高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制技術(shù)

楊星智， 李葳， 李曙光， 王平安

（1. 中鐵二十局集團有限公司 科技創(chuàng)新部，陜西 西安 710016；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100081）

1 工程概況

蘭新高鐵大梁隧道位于青海省門源縣境內(nèi)，施工起訖里程為DK328+807.07—DK335+376.65，全長6 569.6 m，為雙線復(fù)合式襯砌隧道。隧道地處青藏高原東北麓的祁連山中高山區(qū)，平均海拔3 600.0～4 200.0 m，最大埋深780.0 m，洞身段地表起伏明顯。

隧道穿越F5 逆沖斷層與五牛河腦—托拉溝上游向斜，且南北兩側(cè)受斷裂切割明顯，構(gòu)造形態(tài)不完整性極高。施工揭示的圍巖以板巖為主，局部區(qū)域夾泥灰?guī)r及砂巖。板巖灰（乳）為白色及青灰色、無光澤、污手，巖質(zhì)極軟，錘擊聲低沉，無回彈，易捏碎，浸水后可捏成泥團狀；全強風(fēng)化、易水化；褶皺發(fā)育，有明顯的撓曲現(xiàn)象；巖層層狀結(jié)構(gòu)，薄層狀發(fā)育，泥炭質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合較差，易分離剝落；節(jié)理發(fā)育，大部分寬張，泥炭物充填，以石膏、方解石（部分區(qū)域厚度達10 cm）等礦物鑲嵌，節(jié)理面光滑潤澤；圍巖極其松散、破碎；掌子面極易剝離、擠出和滑移，拱頂張裂塌落（甚至塌方），位移明顯，甚至發(fā)生大變形，且延續(xù)時間長，難以成洞［1］。大梁隧道地質(zhì)狀況見圖1。

圖1 大梁隧道地質(zhì)狀況

根據(jù)大梁隧道各段地應(yīng)力測試結(jié)果顯示：隧道發(fā)生大變形段落圍巖以板巖為主，局部為泥巖；其圍巖單軸抗壓強度普遍為10.0～40.0 MPa，黏結(jié)力為0.3～0.5 MPa，內(nèi)摩擦角為30°～40°；垂直地應(yīng)力基本等于上覆巖體自質(zhì)量應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力實測最大值為25.1 MPa、最小水平主應(yīng)力實測最大值為13.8 MPa；其地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)為1.4～2.2（均大于1），說明地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，且水平地應(yīng)力又以構(gòu)造應(yīng)力為主；最大水平主應(yīng)力與線路交角較大，不利于隧道圍巖的穩(wěn)定；地應(yīng)力相對板巖、泥巖屬于極高地應(yīng)力［2-4］。

2 大變形特征

大梁隧道大變形屬于高地應(yīng)力引起的軟巖隧道變形，其特征主要表現(xiàn)在5個方面：變形速率快、變形量級大、變形延續(xù)周期長、支護形式破壞多樣和破壞范圍廣［5-7］。

施工期間曾發(fā)現(xiàn)開挖后掌子面存在較大的縱向位移、局部多次滑塌，初期支護鋼架局部彎扭、銼斷，拱腳常失穩(wěn)，噴射混凝土大面積開裂、剝落，初期支護大變形及侵限，二次襯砌混凝土開裂、鋼筋內(nèi)鼓和仰拱隆起等現(xiàn)象。典型變形特征見圖2、圖3。

圖2 大梁隧道初期支護開裂、鋼架扭曲

圖3 大梁隧道斜井底板隆起

經(jīng)實測，單日最大變形91.6 mm，累計最大變形760.6 mm，變形不收斂時間長達150 d以上。

3 支護方案確定

3.1 假設(shè)

針對大梁隧道斜井輔助正洞前期出現(xiàn)初期支護、二次襯砌的變形、侵限失穩(wěn)等實況，為防止后續(xù)再次出現(xiàn)類似問題，確保施工安全，在理論分析基礎(chǔ)上結(jié)合以往高地應(yīng)力大變形支護經(jīng)驗，初步確定5種不同的試驗支護方案，并利用圍巖監(jiān)控量測及感觀手段檢查、校核各試驗方案的變形控制效果，進而選定合理的支護方案。各試驗均采用三臺階臨時仰拱法施工，不同試驗支護方案見表1，圍巖初期支護監(jiān)測點布置見圖4。

