中外高地應(yīng)力軟巖隧道大變形工程技術(shù)措施對(duì)比分析
——以蘭渝鐵路木寨嶺隧道與瑞士圣哥達(dá)基線隧道為例

，

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，鐵路修建標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，出現(xiàn)了越來(lái)越多施工風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)的長(zhǎng)大深埋隧道，如何貫通高地應(yīng)力復(fù)雜地質(zhì)條件下的軟巖隧道已經(jīng)成為特長(zhǎng)隧道建設(shè)中的一個(gè)不可回避的難題[1-3]。針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道大變形問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者已進(jìn)行了深入的理論研究。陳宗基[4]認(rèn)為，圍巖收斂機(jī)制應(yīng)包括塑性楔體、流動(dòng)變形、圍巖膨脹、擴(kuò)容、撓曲5個(gè)方面。王成虎等[5]將隧道圍巖大變形重新定義為發(fā)生在地下空間開(kāi)挖面周邊的一種與時(shí)間相關(guān)的變形行為，并將隧道圍巖大變形產(chǎn)生的原因分為3類: 1)高地應(yīng)力作用下的巖體剪切破壞； 2)開(kāi)挖引起的巖體結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)； 3)特殊圍巖開(kāi)挖后發(fā)生的水化學(xué)反應(yīng)造成的體積膨脹，這種變形可能會(huì)在開(kāi)挖期間停止，也可能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，按成因不同可分為應(yīng)力型、材料型和結(jié)構(gòu)型3種類型如表1所示。趙勇[6]提出了軟弱圍巖隧道變形控制的方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。關(guān)巖鵬等[7]基于新意法對(duì)大斷面軟巖隧道加固參數(shù)進(jìn)行了研究。Barla Giovanni[8]應(yīng)用新意法理論研究了在困難條件下大斷面隧道的全斷面開(kāi)挖。

表1隧道圍巖大變形類型及成因[5]

Table 1 Types and causes for large deformation of tunnel surrounding rock[5]

變形類型成因變形特征應(yīng)力型 巖體強(qiáng)度過(guò)低,在高應(yīng)力作用下發(fā)生剪切破裂,進(jìn)而失穩(wěn),發(fā)生整體大變形 具有明顯的優(yōu)勢(shì)部位和方向材料型 黏土礦物(如高嶺石、蒙脫石、云母等)遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生體積膨脹引起大變形 無(wú)明顯的優(yōu)勢(shì)部位和方向結(jié)構(gòu)型 由于巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較弱,在地下空間開(kāi)挖后,巖體沿結(jié)構(gòu)面(如層理、節(jié)理等)發(fā)生滑移、松動(dòng)產(chǎn)生的大變形 大變形沿巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生,一般具有突發(fā)性

目前，對(duì)于埋深大、高地應(yīng)力軟巖隧道的開(kāi)挖與變形控制來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)多以臺(tái)階法為主，國(guó)外則廣泛采用新意法。國(guó)內(nèi)蘭渝鐵路木寨嶺特長(zhǎng)隧道與瑞士圣哥達(dá)基線特長(zhǎng)隧道正是這2種施工工法的典型代表，2個(gè)隧道具有典型的共同特征: 1)屬于軟弱地層中的深埋長(zhǎng)大隧道； 2)地質(zhì)情況極為復(fù)雜； 3)施工風(fēng)險(xiǎn)高，其采取的針對(duì)軟巖大變形隧道的控制變形措施均代表了目前隧道建設(shè)的先進(jìn)水平。本文對(duì)2個(gè)隧道從大變形影響因素、圍巖分級(jí)、變形控制技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行綜合對(duì)比，以期研究結(jié)果為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 蘭渝鐵路木寨嶺隧道

