高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工技術(shù)分析

王亞鵬

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責任公司，北京 100855）

1 引言

在建成蘭鐵路成都至川主寺試驗段（簡稱“成川段”）位于四川省境內(nèi)，全長275.8 km，是汶川大地震災(zāi)后重建項目，是我國又一條海拔3 000 m 以上的高原鐵路，平原標以路基、橋梁為主，隧道標以長大隧道群為主，線路進入龍門山山脈后，首座隧道——躍龍門隧道在施工中遇到各類軟巖大變形，工程地質(zhì)呈現(xiàn)出典型的“四極三高”特征，即：地形切割極為強烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著；高地殼應(yīng)力、高地震烈度和高地質(zhì)災(zāi)害風險疊加，不良地質(zhì)惡化。截至2021 年4 月，開挖統(tǒng)計隧道范圍內(nèi)軟巖大變形段落占比46.6%，工程建設(shè)難度好比在“凍豆腐”上修青藏鐵路，在“軟豆腐”上修宜萬鐵路。

2 軟弱圍巖變形的特點

圍巖變形是評價隧道圍巖穩(wěn)定性的重要指標，也是隧道設(shè)計的基本準則之一。隧道開挖后，圍巖變形穩(wěn)定性大致經(jīng)歷3 個階段：彈性變形階段、彈性變形和塑性變形共存階段、以流變?yōu)橹?，流變和塑性變形共存，同時圍巖發(fā)生損傷、斷裂、擠出及膨脹耦合作用階段。硬圍巖以彈性變形和塑性變形為主，而軟弱圍巖則以塑性變形和流變變形為主，其圍巖變形主要有以下特點。

2.1 變形量大

隧道挖后，能夠產(chǎn)生顯著的塑性變形是軟弱圍巖最主要的顯性特征，往往表現(xiàn)為初期支護嚴重破裂，如噴射混凝土開裂脫落、鋼架扭曲，甚至引起二襯混凝土的開裂。

2.2 初期變形速度快

堅硬圍巖在隧道開挖后，變形很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，其變形速率很小。而軟弱圍巖隧道開挖后，變形速率較大。

2.3 變形持續(xù)時間長

軟弱圍巖不僅初期變形速度快，而且延續(xù)時間長，具有明顯的流變特征。眾多研究表明，軟弱圍巖隧道開挖后一段很長的時間內(nèi)，支護或襯砌上的壓力一直在變化，這可解釋為軟弱圍巖蠕變的結(jié)果。

2.4 圍巖破壞范圍大

軟弱圍巖隧道周邊的塑性區(qū)擴大，特別是支護不及時或結(jié)構(gòu)剛度、強度不足時圍巖破壞范圍更大。

2.5 壓力增長快

圍巖壓力隨開挖時間而迅速增大，在很短的時間內(nèi)，圍巖即與支護結(jié)構(gòu)接觸產(chǎn)生較大的圍巖壓力。如果施工方法和支護措施得當，支護封閉后變形就應(yīng)得到控制；反之，即使支護封閉后，變形還會發(fā)展，以致支護發(fā)生破壞。因此，掌握施工階段大變形的發(fā)展規(guī)律和控制技術(shù)，是軟弱圍巖隧道施工的關(guān)鍵。

2.6 變形破壞形式多樣

軟弱圍巖隧道的變形破壞形式一般表現(xiàn)為噴射混凝土嚴重開裂、初期支護變形侵限、鋼架變形扭曲、隧底上鼓、拱頂?shù)魤K坍塌等。

3 工程概況

躍龍門隧道采用雙洞分修，左線全長19 981 m，右線全長20 042 m，左右線間距為29.999～62.493 m，隧道正線與平導、外移平導（2+1+1）四線并行開挖，線路設(shè)計為單面上坡，坡度17.8‰，最大埋深1 445 m，最大地應(yīng)力31.5 MPa，隧道突出特點為軟巖大變形段落密集。

施工中為避免開挖后塑性區(qū)應(yīng)變能集中、應(yīng)力持續(xù)性擴展傳遞、有效改善圍巖自承能力，結(jié)合蘭渝鐵路軟弱大變形隧道建設(shè)經(jīng)驗及成蘭鐵路隧道工程前期勘察、測試數(shù)據(jù)，躍龍門隧道施工中采用大變形控制技術(shù)主要有：以“新奧法”光面爆破、錨噴支護、復(fù)合式襯砌、監(jiān)控量測為核心支撐理論，以“主動控制、超報超支、變形觀測、三維掃描、圓形輪廓、分步預(yù)留、盡早閉環(huán)、雙層支護、長短錨桿、機械配套、徑向注漿、襯砌時機、動態(tài)設(shè)計”為施工措施。

