍巖變形開裂控制技術(shù)研究*

帥建兵

(中鐵十二局第二工程公司，山西太原 030032)

近年來，隨著高速鐵路、客運(yùn)專線等國家重點(diǎn)工程的修建，長大隧道工程項(xiàng)目激增，而且這些隧道往往是整條線路的控制性工程。在隧道修建的過程中，軟巖大變形問題日益凸現(xiàn)，造成工程建設(shè)過程中初支結(jié)構(gòu)開裂、隧道侵限、塌方等嚴(yán)重災(zāi)害，不得不展開對(duì)大變形病害的整治，浪費(fèi)資金、消耗資源，并且會(huì)嚴(yán)重影響整體項(xiàng)目的順利進(jìn)行。目前，大變形問題已引起科研部門、設(shè)計(jì)單位和施工單位的重視，并且開展了大量的研究工作。

趙旭峰［1］采用理論解析、數(shù)值模擬等手段，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性及其大變形動(dòng)態(tài)控制開展了相應(yīng)的研究;張廣澤［2］從區(qū)域大地構(gòu)造、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、活動(dòng)斷層、極高地應(yīng)力、軟弱圍巖、支護(hù)措施、施工方法等方面分析了造成F7斷層帶隧道大變形的原因;孫偉亮［3］分別對(duì)順層偏壓地層和高地應(yīng)力順層偏壓地層隧道施工力學(xué)行為分析，制定了“超前支護(hù)、初支加強(qiáng)、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?jì)、及時(shí)封閉、底部加強(qiáng)、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預(yù)報(bào)”的快速施工原則和總體方案;李國良等［6］通過烏鞘嶺隧道嶺脊地段復(fù)雜應(yīng)力條件下的變形控制技術(shù)研究，選擇合理的斷面形狀、預(yù)留合理變形量、多重支護(hù)、適當(dāng)提高襯砌剛度的柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，短臺(tái)階或超短臺(tái)階快開挖、快支護(hù)、快封閉和襯砌適時(shí)施作的施工技術(shù)，成功控制了隧道大變形。本文針對(duì)廣昆線老東山隧道構(gòu)造擠壓帶段的圍巖大變形問題，通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、隧道初期支護(hù)變形開裂的規(guī)律和原因進(jìn)行系統(tǒng)分析和試驗(yàn)，確定了控制圍巖變形的具體支護(hù)參數(shù)和施工工藝。

1 工程概況

成昆線擴(kuò)能改造工程廣通至昆明段(簡(jiǎn)稱廣昆鐵路)老東山隧道地處云貴高原西部，隧道全長7 578 m，其中Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級(jí)圍巖長度分別為730 m，2 988 m和3 860 m，隧道最大埋深約370 m，最大開挖跨度為15.36 m，其橫斷面設(shè)計(jì)圖見圖1，是廣昆線的重點(diǎn)控制工程。

老東山隧道有1 800 m范圍地處區(qū)域性3條逆沖斷層(老東山斷層(F4)、官村至白云寺斷層(F2)、哨村斷層(F1))夾持的構(gòu)造擠壓帶中;其中哨村斷層(F1)地表破碎帶寬50～80 m，以斷層角礫為主;施工揭示的掌子面巖體整體結(jié)構(gòu)多樣化，巖體較完整至破碎，但以塊石夾碎石結(jié)構(gòu)的巖體多見，如圖2所示。沿?cái)嗔褞Оl(fā)育有寬度不等的擠壓帶、片理化帶、碎裂巖化帶。

圖1 隧道橫斷面圖Fig.1 Cross－ sectional figure of Lao Dongshan tunnel

由于巖性以泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r，砂巖夾泥巖，泥巖、砂巖夾泥灰?guī)r等組合形式交替出現(xiàn)，隧道巖體結(jié)構(gòu)形式多樣，致使地下水出露的形式較多，大部分沿節(jié)理面、層面呈股狀流出，或從未及時(shí)噴射混凝土的拱頂呈大雨?duì)盍鞒?，掌子面附近施工人員需穿雨衣作業(yè)，部分地段的地下水沿掌子面的殘留炮眼呈股狀流出。

圖2 掌子面圍巖狀況Fig.2 Surrounding rock conditions of working face

2 老東山隧道初支變形開裂狀況及原因分析

2.1 初支變形開裂狀況

老東山隧道在歷時(shí)近4年的施工過程中，受異常復(fù)雜工程水文地質(zhì)條件的影響，在施工過程中多次出現(xiàn)了初期支護(hù)變形、開裂現(xiàn)象，造成噴射混凝土剝落，鋼架局部變形、扭曲、直至折斷。典型初期支護(hù)變形及鋼架扭曲現(xiàn)象見圖3。