蘭渝鐵路木寨嶺隧道是蘭渝線中僅次于西秦嶺隧道的第2長(zhǎng)隧道，位于甘肅省定西市漳縣與岷縣交界處、青藏高原隆升區(qū)邊緣。受多期構(gòu)造影響，區(qū)域斷裂、褶皺發(fā)育，海拔高，地勢(shì)起伏大，初始地應(yīng)力復(fù)雜，實(shí)測(cè)水平地應(yīng)力最大為27.16 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為0.49，處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。主隧道為雙洞單線分離式特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)19.020 km，線間距為22.5～50.0 m，縱向地質(zhì)剖面如圖1所示。隧道洞身最大埋深約715 m，最小埋深約30 m，共發(fā)育11個(gè)斷裂帶，最大帶寬約1 km，總長(zhǎng)4.5 km。受祁連褶皺帶和昆侖—秦嶺褶皺帶的影響，施工區(qū)域大部分地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，多為壓碎巖，又以軟質(zhì)板巖為主，夾及軟巖、炭質(zhì)板巖，占全隧道長(zhǎng)度的46.53%。其中，炭質(zhì)板巖屬于典型層理化軟巖，巖體層理裂隙發(fā)育，浸水后強(qiáng)度降低一半，是導(dǎo)致木寨嶺隧道圍巖穩(wěn)定性差、極易產(chǎn)生大變形和局部垮塌的重要因素之一。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段與一般段相比埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是嶺脊核心段F14斷層帶。F14斷層帶北起DK179+900，南至DK182+500，上、下盤巖性均為板巖夾砂巖夾炭質(zhì)板巖，破碎帶由壓碎巖組成，寬度約170 m，斷層帶影響左右線長(zhǎng)度合計(jì)1 876 m。2014年，隧道穿越嶺脊核心段F14斷層帶后，拱架扭曲，底部隆起，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)向洞身方向徑向變形開(kāi)裂，施工進(jìn)展極為艱難。

1.2 圣哥達(dá)基線隧道

圣哥達(dá)基線隧道位于歐洲中南部，全線貫穿阿爾卑斯山脈，主隧道為2條平行的單線隧道，長(zhǎng)度超過(guò)57 km，凈空直徑為7.9 m，隧道系統(tǒng)總長(zhǎng)度達(dá)到151.8 km，是世界上最長(zhǎng)的隧道(包含鐵路隧道與公路隧道)。圣哥達(dá)基線隧道縱向地質(zhì)剖面如圖2所示。隧道主構(gòu)造單元垂直穿過(guò)阿爾卑斯山核部，從北向南依次通過(guò)3個(gè)地塊，即北部的Aar地塊、中部的Gotthard地塊和南部的Penninic Gneiss Zone，其中，90%以上的隧道所處地質(zhì)構(gòu)造主要由高強(qiáng)度的火成巖和變質(zhì)巖組成，在施工期間不太可能造成任何重大技術(shù)困難。但在25—65百萬(wàn)年前的阿爾卑斯山地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中，受長(zhǎng)期擠壓、構(gòu)造應(yīng)力增大和溫度升高作用，致使3個(gè)地塊連接部的巖石力學(xué)特性惡化。

圣哥達(dá)基線隧道Sedrun車站所處的TZM地塊正是地塊連接部的典型代表。Sedrun車站地質(zhì)詳圖如圖3所示。覆土厚度約1 600 m，根據(jù)三維初始應(yīng)力場(chǎng)反演回歸分析[9]可知，垂直地應(yīng)力為27 MPa。從結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，TZM地塊可分為2個(gè)部分: 北部是由云母片麻巖和片巖在延性與脆性條件下經(jīng)過(guò)極其強(qiáng)烈的阿爾卑斯山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加所形成；南部由只有局部脆性剪切變形的巖石組成，主要部分為華力西早期片麻巖，包含偉晶巖脈、滑石片巖、蛇紋巖、角閃巖等，在鄰近Urseren-Gavera地塊部分巖石極其糜棱巖化。

圖2 圣哥達(dá)基線隧道縱向地質(zhì)剖面圖

圖3 圣哥達(dá)基線隧道Sedrun車站地質(zhì)詳圖

Fig. 3 Geological detail of Sedrun Station of Saint Gotthard Base Tunnel

2 大變形影響因素對(duì)比分析

2.1 巖性條件

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段主要以二疊系板巖及炭質(zhì)板巖為主，是典型的軟巖地層，受斷層帶影響，巖體層理裂縫發(fā)育，部分地段泥化嚴(yán)重。隧道開(kāi)挖后引起圍巖應(yīng)力重分布，在大埋深及高地應(yīng)力條件下，軟巖和破碎巖體強(qiáng)度不足以承受重分布后的圍巖應(yīng)力，巖體將發(fā)生塑性變形和剪切滑移破壞。