通過理論實踐相結(jié)合，截至2021 年4 月30 日，左線暗洞剩余380 m，右線暗洞剩余1 400 m，平導暗洞剩余600 m，左線計劃2021 年9 月貫通，右線計劃2022 年12 月貫通。

4 躍龍門隧道軟弱圍巖大變形段施工技術(shù)

4.1 圓形斷面開挖

借鑒蘭渝鐵路軟弱大變形隧道以往建設(shè)經(jīng)驗，結(jié)合BIM、FLAC3D 數(shù)值模擬理論分析及成果總結(jié)，參考地質(zhì)鉆孔資料，躍龍門隧道對圓形、橢圓形、馬蹄形斷面進行工程模擬后發(fā)現(xiàn)圓形斷面沒有隅角，輪廓圓順，能有效保證深埋軟弱圍巖、初支結(jié)構(gòu)各方向上外部承壓均衡，頂壓、側(cè)壓、底部隆起壓力能平均分配，通過躍龍門隧道10 年來開挖成果統(tǒng)計數(shù)據(jù)，軟巖大變形隧道采用圓形斷面與其他類型斷面相比，具有最佳受力結(jié)構(gòu)和施工安全性，同時配合雙層初期支護設(shè)計，與普通鐵路隧道一層初期支護相比，二支能更有效抵抗高地應(yīng)力軟巖一次支護后圍巖變形持續(xù)發(fā)展，避免初支開裂、崩塌的風險。

4.2 平導外移

躍龍門隧道原設(shè)計為“左線、中部平導、右線”三線并行開挖，正線及平導圍巖開挖揭示，洞內(nèi)大變形段落圍巖多為震旦系邱家河組（Zbq）硅質(zhì)巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖夾灰?guī)r、白云巖、夾輝綠巖（βμ）巖脈等巖石組成，其中，輝綠巖（βμ）巖脈侵入體變化較大且無規(guī)律，地層巖性及不良地質(zhì)狀況極其復(fù)雜，伴隨高瓦斯、硫化氫、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)效應(yīng)的疊加，正線及平導各施工作業(yè)面均出現(xiàn)中等、嚴重大變形，大變形段落長、變形速率高、持續(xù)時間長、變形量大，出現(xiàn)圍巖及初支破壞范圍大、支護破壞形式多樣、洞群影響敏感等顯著特征，以PDK99+805 斷面為例，豎直方向累積沉降變形220.4 cm，水平方向累積收斂122.9 cm，仰拱累積上浮140 cm，雙層支護鋼架扭曲、折斷，相鄰正洞施工后變形加劇，導致此處中部平導失去通行、通風、排水功能。

目前，右線施工掌子面還未施工到設(shè)計平導位置，如相鄰右線正洞施工到此處勢必會影響平導再次變形，加大正洞、平導變形控制難度，經(jīng)施工單位多次組織專家評審、論證，提出優(yōu)化平導平面位置，降低中間平導未施工段群洞效應(yīng)的影響，采用中部平導外移至右線右側(cè)70 m 處方案，整體上形成“2+1+1”四洞并行線路結(jié)構(gòu)，對已施作平導分別采取如下措施：回填部分未穩(wěn)定中間平導，加固部分中間平導中巖墻，外移開挖支護后續(xù)平導。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，平導外移施工后，平導及對應(yīng)已施作二襯均未出現(xiàn)大變形和混凝土破壞，最大程度上減少了“群洞效應(yīng)”下初支、二襯變形破壞。