圖3 鋼架局部折斷Fig.3 Steel local broken

2.2 變形開裂原因分析

對(duì)于軟弱圍巖隧道施工發(fā)生的初期支護(hù)變形開裂問題，其產(chǎn)生的原因是多樣的，綜合分析老東山隧道所處的地層條件及變形的分布特征，可以確定其產(chǎn)生大變形的原因主要有以下幾個(gè)方面。

2.2.1 巖性因素

老東山隧道以泥巖夾砂巖和泥灰?guī)r為主，這一砂泥質(zhì)巖組多鈣泥質(zhì)膠結(jié)，富含芒硝、石膏和巖鹽，含可溶鹽泥巖，遇水易崩解和濕陷，同時(shí)含鹽泥巖夾層。該巖層具有一定的膨脹性，其膨脹變形率可達(dá)12%;特別是干濕交替頻繁的環(huán)境下，巖體更易風(fēng)化變形破壞，浸水后黏聚力和內(nèi)摩擦角急劇下降，大變形擴(kuò)容松動(dòng)和水浸泡后的滑動(dòng)帶的黏聚力可衰減至0;在充水飽和后體積不變的條件下，膨脹壓力可高達(dá)130 MPa。在這種膨脹壓力的作用下，極易導(dǎo)致隧道初期支護(hù)變形開裂。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

柑橘缺鉬癥狀：新梢成熟葉片出現(xiàn)近圓形或橢圓形黃色至鮮黃色斑塊，俗稱“黃斑病”，葉背斑駁部位呈棕褐色，并可能流膠形成褐色樹脂，葉表面的病斑光滑，葉背面病斑處稍腫起，且滿布膠質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起落葉。有時(shí)葉尖和葉緣枯焦，嫩葉內(nèi)卷略呈杯狀，葉片上有明顯的圓形黃點(diǎn)。缺鉬現(xiàn)象較少見，只在酸性特別強(qiáng)的土壤上才會(huì)出現(xiàn)。

該隧道剩余的1570 m地處區(qū)域性3條逆沖斷層夾持的構(gòu)造擠壓帶中，地層巖性復(fù)雜，砂巖、泥巖混雜;小斷層、褶曲、不整合面、順層滑動(dòng)面、巖脈等各種不利結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部位巖性和完整性差異大。隧道開挖后極易產(chǎn)生滑塌和因軟巖強(qiáng)度降低所造成的圍巖變形，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大壓力。而且各種不利結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)發(fā)育的影響導(dǎo)致初期支護(hù)變形左右不對(duì)稱，使得圍巖變形更難以控制。

2.2.3 地下水因素

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，幾乎所有的初期支護(hù)變形開裂都伴隨著有滲水的影響(見圖4);其破壞過程是一個(gè)漸進(jìn)的力學(xué)過程，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(guān)鍵部位首先產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)、崩潰。已完成的初期支護(hù)段落在擱置大約7 d后，其背后的地下水開始活躍，初支表面開始潮濕，并伴隨著變形開裂的發(fā)生［5］。

圖4 初支表面大面積滲水Fig.4 Large area water seepage on primary support surface

3 變形控制措施的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 施工對(duì)變形影響的試驗(yàn)測(cè)試

老東山隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)線布置見圖5，典型斷面不同施工階段的拱頂沉降及收斂變形時(shí)程曲線見圖6。

圖5 圍巖測(cè)量基線圖Fig.5 Baseline of surrounding rock measurement

(1)隧道施工過程中，上臺(tái)階開挖當(dāng)天變形量為2～3 cm，初期支護(hù)施工完畢后為1～2 cm/d;中臺(tái)階開挖當(dāng)天，水平收斂較大，達(dá)到3 cm左右，初期支護(hù)施工完畢后保持在1～2 cm/d;下臺(tái)階開挖當(dāng)天變形在5 cm左右，仰拱混凝土完成后保持在5～8 mm/d;中下導(dǎo)坑落底對(duì)拱部的變形有較大影響。

(2)隧道初支完成后，若15 d內(nèi)不及時(shí)施作二襯，初支變形面積將隨時(shí)間延伸不斷擴(kuò)大，造成侵限，大多需要拆除重做。

(3)掌子面開挖對(duì)后方10～15 m范圍的初支變形影響較大;下半斷面拉槽開挖對(duì)初支變形的影響一般局限于拉槽開挖長度內(nèi);中下導(dǎo)坑落底或仰拱開挖施工時(shí)，初支變形量明顯增加;已施工的部分段落在仰供和二襯施作完成后，附近的初期支護(hù)仍然無法快速穩(wěn)定。