圣哥達(dá)基線隧道受阿爾卑斯山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，變形量大，TZM地塊北部地層由厚度不等的片麻巖、千枚巖和片巖組成的傾斜巖層交替生成，其中，具有延性破壞的角礫破碎巖(kakiritic rocks，kakiritic rocks為已經(jīng)失去很大一部分初始能量的破碎巖石或被密集剪切的巖石)占70%，其余30%為脆性斷裂性質(zhì)的硬巖。TZM地塊的隧道初期變形量大、變形速度快，若不加以控制或控制不及時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

按工程軟巖分類，蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段屬于高應(yīng)力擠壓性軟巖，圣哥達(dá)基線隧道TZM段屬于高應(yīng)力-節(jié)理化復(fù)合型軟巖，兩者均屬于擠壓性變形類型。圍巖變形雖有一定韌性，但大變形侵限會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)破壞，對(duì)工程安全影響極大，因此有必要對(duì)擠壓變形的預(yù)留量和變形控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2.2 地應(yīng)力條件

蘭渝鐵路木寨嶺隧道處于兩大山系交匯處，隧道埋深大，地應(yīng)力高，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主?，F(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試表明，地應(yīng)力方向?yàn)镹34°，最大水平主應(yīng)力為27.16 MPa，炭質(zhì)板巖地段經(jīng)開(kāi)挖爆破后應(yīng)力重新分布，徑向圍巖壓力小于起始膨脹壓力，而切向圍巖壓力大于膨脹壓力，極易造成隧道圍巖大變形和局部坍塌破壞。

圣哥達(dá)基線隧道具有覆土厚度大的特征: 覆土厚度超過(guò)1 000 m的有30 km，超過(guò)1 500 m的有20 km，超過(guò)2 000 m的約有5 km，最大覆土厚度約為 2 400 m。雖然隧道開(kāi)挖后的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明邊墻水平位移大于拱頂沉降，但發(fā)生擠壓變形的圍巖巖性軟弱，地應(yīng)力主要取決于巖體自重應(yīng)力，大主應(yīng)力在垂直方向。

綜上所述，蘭渝鐵路木寨嶺隧道與圣哥達(dá)基線隧道均屬于高地應(yīng)力隧道，但蘭渝鐵路木寨嶺隧道以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，圣哥達(dá)基線隧道以自重應(yīng)力為主。

2.3 地下水條件

蘭渝鐵路木寨嶺隧道地下水位相對(duì)較低，圍巖地下水豐富。在構(gòu)造作用下，隧道內(nèi)的斷層破碎帶、褶皺帶、節(jié)理密集帶、巖性接觸帶為地下水的貯存運(yùn)移創(chuàng)造了良好的內(nèi)部條件。由于炭質(zhì)板巖含有較多的黏土礦物，巖石遇水后易膨脹，水在巖石裂隙中流動(dòng)，增大了巖石的裂隙，部分礦物質(zhì)被溶解，因此，巖石強(qiáng)度降低是必然的結(jié)果。另外，部分巖樣發(fā)生軟化現(xiàn)象。

通過(guò)過(guò)去130年間在Aar和Gotthard地塊上建造的隧道和水電站的地質(zhì)信息可知，圣哥達(dá)基線隧道穿過(guò)的陡峭傾斜斷層具有非常高的滲透性，隧道初始涌水量高達(dá)100～1 000 L/s。大多數(shù)滲流都發(fā)生在靠近剪切面的密集節(jié)理區(qū)和斷層碎裂帶，碎裂帶總厚度從幾dm到幾m不等，跡長(zhǎng)可達(dá)幾km。而通過(guò)超前鉆孔探測(cè)出貫穿隧道面的所有破碎帶的方法既不可行也不夠高效，同樣僅僅通過(guò)地表觀測(cè)很難對(duì)破碎區(qū)的滲透性進(jìn)行可靠的評(píng)估，這就使隧道在開(kāi)挖的過(guò)程中必須有能抵抗高水壓的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

