青云山隧道軟弱圍巖大變形控制技術(shù)研究

王印 WANG Yin

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

我國幅員遼闊，山地眾多，其中山地面積達(dá)國土面積的2/3以上，隨著山嶺地區(qū)道路建設(shè)的不斷拓展，鐵路、公路等深埋、特長隧道不斷涌現(xiàn)，特長隧道往往會穿越各種復(fù)雜特殊的地質(zhì)、地貌和構(gòu)造單元。使得隧道修筑過程中會遇到破碎帶、高地應(yīng)力、軟弱大變形、巖爆等系列不良地質(zhì)難題。時常出現(xiàn)因不良地質(zhì)導(dǎo)致隧道修筑時產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全生產(chǎn)事故，嚴(yán)重影響了施工效率與施工安全。因此，復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道安全、快速施工技術(shù)研究得到了越來越多的重視。本文對青云山隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形的施工控制及施工技術(shù)對類似隧道施工具有較好的指導(dǎo)價值。

1 工程概況

武深高速公路青云山隧道位于廣東省韶關(guān)市翁源縣及河源市連平縣分水嶺青云山山脈，設(shè)計為分離式隧道，洞室凈空14.75×5.0m，起訖樁號左線ZK344+700～ZK350+610，長5910m；右線YK344+645～YK350+655，長6010m，呈132°方向展布；隧道最大埋深約808m。設(shè)斜井一座，斜井與線路交于ZK348+981處，并貫通至右線YK348+962.4處。隧址區(qū)水文地質(zhì)條件差，圍巖主要為砂巖、泥巖及頁巖等巖性，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層復(fù)雜多變，圍巖完整性較差；而區(qū)內(nèi)地表水徑流較好，隧址區(qū)褶皺較發(fā)育，不同類型的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，具較強(qiáng)的透水性，地表水順各結(jié)構(gòu)面滲入地下，成為豐富的地下水水源，使得隧道區(qū)地下水較為發(fā)育。

2 軟巖大變形概況

當(dāng)從斜井向大里程方向施工至ZK349+350處時，發(fā)現(xiàn)里程ZK349+260～+320段隧道變形收斂速率過大，立即加強(qiáng)了監(jiān)控量測，第3天初支變形加劇，且部分地段噴砼開始出裂縫。為了確保安全，人員及機(jī)具后退至安全地段。第7日時，裂縫增加及擴(kuò)大，局部出現(xiàn)噴砼掉塊。ZK349+285～+305段鋼拱架也變形扭曲，如圖1所示。經(jīng)持續(xù)觀測，于第12日，變形收斂趨于穩(wěn)定。

圖1 軟巖初支大變形現(xiàn)場照片

3 變形破壞程度及原因研究

3.1 變形破壞

變形趨穩(wěn)后，工程技術(shù)人員進(jìn)行了詳細(xì)勘查。超量變形沿隧道全斷面均有發(fā)生，但主要發(fā)生在兩側(cè)拱腰及拱頂部位。局部的變形收斂已嚴(yán)重超限。兩側(cè)拱腰向內(nèi)收斂以39～92cm為主。拱頂下沉以38～61cm為主，隧底隆起25～51cm為主。經(jīng)統(tǒng)計，變形超限及扭曲破壞的鋼拱架為56榀，需更換。噴砼完全破壞面積約為890m。變形地段圍巖的地下水發(fā)育，掌子面及初支裂縫可見地下水呈雨淋狀和線狀流出。

3.2 圍巖變形原因分析

經(jīng)對掌子面揭示的圍巖進(jìn)行了勘察及土工試驗(yàn)。測試所得隧道圍巖抗壓強(qiáng)度為19.3MPa，而平均地應(yīng)力值為5.78MPa。圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比R/σ為3.3，按相關(guān)規(guī)范的定義，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比＜4時，隧道圍巖為中等變形壓力狀況。表明圍巖本身自穩(wěn)能力較差，當(dāng)圍巖開挖后，可能產(chǎn)生較大位移變形，且持續(xù)位移變形的時間較長。

變形段的圍巖為軟弱圍巖，巖體節(jié)理較發(fā)育、破碎，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差。且該區(qū)地下水發(fā)育，地下水使圍巖軟化變形，結(jié)合力降低。在地應(yīng)力的作用下，圍巖出現(xiàn)大變形。基于地質(zhì)勘察而進(jìn)行設(shè)計的原初支參數(shù)，受地質(zhì)勘察的局限性，不足以的承受及限制圍巖的變形，故產(chǎn)生以上的初支變形情況。

