軟巖隧道大變形施工控制技術研究

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～強風化板巖、炭質灰?guī)r，圍巖破碎、松散，強度低、抗風化能力弱、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%。軟弱圍巖強度低、自穩(wěn)能力差，隧道開挖后地應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，極易發(fā)生初期支護變形侵限和隧道塌方等工程事故，嚴重影響施工安全及施工進度。

他白依隧道Ⅴ級較差圍巖按施工方案采用三臺階預留核心土開挖，設計初支采用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97.6 cm，變形速率最高達14.9 cm/d。隧道圍巖大變形造成初支混凝土開裂、剝落，工字鋼嚴重扭曲、斷裂，最終導致初支侵限，造成大面積換拱。其變形特點為：(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。

初期支護破壞的特征：隧道洞身連續(xù)揭露圍巖為全～強風化板巖、炭質灰?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)進行分析得知其變形破壞規(guī)律為：當累計變形量達到15 cm前，初期支護穩(wěn)定可靠；當累計變形量超過15 cm后，初期支護表面開始出現(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，否則存在坍塌的風險。

2 軟巖大變形原因分析

2.1 地質因素

(1)軟巖系指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風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性質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；造成圍巖應力重新調整，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 設計因素

設計的支護參數(shù)僅僅是各種圍巖在理論應力狀態(tài)下的一種預案，但實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，當水巖藕合作用力超過了工程設計初支所能承受的最大壓力時將導致初支產(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，還是機械開挖，從巖體結構受力分析上都會對圍巖產(chǎn)生擾動，引起圍巖應力的重新分布，達到新的自我穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成應力拱圈。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)開挖工法不適應圍巖的地質條件，不能有效地控制變形。選擇開挖工法時，原則上應在確保安全的前提下從簡單到復雜，盡量減少開挖步驟。較復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化，增大了松動圈的范圍，降低了圍巖強度；同時，初支若未及時封閉成環(huán)，將不能充分發(fā)揮環(huán)狀支護結構的承載能力。

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，經(jīng)過項目部在現(xiàn)場反復研究和實踐，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的控制措施，制定了“超前預報、少擾動、短進尺、加大預留量、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)超前地質預報。施工現(xiàn)場時常會遇到實際開挖揭露的地質情況與施工圖中的地質情況存在較大的差異，進而引起技術措施和施工方法的變化。因此，施工階段必須進行超前地質預報工作。超前地質預報主要采用地質素描、物探、超前鉆探等方法。在破碎帶和斷層洞段加強超前長、短鉆孔，及時探明隧道前方的地質情況，特別是地下水的發(fā)育情況，嚴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、超前小導管等預加固措施，對軟弱破碎且富水段圍巖進行主動加固；二是對于圍巖破碎、自穩(wěn)性差的段落宜采用三臺階預留核心土工法開挖，短進尺、及時封閉成環(huán)；同時，為盡量減少施工對圍巖的擾動，將原鉆爆工法調整為銑挖法施工[4]。

(3)開挖短進尺，初支快速封閉成環(huán)，跟緊二襯。施工中應盡量減小單循環(huán)開挖長度，單循環(huán)開挖長度應不大于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。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，防止圍巖風化崩解。根據(jù)對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行的分析得知：當初支封閉成環(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，為緊跟二襯結構，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。

(4)合理預留變形量，動態(tài)調整支護參數(shù)。目前，根據(jù)對該隧道前期已掘進段落監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)的分析與總結后得知：放大預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，對預留變形量進行加大調整，做到“先放”。結合局部洞段出現(xiàn)不對稱變形的情況，采用了左、右側不均衡性預留變形量的方式。同時，根據(jù)初支變形的時間～變形曲線，按照上導變形速率最快將預留量放大至80～100 cm，將中導預留量適度調整至50～60 cm，下導預留量調整至40～50 cm。為抵抗并減緩周邊圍巖對初支結構產(chǎn)生徑向剪切應力引起的變形，在施工過程中，適時調整支護參數(shù)以加強初支縱向與環(huán)向的剛度，做到“后抗”。加強初期支護的環(huán)向剛度，采用Ⅰ25 a、1榀/0.5 m封閉成環(huán)；同時，為加強初支縱向剛度，在鋼架連接板處增設縱向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連續(xù)體，有效地改善巖體的受力結構，增強圍巖的自穩(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的因素，徑向注漿環(huán)向范圍應包含仰拱范圍。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)強化鎖腳及脫空處理。鋼架鎖腳錨管的打設角度、錨管的根數(shù)、深度及尾端與鋼架的連接節(jié)點是控制軟巖大變形的重點控制環(huán)節(jié)。結合隧道作業(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)象較嚴重，為防止軟巖松動圈范圍加大，應對鋼拱架背后或頂部的空腔噴混凝土填充，以確保初支結構能盡早與周邊圍巖形成共同作用力拱圈。

(7)加強監(jiān)控量測，科學分析數(shù)據(jù)。監(jiān)控量測是軟弱圍巖隧道安全施工的“眼睛”，是判斷結構穩(wěn)定性、指導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5個位移量測項目：拱頂下沉、拱腰收斂、拱腳收斂、墻腰收斂、仰拱隆起，每5～10 m布設一個斷面。當有滲漏水時宜適當加密，在初支完成后4 h內布置埋設點，于12 h內讀取初始讀數(shù)，每天至少進行一次監(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參數(shù)的確定提供科學的依據(jù)。[5]

(8)采用四新技術，投入新設備。他白依隧道施工過程中，將超前地質預報工作納入工序管理，同時采用卡薩格蘭地C6XP-C多功能鉆機進行超前鉆孔詳細探測前方圍巖地質情況及賦水情況，為超前地質預報提供詳細準確的地質資料。C6XP-C多功能鉆機可實現(xiàn)隧道內不同類型地質條件下的超前地質預報、超前管棚支護施工、鉆注一體施工、高壓旋噴、錨桿、錨索及巖石取樣等施工。該鉆機不僅功能強大，而且鉆進長度大、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，同時減少了洞內作業(yè)人員，確保了施工安全。

4 結 語

他白依隧道軟巖大變形段落占比較高，風險等級評估為Ⅳ級，變形控制成為該隧道掘進施工的重難點。通過該隧道軟巖大變形段落的變形控制實踐，筆者總結出以下施工技術措施：

(1)加強監(jiān)控量測位移數(shù)據(jù)管理，對位移數(shù)據(jù)進行科學分析并適時采取相應的加強措施，這是控制軟巖大變形首要的技術手段；

(2)放足預留變形量，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)域進行徑向注漿加固，加強了圍巖的自穩(wěn)性，改善了周邊圍巖的塑性變形狀態(tài)并使其達到彈性應力分布狀態(tài)，是控制軟巖大變形、減少產(chǎn)生變形內部因素的根本方法之一；

(4)改變工法、動態(tài)調整支護參數(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、二襯結構，能夠有效控制變形。