表1 大梁隧道不同試驗支護方案

圖4 大梁隧道圍巖初期支護監(jiān)測點布置

3.2 效果

以上5種不同試驗支護方案對現(xiàn)場隧道圍巖變形的控制結(jié)果見表2。

表2 不同試驗支護方案對現(xiàn)場隧道圍巖變形的控制結(jié)果 mm

由表中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測可以看出：

（1）采用原設(shè)計方案支護時，累計最大變形量達689.6 mm，初期支護鋼架彎扭嚴(yán)重、銼斷，變形顯著、侵限，需進行拆換拱施工，且施做的臨時二次襯砌開裂，嚴(yán)重危及現(xiàn)場施工安全。

（2）采用試驗1方案進行支護時，累計最大變形量達到607.3 mm，其預(yù)留變形量仍過小，變形嚴(yán)重、侵限，鋼架同樣發(fā)生彎扭、銼斷，仍不能滿足現(xiàn)場施工安全。

（3）采用試驗2方案進行支護時，隧道拱部下沉值和周邊收斂值有大幅度減小趨勢。較原設(shè)計方案，累計最大沉降量為原最大沉降量的82%，累計平均沉降量為原來的77%；A-A/、B-B/基線的最大收斂量為原最大收斂量的74%；但個別地段的數(shù)據(jù)仍較大，局部初期支護有突出的現(xiàn)象，說明該方案不能保證隧道正常施工。

（4）采用試驗3方案進行支護時，隧道拱部下沉值和周邊收斂值均進一步減小。較原設(shè)計方案，累計最大沉降量為原最大沉降量的74%，累計平均沉降量為原來的68%；A-A/、B-B/基線的最大收斂量為原最大收斂量的65%；但設(shè)計預(yù)留變形量仍偏小，且局部地段仍有噴射混凝土開裂、掉塊現(xiàn)象，說明該方案基本控制了隧道的大變形，但仍不能較好地保證隧道正常施工。

（5）采用試驗4方案進行支護時，隧道拱部下沉值和周邊收斂值在試驗3的基礎(chǔ)上有進一步減小趨勢。較原設(shè)計方案，累計最大沉降量為原最大沉降量的68%，累計平均沉降量為原來的60%；A-A/、B-B/基線的最大收斂量為原最大收斂量的56%，基本未出現(xiàn)噴射混凝土開裂、剝落現(xiàn)象；說明該方案能較好地控制隧道變形、開裂，可保證隧道正常施工。

3.3 確定

通過上述支護方案試驗效果可看出，采用試驗4方案控制變形效果顯著，可有效克服前期初期支護出現(xiàn)的噴層剝落、鋼架扭曲和二次襯砌混凝土開裂、襯砌鋼筋內(nèi)鼓等現(xiàn)象，支護結(jié)構(gòu)變形整體表現(xiàn)為基本收斂特征，變形量可控，說明“初期支護+二次襯砌”聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)型式滿足抵抗圍巖壓力變形的要求。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

不同支護方案對控制圍巖變形的效果存在較大差異。針對大梁隧道地質(zhì)和構(gòu)造復(fù)雜多變、初期支護結(jié)構(gòu)左右側(cè)變形不對稱的特征，在施工方案選取中，應(yīng)遵循“寧強勿弱，寧補勿拆”的原則、秉持“巖變我變”的動態(tài)施工理念，實現(xiàn)穩(wěn)中求快［8］；同時，結(jié)合“抗放結(jié)合，快速成環(huán)”的原則，確保盡快整體成環(huán)，形成整體受力狀態(tài)。

為讓支護方案更可靠、有效，方案執(zhí)行時應(yīng)與部分施工措施結(jié)合互補，并強化細節(jié)管理［9］。

4.1 主要控制措施

（1）超前預(yù)支護。采取加密、加長超前注漿小導(dǎo)管，防止掌子面前方巖體應(yīng)力釋放引起大位移；對掌子面出現(xiàn)不整合面、順層滑動面時應(yīng)立即對掌子面噴射混凝土封閉，必要時可增設(shè)縱向玻璃纖維錨桿加固；對破碎松散巖體應(yīng)及時封堵和注漿固結(jié)。

（2）嚴(yán)控開挖進尺。大進尺對破碎軟弱圍巖易產(chǎn)生破壞性擾動，宜采取“機械為主+爆破為輔+人工修補”開挖方法，同時嚴(yán)格循環(huán)進尺。

（3）嚴(yán)格控制鋼架間距。做好鋼架的縱向、環(huán)向連接，特別是拱部、節(jié)點處等薄弱環(huán)節(jié)連接，關(guān)鍵部位可采用［18 型鋼進行縱向連接，以保證初期支護鋼架整體的剛度（見圖5）。