4 隧道圍巖變形段采取的技術(shù)控制措施

4.1 處理技術(shù)方案

根據(jù)對現(xiàn)場圍巖情況及變形特點(diǎn)評估后續(xù)變形發(fā)展。經(jīng)專家研究決定，對產(chǎn)生變形的隧道段采取如下的處理及加固措施。

①對于初支超限地段，先采用?25中空注漿錨桿進(jìn)行注漿加固，以提高圍巖的抗變形和自穩(wěn)能力，避免在整治過程中再出現(xiàn)大變形或坍塌現(xiàn)象。錨桿長度為6m，按間距為1.5m梅花形布設(shè)。然后再逐孔將超限的鋼拱架和砼噴層拆除，并擴(kuò)挖圍巖，圍巖擴(kuò)挖輪廊較設(shè)計加寬40cm（即預(yù)留40cm的沉落及變形值）。將原格鋼架換成全環(huán)I20b鋼拱架，且間距由原來的1m減少至0.6m。在拱腳處增設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿采用Φ28自進(jìn)式錨桿，長度為10m，每處拱腳兩側(cè)各設(shè)1根，錨桿端頭與鋼拱架焊接牢固。鋼拱架間的環(huán)向連接筋采用?20螺紋鋼。噴砼中設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，以提高噴砼的抗壓、抗折、抗彎及耐沖擊性能。②對于尚未超限，但評估可能超限處，也采取與超限地段相同的處理措施，即拆除鋼拱架及噴砼、擴(kuò)挖及加密鋼拱架等措施。③ZK349＋230～＋350的其余段落均全環(huán)采用?25中空注漿錨桿進(jìn)行注漿加固，錨桿長度為5m，按間距為1.5m梅花形布設(shè)。

4.2 技術(shù)效果

大變形段處理完畢后，進(jìn)行了加強(qiáng)監(jiān)控量測。第20d的各類變形速率在0.15～0.05mm/d范圍內(nèi)，表明經(jīng)處理后，圍巖變形已趨于穩(wěn)定，采用的處理措施合理可靠。變形穩(wěn)定后，測得拱頂沉降最大值為21.5cm，通常為10～16cm；水平收斂最大值為26.7cm，通常為9～19cm；隧底隆起最大值為13.1cm，通常為6.0～10.0cm。

5 后續(xù)掘進(jìn)時控制變形的主要措施

本項目結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況、變形特征及類似工程經(jīng)驗(yàn)，總體上采取了柔性支護(hù)技術(shù)。即在加強(qiáng)初支及襯砌的抗變形強(qiáng)度、剛度的同時，還允許初支、襯砌能夠產(chǎn)生適當(dāng)變形而能保持結(jié)構(gòu)完好的思路，在確保加固效果的同時達(dá)到減少投入的目的。

5.1 選擇合理的開挖方式

隧道大變形地段后續(xù)開挖采用三臺階七步開挖法（如圖2所示），該法以弧形導(dǎo)坑開挖留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯開、平行推進(jìn)的隧道施工方法。其具有下列技術(shù)特點(diǎn)：①施工空間大，方便機(jī)械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或破碎圍巖地段可采用挖掘機(jī)直接開挖，工效較高。②在地質(zhì)條件發(fā)生變化時，便于靈活、及時地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法。③適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支護(hù)工序操作便捷。④在臺階法開挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土，左右錯開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定。⑤當(dāng)圍巖變形較大或突變時，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時間。

圖2 預(yù)留核心土三臺階七步法示意

5.2 超前導(dǎo)洞釋放變形及應(yīng)力

設(shè)置開挖超前于掌子面的導(dǎo)洞進(jìn)行變形及應(yīng)力的提前釋放，達(dá)到減少初支承受的變形及地應(yīng)力。本項目導(dǎo)洞設(shè)于掌子面的中部偏上位置。導(dǎo)洞采用圓形形狀，以利于自身的穩(wěn)定。導(dǎo)洞半徑為3.0m。試驗(yàn)表明導(dǎo)洞超前掌子面掘進(jìn)10d以上時，釋放變形及地應(yīng)力的效果最佳，故導(dǎo)洞較掌子面超前30m以上，從而能夠保持掘進(jìn)時差為10d以上。

為了避免導(dǎo)洞在變形及地應(yīng)力的作用下坍塌，引起后續(xù)施工困難，導(dǎo)洞設(shè)置徑向?22錨桿（長度為3.0m，按間距1.3m梅花形布設(shè)）及10cm噴砼進(jìn)行支護(hù)。