綜上所述，能否解決地下水問(wèn)題是隧道成功開(kāi)挖與否的關(guān)鍵性因素之一。另外，在含水巖層中開(kāi)挖時(shí)，圍巖會(huì)受到地下水泄出的影響，涌出的地下水作為一種動(dòng)水壓力使支護(hù)難度增大；且地下水的泄出還增加了周圍泥質(zhì)軟巖與水接觸的機(jī)會(huì)，會(huì)使泥質(zhì)軟巖中有膨脹潛能的礦物急劇膨脹。

3 隧道圍巖分級(jí)對(duì)比

隧道工程中的軟巖通常是指軟弱、破碎、富水等不良地質(zhì)條件下的圍巖，通常具有巖石強(qiáng)度低、巖體破碎、圍巖賦存環(huán)境差的特點(diǎn)。隧道軟弱圍巖就是用通常的初期支護(hù)及簡(jiǎn)易小導(dǎo)管支護(hù)不能控制開(kāi)挖后的圍巖變形，而需要采用有針對(duì)性控制變形措施的圍巖。

3.1 蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，按強(qiáng)度應(yīng)力比、圍巖基本分級(jí)、初始地應(yīng)力影響對(duì)蘭渝鐵路高地應(yīng)力軟弱圍巖進(jìn)行分級(jí)，將Ⅳ級(jí)圍巖劃分成Ⅳa、Ⅳb、Ⅳc級(jí)圍巖，Ⅴ級(jí)圍巖劃分為Ⅴa、Ⅴb級(jí)圍巖，并制定了相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。但實(shí)際應(yīng)用效果不佳，究其原因主要是隧道大變形是多種因素共同作用的結(jié)果，不僅僅是圍巖級(jí)別的影響，在現(xiàn)有圍巖分級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往造成下一級(jí)支護(hù)參數(shù)要比上一級(jí)強(qiáng)，因此采用合理的高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖分級(jí)方法十分必要。張梅等[10]根據(jù)巖石類別、巖層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、巖層走向與隧道洞軸線的夾角等，按鋼架為I20、初期支護(hù)為C25噴射混凝土預(yù)測(cè)變形量，將高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖分為4級(jí)(見(jiàn)表2)，并驗(yàn)證了該分級(jí)方法能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

表2 蘭渝鐵路木寨嶺隧道高地應(yīng)力圍巖分級(jí)[10]

3.2 圣哥達(dá)基線隧道圍巖分級(jí)

圣哥達(dá)基線隧道主要從巖石的巖性和構(gòu)造特征(剪切程度、片理)方面對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)圍巖破壞試驗(yàn)得到的巖粉形態(tài)，可將圍巖的剪切程度分為6級(jí)(見(jiàn)表3)；根據(jù)圍巖的完整性可將圍巖分為9級(jí)(見(jiàn)表4)，圍巖的完整性從種類1(以閃長(zhǎng)巖、石英巖為標(biāo)準(zhǔn))到種類9(完全破碎的角礫巖、細(xì)粒物料)遞減，種類8、9不代表狹義范圍內(nèi)的圍巖完整性，因?yàn)樵趶?qiáng)烈剪切作用下巖石所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)，可以在某種程度上被視作另一種巖性。同時(shí)，在開(kāi)挖的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，圍巖的剪切程度與完整性之間有明顯的關(guān)系，樣本完整性越好，剪切程度越小。大部分軟巖可以通過(guò)剪切程度與巖性這2個(gè)因素進(jìn)行定性描述，但在Sedrun車站北部破碎區(qū)存在強(qiáng)烈剪切變形的軟巖，而剪切變形并沒(méi)有使破碎區(qū)巖體均質(zhì)化，舊的巖石結(jié)構(gòu)依然存在于這些剪切區(qū)域之間，因此，在密集剪切區(qū)段片理影響也是決定圍巖分級(jí)的重要因素之一。

表3基于剪切程度的TZM段圍巖分級(jí)[11]

Table 3 Classification of surrounding rock based on shearing degree in section TZM[11]

圍巖等級(jí)描述1無(wú)2零星剪切破壞、滑擦面3片狀、薄板狀巖石、糜棱巖、千枚巖4 剪切、破裂的巖石(巖粉比例<10%,對(duì)隧道開(kāi)挖面的擾動(dòng)<25%)5 剪切、脆性的巖石(巖粉比例10%～30%,對(duì)隧道開(kāi)挖面的擾動(dòng)>25%)6 巖石巖粉比例>30%,具有可塑稠度,對(duì)隧道開(kāi)挖面絕大部分都有擾動(dòng)