圖5 ［18型鋼的縱向連接

（4）鋼架鎖腳。常見鎖腳錨管與鋼架焊接采用“U”型或“L”型鋼筋搭接堆焊，但不能滿足高地應(yīng)力條件下限制鋼架位移和約束變形。在鋼架靠近圍巖臨空面?zhèn)容o以焊接帶孔的450.0 mm（長）×250.0 mm（寬）×16.0 mm（厚）鋼板，不但可保證鎖腳錨管實際施工位置，還可以兼顧分擔(dān)受力，鎖腳錨管加固見圖6。

圖6 鎖腳錨管加固

（5）大拱腳與墊腳。在鋼架腳部連接板處采用擴大面積的鋼墊板，起增大拱腳底受力面積的作用（見圖7）。為防止開挖中、下臺階過程中沉降突變，可在鋼架拱腳部位增設(shè)斜撐，或向內(nèi)側(cè)噴射混凝土達到擴大拱腳的作用。

圖7 擴大面積的鋼墊板

（6）長錨桿、自進式錨桿等和型鋼相結(jié)合措施（俗稱“鋼腰帶”）。約束塑性區(qū)變形，“鋼腰帶”加固見圖8。

圖8 “鋼腰帶”加固

（7）初期支護鋼架盡快閉合成環(huán)，同時保證鋼架成環(huán)質(zhì)量、減小初期支護曲率。對基底有滲水浸泡部位必須采用同級混凝土回填，必要時可在隧底施做錨桿，防止高地應(yīng)力引起仰拱隆起。

4.2 施工注意事項

（1）高地應(yīng)力軟巖隧道施工時，盡量采用三臺階臨時仰拱法，并縮短臺階長度，確保各臺階長度不超過5.0 m。合理調(diào)整工序，實現(xiàn)均衡的流水、平行作業(yè)施工。

（2）圍巖監(jiān)測點在開挖后及時預(yù)埋，并加密測點、提高觀測頻率；及時分析位移時態(tài)曲線，掌握變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)異常時立即處理；同時，利用量測數(shù)據(jù)成果及時驗證并調(diào)整預(yù)留變形量。

（3）加強鋼筋網(wǎng)片搭接質(zhì)量，杜絕初期支護背后出現(xiàn)空洞，若存在空洞時應(yīng)及時埋設(shè)φ42 mm 小導(dǎo)管進行注漿，或預(yù)留φ108 mm 鋼管泵送同級混凝土回填。對掌子面有水段落，應(yīng)嚴(yán)格埋設(shè)盲管進行地下滲水引排，防止浸水破壞初期支護。

（4）局部初期支護沉降、收斂出現(xiàn)突變現(xiàn)象時，若二次襯砌不能及時跟進，可采取雙層或多層鋼架及時支護保證安全。后續(xù)應(yīng)對侵限部位換拱處理，如多層支護后不侵限，可根據(jù)圍巖量測結(jié)果適時開展二次襯砌。

（5）高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖沉降、收斂持續(xù)時間長，或長時間不收斂。試驗發(fā)現(xiàn)，圍巖變形速率小于5.0 mm/d 時可二次襯砌，只需適當(dāng)加大二次襯砌鋼筋數(shù)量、直徑及混凝土厚度等措施提高襯砌剛度，以抵抗殘余應(yīng)力釋放。

（6）抓好工序銜接，強化機械化作業(yè)能力，縮短單工序施工時間，盡快襯砌成環(huán)封閉，以減少巖層的暴露時間。

5 結(jié)束語

基于對高地應(yīng)力軟巖大梁隧道施工過程中產(chǎn)生的大變形進行原因分析，結(jié)合現(xiàn)場檢測及數(shù)值模擬，通過支護方案試驗對比，改進了現(xiàn)有施工工藝，形成了一套有效的高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制技術(shù)，成效明顯。同時按照“寧強勿弱、寧補勿拆，抗放結(jié)合、快速成環(huán)”原則進行施工組織，加強“預(yù)支護”工作，加強通過超前地質(zhì)預(yù)報、圍巖量測分析等技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，做好錨、注、噴、支相結(jié)合的“剛?cè)岵币惑w化支護，使大梁隧道大變形問題得到了有效控制，大大降低了隧道施工現(xiàn)場的安全、質(zhì)量風(fēng)險，節(jié)約了施工成本，保證了蘭新高鐵如期開通運營，對后續(xù)川藏鐵路設(shè)計及施工均具有重大指導(dǎo)意義。