(4)仰拱與下臺(tái)階的施工間距對(duì)于圍巖變形有重要影響。仰拱封閉成環(huán)后，初期支護(hù)形成整體受力結(jié)構(gòu)，抵抗圍巖變形的能力大大增強(qiáng)，由仰拱成環(huán)前的每天變形1～2 cm減少到仰拱成環(huán)后的每天5～8 mm。也就是說，如果提前一天將仰拱封閉成環(huán)，則每天可將圍巖初期支護(hù)的變形減少一半(10 mm)左右。

圖6 DK951+710斷面變形時(shí)程曲線Fig.6 Deformation process curve of DK951+710 section

3.2 不同初支方案的變形試驗(yàn)

為便于進(jìn)行對(duì)比分析，5種不同的支護(hù)方案均采用三臺(tái)階七步工法進(jìn)行施工，且其施工參數(shù)完全相同，5種不同支護(hù)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道圍巖變形的不同控制效果見表2，表中基線Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ，IIIIII分別為上、中、下臺(tái)階開挖后布置，距臺(tái)階開挖底面高度約為1 m。

表1 不同變形支護(hù)方案Table 1 Different deformation support schemes

表2 不同支護(hù)方案的變形控制效果Table 2 Deformation controlling effects of different support schemes

由表中試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)采用原設(shè)計(jì)的單層I20b型鋼鋼架進(jìn)行支護(hù)時(shí)，累計(jì)最大變形量達(dá)到655 mm，鋼架扭曲、折斷，變形嚴(yán)重侵限，不得不進(jìn)行換拱施工，嚴(yán)重危及施工安全。

(2)采用單層I22b型鋼鋼架方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，累計(jì)最大變形量也達(dá)到601 mm，變形同樣嚴(yán)重侵限，鋼架也發(fā)生了扭曲、折斷，同樣不能滿足施工要求。

(3)采用H175鋼架方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，隧道拱頂下沉和周邊收斂有大幅度的降低，較原設(shè)計(jì)方案，I－I基線累計(jì)最大變形量僅為原最大變形的47%，累計(jì)平均變形量僅為原來的30%;Ⅱ－Ⅱ基線，Ш－Ш基線及拱頂測(cè)試的最大變形量及平均變形量均在原最大變形量和平均變形量的45%以內(nèi);除個(gè)別地段的個(gè)別測(cè)試基線累計(jì)最大變形量達(dá)到275 mm以外，其余地段測(cè)試得到的變形量均在200 mm以內(nèi)，累計(jì)平均收斂值在125 mm以內(nèi)，說明采用該方案基本能保證隧道的正常施工。

(4)采用H200鋼架方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，隧道拱頂下沉和周邊收斂有進(jìn)一步的減小，較原設(shè)計(jì)方案，I－I基線累計(jì)最大變形量僅為原最大變形的40%，累計(jì)平均變形量僅為原來的25%;Ⅱ－Ⅱ基線，Ш－Ш基線及拱頂測(cè)試的最大變形量及平均變形量均在原最大變形量和平均變形量的35%以內(nèi);所有地段的所有測(cè)線測(cè)試得到的變形量均在200 mm以內(nèi)，累計(jì)最大變形量為181 mm，累計(jì)平均收斂值為93 mm，說明采用該方案有效控制了隧道的變形開裂，能夠保證隧道的施工安全。

(5)采用雙層I22b型鋼鋼架方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，隧道拱頂下沉和周邊收斂有更大幅度的降低，較原設(shè)計(jì)方案，I－I基線累計(jì)最大變形量僅為原最大變形的14%，累計(jì)平均變形量僅為原來的11%;Ⅱ－Ⅱ基線、Ш－Ш基線及拱頂測(cè)試的最大變形量及平均變形量均在原最大變形量和平均變形量的12%以內(nèi);所有地段的所有測(cè)線測(cè)試得到的變形量均在80 mm以內(nèi)，累計(jì)最大變形量為76 mm，累計(jì)平均收斂值為51 mm，說明采用該方案能夠完全控制隧道的變形開裂，進(jìn)而保證隧道的施工安全。