表4基于完整性的TZM段圍巖性分級(jí)[11]

Table 4 Surrounding rock classification based on integrity in section TZM[11]

圍巖等級(jí)描述1結(jié)晶花崗巖、閃巖、石英巖2富含長(zhǎng)石和部分石英的片麻巖、混合巖3條紋片麻巖4富含云母和白云石的片麻巖5富含片巖的片麻巖6片巖7千枚巖8角礫破碎巖(斷層泥)9塑性程度高、細(xì)粒比例大的角礫破碎巖

綜合對(duì)比蘭渝鐵路木寨嶺隧道和圣哥達(dá)基線隧道的圍巖分級(jí)，發(fā)現(xiàn)二者雖然分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不一樣，但本質(zhì)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。蘭渝鐵路木寨嶺隧道根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》按巖石類別、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理面傾角等因素進(jìn)行圍巖分級(jí)，實(shí)則是以《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的BQ法為基礎(chǔ)藍(lán)本，如式(1)所示，并依據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度及完整性程度指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)； 而圣哥達(dá)基線隧道依據(jù)圍巖的剪切程度與圍巖完整性程度進(jìn)行分級(jí)，其分級(jí)方法與BQ法相比大同小異。此外，國(guó)內(nèi)BQ分級(jí)方法還考慮了地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面、初始地應(yīng)力等影響。將圣哥達(dá)基線隧道圍巖分級(jí)方法、蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)方法與國(guó)內(nèi)BQ法比較，從式(2)中可知，兩者均未考慮地下水的影響。蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)影響因素更多，適用性更強(qiáng)； 圣哥達(dá)基線隧道分級(jí)缺少對(duì)主要軟弱結(jié)構(gòu)面與初始地應(yīng)力影響的研究，但分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)更加細(xì)化，且對(duì)特殊地段圍巖進(jìn)行了考慮，針對(duì)性更強(qiáng)。

BQ=90+3Rc+250Kv

。

(1)

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

。

(2)

式(1)—(2)中: BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)； [BQ]為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值；Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，MPa；Kv為完整性程度指標(biāo)；K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3為初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

4 變形控制技術(shù)對(duì)比

在目前的軟巖大變形隧道施工中，“先柔后剛、先放后抗”的支護(hù)方式優(yōu)于“強(qiáng)支硬頂”已經(jīng)成為了一種共識(shí)。但在當(dāng)前的工程實(shí)踐中，按“強(qiáng)支硬頂”理念施工的工程仍有不少，其中，最常見(jiàn)的病害為設(shè)計(jì)較厚鋼筋襯砌的隧道發(fā)生了開(kāi)裂，嚴(yán)重影響了運(yùn)營(yíng)安全。而“先柔后剛、先放后抗”是否可以有效控制變形則取決于預(yù)留變形量設(shè)置是否合理，若預(yù)留變形量過(guò)大，則易造成地層過(guò)度松散，產(chǎn)生更大的松散圍巖圍壓，軟弱圍巖變形就更加難以控制；若預(yù)留變形量過(guò)小，則會(huì)造成隧道初期支護(hù)侵限，被迫更換。所以預(yù)留變形量的大小、初期支護(hù)程度和開(kāi)挖工法成為變形控制的關(guān)鍵。

4.1 預(yù)留變形量

張梅等[10]推薦預(yù)留變形量按式(3)計(jì)算，并根據(jù)蘭渝鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，如表5所示。

U預(yù)留=U初期支護(hù)+U補(bǔ)償。

(3)

式中:U預(yù)留為預(yù)留變形量，cm；U初期支護(hù)為初期支護(hù)變形量，cm；U補(bǔ)償為初期支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)空間，cm。

表5蘭渝鐵路木寨嶺高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量

Table 5 Design reserved deformation of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway with soft rock under high ground stress cm