4.3 注漿堵水

山嶺隧道襯砌承受水壓極限值一般在0.6 MPa，超過此值襯砌混凝土難以抵抗周圍水壓力，必須采取措施降低水壓值。躍龍門隧道正線下穿高川河區(qū)段共86 m，高川河為常年性流水河流。通過綜合超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)，下穿河道段圍巖為灰?guī)r且極度破碎，節(jié)理裂隙強烈發(fā)育，河水與隧道頂裂隙易連通，以構(gòu)造裂隙水與巖溶裂隙水為主，屬巖溶富水段，隧道整體埋深較淺，下穿段3#斜井為長度2 025 m、坡度103.78‰反坡，斜井高差200 m，存在嚴重突涌水及次生崩塌風險。通過專家評審及安全評估意見，下穿段采用“連續(xù)超前周邊注漿+局部徑向注漿”堵水方案，注漿加固后在開挖輪廓外形成隔水環(huán)封閉層，安全掘進通過高富水區(qū)域，解除大變形隧道穿越河流突涌水風險。

下穿施工中，根據(jù)位移控制基準、位移管理等級，當觀測斷面拱頂下沉或水平收斂速率為5 mm/d、累計100 mm 或數(shù)據(jù)突變時，立即暫停掘進并進行鉆注一體機徑向圍巖鉆孔注漿，鉆孔深度1.5～5 m，注入水泥水玻璃雙液漿填充變形裂隙，注漿壓力1 MPa，在圍巖外側(cè)形成防水環(huán)、擴散拱結(jié)構(gòu)加固周圍巖體，并適當加大監(jiān)控量測頻率。

4.4 兩臺階帶仰拱（短臺階）開挖

傳統(tǒng)軟弱圍巖多采用分部法開挖，有預(yù)留核心土環(huán)形開挖、三臺階七部開挖、（交叉）中隔壁等多種形式，躍龍門隧道巖體走向N40～60°E，傾向NW，巖層傾角65°～85°，穿越褶皺主要有大屋基倒轉(zhuǎn)背斜，南東翼發(fā)育高川坪倒轉(zhuǎn)向斜，根據(jù)隧道大變形段落地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，最大值為31.5 MPa，通過現(xiàn)場開挖組合試驗成果，躍龍門隧道采用兩臺階施工，下臺階帶仰拱一次性開挖，減少多次爆破對圍巖頻繁擾動，減少應(yīng)力反復(fù)再分配，既不會過度損傷圍巖，又保護圍巖自穩(wěn)性，帶仰拱施工作業(yè)空間大，有利于大型機械設(shè)備施工，省時、省力、安全，輔以超前支護、超前注漿等措施后更能保證開挖安全、高效掘進[1]。

輕微、中等變形等級采用兩臺階（下臺階帶仰拱）工法，嚴重大變形段落根據(jù)需要采用兩臺階（下臺階帶仰拱）+臨時仰拱+預(yù)留核心土，一支初支預(yù)留變形量15 ㎝、二支預(yù)留變形量25 ㎝，根據(jù)施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整設(shè)計及支護參數(shù)，有效發(fā)揮一支、二支承載作用，提高二次襯砌施作安全系數(shù)。

4.5 主動控制

軟弱圍巖施工多先探后挖，采用超前地質(zhì)預(yù)報與超前支護相結(jié)合，躍龍門隧道因局部構(gòu)造嚴重扭曲，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖極度破碎，普通砂漿錨桿鉆孔完成后極易塌孔、縮孔，通過可操作性、工效對比，中空錨桿最適合軟巖大變形段落錨桿體系，能有效發(fā)揮錨桿支撐、懸吊、組合梁、加固作用，輔以專業(yè)錨桿鉆機，能快速提高圍巖自承能力、抗剪強度、屈服后殘余強度，有效改善圍巖連續(xù)性、抵抗高地應(yīng)力軟巖短期及長期大變形，通過地質(zhì)雷達、聲波測試法探明松動區(qū)，動態(tài)優(yōu)化錨桿參數(shù)及施作位置[2]。

兩層初期支護均采用錨桿進行主動加固，1 支φ22 mm 短錨桿，長4 m，2 支φ32 mm 長錨桿，長6～8 m，長短錨桿相結(jié)合，先短后長形成群錨效應(yīng)，輕微變形段落采用4 m+6 m 錨桿組合方式，使圍巖松弛得到短錨桿錨固而減速，控制塑性區(qū)擴展和初期變形，中等、嚴重大變形段落采用4 m+（6~8）m 錨桿組合方式，對圍巖深層松動圈進行加固，進一步減緩圍巖和初支變形，有效控制軟巖大變形，施工中長錨桿施工步距按滯后上臺階10 m，滯后下臺階5 m 控制，在雙線大變形Ⅲ型特殊襯砌段落，仰拱增加φ32 mm，長8 m 自進式錨桿，采用全環(huán)錨桿支護結(jié)構(gòu)。