此外，在初期支護(hù)的外觀表現(xiàn)上，采用H175、H200或雙層I22b型鋼鋼架支護(hù)施工時(shí)，只要間距合理，極少再未出現(xiàn)噴射混凝土剝落，鋼支撐扭曲、變形或被剪斷等現(xiàn)象;初期支護(hù)表面平整，未出現(xiàn)圍巖應(yīng)力集中造成的個(gè)別地方突出，侵入襯砌凈空的現(xiàn)象;說明整個(gè)初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足圍巖壓力的要求，變形為整體收斂，變形量基本控制在預(yù)留的變形控制量內(nèi)，預(yù)留量基本與圍巖的變形量相吻合。

4 老東山隧道變形控制措施的確定

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，不同支護(hù)參數(shù)控制圍巖變形的效果存在極大差異。由于老東山隧道地質(zhì)復(fù)雜，變化頻繁，同一斷面巖體巖性差異較大，風(fēng)化差異明顯;掌子面受不利結(jié)構(gòu)面組合的影響，初期支護(hù)變形左右不對(duì)稱、無明顯規(guī)律;在施工過程中，必須遵循“寧強(qiáng)勿弱，寧補(bǔ)勿拆”的原則組織施工，采取動(dòng)態(tài)施工的理念，做到“巖變我變”。施工方法仍采用“三臺(tái)階七步開挖法”;初期支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭示的圍巖地質(zhì)狀況對(duì)應(yīng)選擇使用，仰拱和二襯應(yīng)緊跟掌子面施工，確保有效的安全距離，實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)中求快”。

4.1 初期支護(hù)參數(shù)的選擇

(1)當(dāng)掌子面地質(zhì)情況相對(duì)單一、掌子面不利組合面少且無水的狀況下，可選擇采用全環(huán)I20b型鋼架支護(hù)(預(yù)留沉落量按照40 cm同時(shí)考慮支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)空間)，鋼架縱向間距0.8 m;拱部Φ42超前小導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)，超前小導(dǎo)管每1.6 m一環(huán)，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)36 根，每根長3.0 m。

(2)當(dāng)掌子面地質(zhì)情況復(fù)雜、有小斷層、褶曲、不整合面、順層滑動(dòng)面、巖脈(其中任意一種)等不利結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)發(fā)育且有少量裂隙水的影響時(shí)，可選擇采用全環(huán)H200型鋼鋼架支護(hù)(預(yù)留沉落量按照20 cm考慮)，鋼架縱向間距0.6 m，采用雙層鋼筋網(wǎng)片和Φ25縱向連接筋;上臺(tái)階采用擴(kuò)大拱腳(增設(shè)斜撐);拱部Φ42超前小導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)，超前小導(dǎo)管每1.6 m一環(huán)，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)36根，每根長3.0 m;每榀鋼架設(shè)12根Φ76鎖腳錨管，6 m/根;噴射砼厚度調(diào)整為 30 cm［4］［8］。

(3)當(dāng)掌子面地質(zhì)情況復(fù)雜、巖性差異大，各種不利結(jié)構(gòu)組合面交錯(cuò)發(fā)育，且有較大裂隙水時(shí)，可選擇采用全環(huán)I22b+H200型鋼鋼架支護(hù)交錯(cuò)使用(預(yù)留沉落量按照20 cm考慮)，鋼架縱向間距0.6 m，采用雙層鋼筋網(wǎng)片和Φ25縱向連接筋;上臺(tái)階采用擴(kuò)大拱腳(增設(shè)斜撐);拱部Φ76(89)大管棚加強(qiáng)支護(hù)，管棚按照每25 m一環(huán)，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)30根，每根長30 m;每榀鋼架設(shè)12根Φ76鎖腳錨管，6 m/根;噴射砼厚度調(diào)整為30 cm。

4.2 施工控制措施

(1)施工中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況選擇了拱架類型后，嚴(yán)格控制拱架的縱向間距，同時(shí)要做好鋼架的縱向連接，必要時(shí)可采取一定的加強(qiáng)措施(I18工字鋼或不等邊角鋼或增設(shè)連接筋數(shù)量等方式)，確保連接質(zhì)量，每一循環(huán)要進(jìn)行技術(shù)交底［4］［9］。

(2)按要求做好超前支護(hù)和鎖腳錨管，務(wù)必結(jié)合實(shí)際揭示圍巖的巖層產(chǎn)狀確定鎖腳錨管的角度，同時(shí)提高安裝焊接的質(zhì)量。