國(guó)外Mezger等[11]首先基于節(jié)理面傾角和節(jié)理面與洞軸線之間的夾角研究得到片理影響因子，如式(4)所示； 然后，結(jié)合表3確定圍巖所處剪切程度的級(jí)別，得到巖體影響因子，如式(5)所示； 再引入比例常數(shù)β得到高地應(yīng)力軟巖大變形隧道收斂經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)式(6)； 最后在Sedrun車站北部覆土厚度達(dá)到1 600 m 的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，將實(shí)測(cè)收斂結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的收斂值進(jìn)行對(duì)比(如圖4所示)，對(duì)比結(jié)果表明，兩者具有較好的一致性，其中，平均位移差為 2.0 cm，最大位移差為2.4 cm。在超前鉆探時(shí)，可以鉆探得到巖體剪切程度和節(jié)理面傾角這2個(gè)重要參數(shù)。

圖4 Sedrun車站北部收斂監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

Fig. 4 Comparison between calculated values and monitoring values of convergence deformation in north of Sedrun Station

隧道開(kāi)挖方法也是影響預(yù)留變形量的因素之一，例如: 采用三臺(tái)階開(kāi)挖法施工必然會(huì)造成臺(tái)階拱腳變形內(nèi)移，特別是在高地應(yīng)力條件下，每開(kāi)挖一個(gè)臺(tái)階就會(huì)向內(nèi)移動(dòng)一定距離，最終造成下臺(tái)階施工后變形侵限。因此，應(yīng)采取不均勻預(yù)留變形量，在拱腳處適當(dāng)加大預(yù)留變形量。針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道，可以在勘察設(shè)計(jì)階段根據(jù)超前地探得到的數(shù)據(jù)，采用式(6)對(duì)隧道收斂量進(jìn)行預(yù)估，確定隧道開(kāi)挖半徑與臨時(shí)支護(hù)，在實(shí)際施工時(shí)，再根據(jù)開(kāi)挖方法的特點(diǎn)，采取不均勻預(yù)留變形量。

4.2 支護(hù)方法與參數(shù)

以往對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道大變形的控制通常不考慮高地應(yīng)力釋放與支護(hù)之間的平衡，這就使得當(dāng)加大預(yù)留變形量強(qiáng)調(diào)應(yīng)力釋放時(shí)，往往由于應(yīng)力釋放過(guò)度導(dǎo)致隧道凈空侵限；而通過(guò)增大初期支護(hù)剛度來(lái)抑制大變形時(shí)，效果也不好，因?yàn)檐泿r自穩(wěn)時(shí)間短，不僅要求支護(hù)及時(shí)，還需要較大的支護(hù)阻力，所以對(duì)于高地應(yīng)力軟巖隧道應(yīng)采用既有足夠支護(hù)阻力又有一定可讓性的支護(hù)方式，使支護(hù)不僅能限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，還能適應(yīng)圍巖變形。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道遵循“邊放邊抗”的支護(hù)原則，提出了圓形斷面導(dǎo)洞擴(kuò)挖與多重支護(hù)相結(jié)合的方案。采用先開(kāi)挖超前導(dǎo)洞，再在開(kāi)挖正洞時(shí)將小導(dǎo)洞回填，然后采用臺(tái)階法分上、中、下三部分開(kāi)挖的方法，如圖5所示。與直接使用三臺(tái)階法開(kāi)挖相比，采用導(dǎo)洞擴(kuò)挖法能將總變形潛能分2次釋放(導(dǎo)坑承擔(dān)一部分，隧道初期支護(hù)承擔(dān)一部分)，可減小初期支護(hù)開(kāi)裂破壞發(fā)生的可能性，且由文獻(xiàn)[12]可知，導(dǎo)洞擴(kuò)挖法可顯著降低正洞擴(kuò)挖時(shí)的變形速率，加快圍巖施工應(yīng)力場(chǎng)的平衡趨勢(shì)。蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用“超前小導(dǎo)管注漿+3層初期支護(hù)+錨注支護(hù)+ 二次襯砌”的支護(hù)方式(如圖6所示)，首先，通過(guò)超前小導(dǎo)管注漿對(duì)前方掌子面進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)和超前預(yù)加固； 然后，開(kāi)挖上臺(tái)階，施作第1次支護(hù)時(shí)，容許圍巖有一定量的變形，釋放部分地應(yīng)力；開(kāi)挖中臺(tái)階時(shí)，施作第2次支護(hù)，平衡圍巖壓力與支護(hù)抗力，進(jìn)而控制隧道大變形；開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)，進(jìn)行第3次支護(hù)與注漿加固，提高圍巖整體性，減少地下水滲流隱患； 最后，再施作二次襯砌。對(duì)于部分變形嚴(yán)重的洞段，錨注后可采用自進(jìn)式錨桿進(jìn)一步加固，提高圍巖的整體力學(xué)性能，控制塑性變形。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明[12]，第1層初期支護(hù)拱頂沉降量為308.33 mm，第2層初期支護(hù)拱頂沉降量為104.2 mm，第3層初期支護(hù)拱頂沉降量為76 mm，拱頂總沉降量為488.53 mm，3層支護(hù)對(duì)變形的控制效果明顯，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表6。