長短錨桿交錯梅花形布置，縱橫間距1.2 m×1.0 m～1.2 m×1.2 m（環(huán)×縱），鉆孔與初支面基本垂直，采用有壓注漿，壓力0.3～0.5 MPa，快凝早強無收縮注漿料60 min 內(nèi)強度可達到20 MPa，安裝墊板及緊固螺母后，要求螺母極限載荷不小于190 kN[3]。

圖1 采用長短錨桿群錨組合

以躍龍門隧道右線YD2K99+685～YD2K100+570 大變形段長短錨桿施作效果為例，施作后，初支變形得到有效控制，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 圍巖級別及設(shè)計施工方法

采用全站儀自由設(shè)站觀測方式進行非接觸量測，測點采用膜片式反射片作為標靶，間隔5 m 設(shè)置一個監(jiān)測斷面，此段內(nèi)變形較大斷面共計139 個，其中，拱部沉降最大斷面為YD2K100+190，累計拱頂沉降值298.1 mm，其余斷面累計拱頂沉降值在25.2～285.2 mm；其中，水平收斂最大斷面為YD2K100+180，累積收斂值為326.3 mm，其余斷面累計收斂值在14.6～319.2 mm，通過收斂曲線和回歸分析時態(tài)曲線分析，長短錨桿組合能控制圍巖、初支持續(xù)變形，初支施作使得圍巖荷載效應(yīng)傳遞給周邊圍巖，初期支護僅承擔少部分荷載，隨著淺層圍巖松動荷載和深層圍巖形變荷載被錨噴支護體系主動干預(yù)，發(fā)揮圍巖自承能力，減少初支及襯砌被動受力破壞，為后續(xù)工序安全施工提供保證。

4.6 襯砌施作時機

躍龍門隧道因四線并行開挖，襯砌施作時機至關(guān)重要，群洞效應(yīng)下太早施作襯砌易產(chǎn)生變形，太晚施作襯砌既不安全又使工效降低，通過量測數(shù)據(jù)及理論計算，襯砌施作時機必須同時滿足初支變形穩(wěn)定、安全步距、后行洞初支封閉成環(huán)且收斂3 個要求，此時施作隧道襯砌既能滿足建筑限界和內(nèi)輪廓要求，又能滿足運營階段安全儲備和極限條件下預(yù)留30 ㎝套襯施作可能性[4]。

群洞效應(yīng)下要保證二次襯砌結(jié)構(gòu)安全，先行洞二支必須在后行洞掌子面開挖至先行洞一支時，再施作先行洞第二層支護，在左右線初期支護全部收斂后再及時施工二次襯砌，有效避免左右線相互擾動、避免后行洞施工對先行洞造成影響，二襯安全步距閾值為300 m，對于高地應(yīng)力大變形隧道段落初支變形長時間未收斂，施工中需采用動態(tài)設(shè)計及時補強措施，二襯安全步距可適當調(diào)整，最大限度地滿足襯砌結(jié)構(gòu)混凝土密實性、水密性、強度充分，無潛在裂縫、冷縫、脫空（空洞）、不密實、掉塊、滲漏水等質(zhì)量缺陷隱患。

5 結(jié)語

軟巖大變形隧道施工，最基本作業(yè)工序為開挖和支護，開挖擾動地層圍巖后，通過施作初支、二襯結(jié)構(gòu)，控制隧道周邊圍巖力學動態(tài)，構(gòu)筑長期穩(wěn)定隧道構(gòu)造物，完成圍巖、地下水及周邊環(huán)境再次平衡，實現(xiàn)“預(yù)設(shè)計—施工—變更設(shè)計—施工—竣工”動態(tài)、信息化過程。采取“先控制、后釋放”軟巖控制方法，既能滿足隧道使用功能，又能保證隧道耐久及可維修性，通過超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測、超前預(yù)加固等措施，讓隧道開挖及支護結(jié)構(gòu)既針對又靈活。以軟巖大變形隧道工程案例為經(jīng)驗資料，結(jié)合數(shù)字化、信息化技術(shù)，在施工中不斷總結(jié)和探索，保證軟巖大變形隧道施工安全、科學、有效。