(3)當(dāng)采用雙層鋼筋網(wǎng)片時(shí)，要特別注意安裝步驟，先在緊貼圍巖表層安裝一層網(wǎng)片，待錨桿施作完成后進(jìn)行第1次噴射砼，砼厚度為10 cm，然后安裝第2層鋼筋網(wǎng)片，再噴射第2層砼;另外，加強(qiáng)網(wǎng)片之間的搭接質(zhì)量，噴射砼時(shí)要控制好噴射距離和角度，嚴(yán)禁出現(xiàn)空洞，對(duì)于初支背后的空洞應(yīng)采用砼墊塊或工字鋼邊角料進(jìn)行填塞［9］。

(4)按要求嚴(yán)格控制掌子面與仰拱和二襯之間的距離，掌子面與仰拱的距離應(yīng)小于30 m，掌子面與二襯之間的距離應(yīng)小于40 m，及時(shí)調(diào)整工序，實(shí)現(xiàn)均衡施工、流水作業(yè)。

(5)在開挖后及時(shí)預(yù)埋圍巖量測(cè)點(diǎn)，加大觀測(cè)頻率，增加測(cè)點(diǎn)密度，及時(shí)繪制位移時(shí)態(tài)曲線并進(jìn)行分析，掌握拱頂下沉及周邊收斂的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)異常立即采取加固措施，同時(shí)要根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)分析成果及時(shí)調(diào)整預(yù)留沉落量。

(6)對(duì)掌子面潮濕段落及時(shí)埋設(shè)Φ42小導(dǎo)管作為注漿管，必要時(shí)埋設(shè)盲管，以將地下滲水集中排出。

(7)施工過程中，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，減少超挖，各施工工序之間的時(shí)間、距離應(yīng)盡量縮短，并盡快地使全斷面襯砌封閉，以減少巖層的暴露時(shí)間。

通過一系列的研究、試驗(yàn)，對(duì)施工方法、施工工藝、施工組織進(jìn)行了改進(jìn)、加強(qiáng)，使得老東山隧道初期支護(hù)的變形開裂問題得到了有效的控制，大大降低了隧道現(xiàn)場(chǎng)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

(1)導(dǎo)致隧道圍巖產(chǎn)生大變形的因素很多，必須充分了解隧道產(chǎn)生大變形的主要原因，才能采取有針對(duì)性的控制措施;對(duì)于處于構(gòu)造擠壓帶中的老東山隧道，其大變形是在巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地下水綜合作用下，因開挖卸荷和圍巖膨脹所導(dǎo)致的。

(2)不同的支護(hù)方案的圍巖變形控制效果差異極大，采用單層I20b型鋼鋼架或單層I22b型鋼鋼架方案時(shí)，累計(jì)最大變形量達(dá)到600 mm以上，鋼架扭曲、折斷，變形嚴(yán)重侵限;H175鋼架和H200鋼架方案能將最大變形量控制在300 mm以內(nèi)，平均變形量控制在200 mm以內(nèi)，基本能夠保證施工安全;雙層I22b型鋼鋼架方案能將最大變形量控制在80 mm以內(nèi)，完全滿足施工要求。

(3)針對(duì)老東山隧道，當(dāng)掌子面地質(zhì)情況相對(duì)單一時(shí)，可選擇采用全環(huán)I20b型鋼架支護(hù);當(dāng)掌子面地質(zhì)情況復(fù)雜、有小斷層、褶曲等不利結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)發(fā)育且有少量裂隙水的影響時(shí)，可選擇采用全環(huán)H200型鋼鋼架支護(hù);當(dāng)掌子面地質(zhì)情況復(fù)雜、巖性差異大，各種不利結(jié)構(gòu)組合面交錯(cuò)發(fā)育，且有較大裂隙水時(shí)，可選擇采用全環(huán)I22b+H200型鋼鋼架支護(hù)交錯(cuò)使用。

(4)隧道施工過程中，拱頂下沉和收斂變形受臺(tái)階開挖影響明顯，上中下臺(tái)階開挖后變形出現(xiàn)顯著的臺(tái)階形增加，隨后變形速率有所減少;軟弱圍巖隧道施工應(yīng)嚴(yán)格控制好開挖進(jìn)尺及施工步距，各施工工序之間的時(shí)間、距離應(yīng)盡量縮短，安全距離任何時(shí)候不能超標(biāo)，初支完成后應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)，以有效的減少初支變形;掌子面開挖后要確保二襯適當(dāng)緊跟掌子面施工，防止變形進(jìn)一步擴(kuò)展，維護(hù)圍巖穩(wěn)定。

［1］趙旭峰.擠壓性圍巖隧道施工時(shí)空效應(yīng)及其大變形控制研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.ZHAO Xu-feng.The temporal and spatial effect in construction and control of large deformation of tunnels in squeezing Ground［D］.Shanghai:Tongji University，2007.

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