圖5 蘭渝鐵路木寨嶺隧道開(kāi)挖示意圖

Fig. 5 Sketch of excavation of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway

圖6 蘭渝鐵路木寨嶺隧道導(dǎo)洞擴(kuò)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面示意圖

Fig. 6 Cross-section of supporting structure of pilot tunnel enlarging of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway

表6 蘭渝鐵路木寨嶺隧道與圣哥達(dá)基線隧道支護(hù)參數(shù)

在極為困難的應(yīng)力-應(yīng)變條件下，圣哥達(dá)基線隧道采用超前加固掌子面的全斷面開(kāi)挖的“新意法”，通過(guò)可縮式支護(hù)系統(tǒng)(如圖7所示)加固掌子面超前核心圍巖，控制掌子面超前核心土變形，從而控制隧道圍巖的收斂變形。通過(guò)監(jiān)測(cè)得到徑向位移平均值為 20～30 cm，最大值為75 cm，說(shuō)明擠壓性變形控制方法很成功，日進(jìn)度為1.3 m，造價(jià)低于預(yù)期造價(jià)?；谛乱夥ǖ娜珨嗝骈_(kāi)挖技術(shù)不僅能縮短隧道掌子面封閉時(shí)間，還能有效減少隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)?？煽s式支護(hù)系統(tǒng)采用摩擦型可縮性U型鋼支架，其具有塑性破壞特征，能抵抗初始大變形，對(duì)可能產(chǎn)生的松散壓力荷載有一定的承載能力，同時(shí)也讓圍巖變形得到一定程度的釋放。與蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用的H型鋼和工字鋼不同，U型鋼鋼架可以通過(guò)接頭的滑移縮短鋼架的周長(zhǎng)，避免或減少因扭轉(zhuǎn)和翹曲破壞引起的鋼架失效。除了可縮性鋼架外，配合使用噴射混凝土與掌子面錨桿對(duì)限制變形也有較好的效果，掌子面錨桿可以和核心土形成加固復(fù)合體，提高承載能力，但在施工中需要注意，在實(shí)際變形結(jié)束后才能施加噴射混凝土等適用于破壞準(zhǔn)則的支護(hù)材料，否則支護(hù)抗力將提升不到穩(wěn)定平衡的必要水平。采取的主要措施如下: 1)隧道全斷面開(kāi)挖，一次開(kāi)挖80～135 m2； 2)為了適應(yīng)收斂而不侵限隧道凈空，需預(yù)先超挖0.1～0.7 m； 3)使用TH44/70 U型鋼可縮性鋼架，在嚴(yán)重?cái)D壓的巖石中，型鋼間距為0.33～0.67 m，鋼鐵量為9.4 t/m； 4)采用長(zhǎng)度為12 m的徑向錨桿，使用鋼纖維增強(qiáng)噴漿混凝土，每次開(kāi)挖后立即施作； 5)掌子面采用自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)18 m，每開(kāi)挖6 m打設(shè)一次，加固后全斷面開(kāi)挖； 6)收斂速度減慢后，即鋼架接頭滑移到位時(shí)，立即噴射混凝土覆蓋，防止鋼架在軸向壓力下發(fā)生翹曲，保證鋼架承載能力的完全發(fā)揮。

(a) 縱斷面 (b)A-A剖面

支護(hù)安裝順序: ①掘進(jìn)； ②封閉作業(yè)區(qū)； ③安裝鋼拱架； ④安裝徑向錨桿； ⑤噴射混凝土。

圖7可縮式支護(hù)系統(tǒng)的縱斷面和剖面圖

Fig. 7 Longitudinal profile and cross-section of yielding support system

4.3 支護(hù)機(jī)械化施工及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從施工方面來(lái)看，蘭渝鐵路木寨嶺隧道施工工序較多，組織難度大，雖然在第3層支護(hù)施作后，基本將平均變形速率控制在1 mm/d以下[13]，但在二次襯砌施作前圍巖變形并未完全收斂穩(wěn)定。在高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下，二次襯砌還要承受巖石流變引發(fā)的荷載，使支護(hù)系統(tǒng)的剛度加大，支護(hù)系統(tǒng)的受力條件惡化，二次襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性受到威脅。圣哥達(dá)基線隧道在距掌子面70 m處進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，雖然時(shí)間間隔較長(zhǎng)，但圍巖的自承能力和支架承載能力已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)最佳平衡點(diǎn)，能保證隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

從費(fèi)用控制及經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)看，蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用的相對(duì)保守和繁瑣的施工方法與工期和費(fèi)用控制相矛盾，其在工期與費(fèi)用控制上都有一定的不可預(yù)見(jiàn)性。圣哥達(dá)基線隧道采用的全斷面開(kāi)挖的新意法在軟巖大斷面施工中有利于施工管理，同時(shí)也為機(jī)械化施工開(kāi)挖提供了更好的施工環(huán)境，減小了原巖應(yīng)力重分布的波及范圍及塑性區(qū)范圍，更好地保持了原巖狀態(tài)，降低了運(yùn)營(yíng)期隧道病害發(fā)生的可能性。由文獻(xiàn)[14]可知: 在軟巖大斷面隧道中，采用新意法施工每延米成洞成本約為29萬(wàn)元，而傳統(tǒng)分部開(kāi)挖法每延米成洞成本約為42萬(wàn)元，成本對(duì)比如表7所示。新意法雖然在超前支護(hù)階段成本較高，但與分部開(kāi)挖法相比，開(kāi)挖和初期支護(hù)成本較低。

表7新意法和分部開(kāi)挖法施工成本對(duì)比

Table 7 Comparison of construction cost of Pietro Lunardi method and bench excavation method 萬(wàn)元

5 結(jié)論與討論

蘭渝鐵路木寨嶺隧道與圣哥達(dá)基線隧道工程建設(shè)難度相當(dāng)，在地下工程領(lǐng)域內(nèi)均為世界級(jí)難度，且均處于高地應(yīng)力、埋深大、地質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境中。本文針對(duì)中外2個(gè)典型的高地應(yīng)力、深埋大、地質(zhì)復(fù)雜的特長(zhǎng)隧道工程進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1)高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖大變形是在巖性、地下水、地應(yīng)力場(chǎng)、圍巖地質(zhì)構(gòu)造等多種因素共同作用下，因開(kāi)挖卸荷、應(yīng)力重分布、圍巖發(fā)生塑性剪切滑移所致。蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段屬于H型軟巖，圣哥達(dá)基線隧道TZM段屬于HJ型軟巖。

2)在高地應(yīng)力軟弱圍巖分級(jí)上，圣哥達(dá)基線隧道與蘭渝鐵路木寨嶺隧道均以BQ法為基礎(chǔ)藍(lán)本，但蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)更全面，圣哥達(dá)基線隧道圍巖分級(jí)針對(duì)性更強(qiáng)。

3) 針對(duì)高地應(yīng)力軟巖區(qū)開(kāi)挖后易發(fā)生強(qiáng)烈變形和坍塌的問(wèn)題，蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用臺(tái)階法兼超前管棚、小導(dǎo)管注漿等施工控制措施；圣哥達(dá)基線隧道采用新意法約束超前核心土的方法以及預(yù)加固措施來(lái)予以控制。

4)從機(jī)械化施工的角度來(lái)看，目前我國(guó)仍以中小型機(jī)械的半機(jī)械化施工為主，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及施工水平的提高，隧道施工機(jī)械化程度將逐漸提高，未來(lái)如何將新意法“中國(guó)化”是今后重要的研究方向。