經(jīng)對比測試，本項目的超前導(dǎo)洞能夠提前釋放變形為18%～27%，有效減輕初支承受的變形壓力。

圖3 超前導(dǎo)坑設(shè)置示意圖

5.3 設(shè)置小導(dǎo)管超前支護(hù)

在隧道拱頂150°范圍內(nèi)設(shè)置5m長的?42超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管以2～3°外插，小導(dǎo)管搭設(shè)1.0m，壓注水泥漿液。

5.4 加強(qiáng)圍巖的抗變形能力

5.4.1 設(shè)置自進(jìn)式中空錨桿

研究表明，高地應(yīng)力軟弱圍巖在變形后，在圍巖內(nèi)沿著隧道形成環(huán)向的塑性和剪切滑移區(qū)（相當(dāng)于破碎圈）。本項目采用ANSYS有限元計算軟件，研究了青云山隧道在高地應(yīng)力、水壓下的塑性和剪切滑移區(qū)。計算出塑性和剪切滑移區(qū)厚度為3.2～4.1m范圍內(nèi)。原初支的錨桿長度為3.5m，錨桿穿過破碎圈后沒能在穩(wěn)固基巖上有足夠的錨固長度，或是根本沒能穿過破碎圈。故原錨桿對于控制圍巖的變形起不了作用，導(dǎo)致圍巖出大變形。故本項目采用了?25mm自進(jìn)式中空長錨桿加固圍巖。根據(jù)具體情況，錨桿選用長度為6m、7m、8m。長錨桿布設(shè)間距為1.2m。

5.4.2 對破碎圈采取小導(dǎo)管注漿加固

圍巖大變形后在隧道周邊形成了破碎圈，破碎圍巖間生成的裂縫形成了地下水的通道，軟弱圍巖在地下水的軟化下，進(jìn)一步加劇了變形，惡化了病害。本項目采取在隧道洞身按間距為3.5m梅花型布設(shè)長度為4.0m注漿小管，對破碎圈實(shí)施注漿加固，避免了變形的進(jìn)一步發(fā)展。相關(guān)文獻(xiàn)表明，隧道周邊小導(dǎo)管注漿對于控制圍巖變形的效果非常明顯，但對注漿時機(jī)有要求。當(dāng)注漿過早時，圍巖內(nèi)尚未形成裂縫，漿液無法壓入，起不到效果。注漿過晚，則圍巖變形已過大，可能已導(dǎo)致初支形成破壞。研究表明，在隧道水平收斂處于180～230mm時進(jìn)行小導(dǎo)管注漿，可獲得較佳的變形控制效果。軟巖變形段隧道初期支護(hù)設(shè)計如圖4所示。

圖4 軟巖變形段隧道初期支護(hù)設(shè)計

5.4.3 采用大剛度鋼拱架和可伸縮鋼拱架

變形段采用大剛度的I22a工字鋼拱架，且間距由通常的1.0m減至0.6m，拱架間設(shè)置?18mm縱向連接筋，噴砼中設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，噴砼厚度也從原25cm增至28cm。

在掘進(jìn)至隧道最大埋深段（ZK349+830～+960）時，地應(yīng)力較大，鋼拱架受擠壓變形很大，常導(dǎo)致I22a工字鋼拱架因變形過大而扭曲失效。該段鋼拱架采用了U29型鋼架，U29型鋼架為可伸縮鋼架，能夠適應(yīng)圍巖的較大變形而不出現(xiàn)扭曲失效現(xiàn)象，是柔性支護(hù)技術(shù)體現(xiàn)。

5.4.4 增設(shè)鎖腳錨管

鎖腳錨管對稱設(shè)置在臺階的大拱腳處、邊墻腳往上30cm鋼架上，每側(cè)1根，端部與鋼管焊牢。鎖腳錨管采用?42鋼管制作，長度為8m，向下傾角為10～15°，并壓注水泥漿，注漿壓力≮2MPa。

5.4.5 采用預(yù)應(yīng)力錨索控制大變形

在隧道最大埋深段（ZK349+830～+960），因地應(yīng)力過大，采以上述技術(shù)方案進(jìn)行了圍巖變形控制，但是變形值還是難以控制在目標(biāo)值內(nèi)，特別是兩側(cè)拱腰的變形值較大。本項目運(yùn)用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行拱腰處變形的控制。分別在兩側(cè)拱腰設(shè)置3層6S15.2預(yù)應(yīng)力錨索，層距為2m，沿隧道縱向間距為2m，錨索施加500kN的預(yù)應(yīng)力。

5.4.6 提高圍巖預(yù)留變形量

為了避免后期變形量過大，使變形后的初支侵入模注襯砌空間內(nèi)，將預(yù)留的邊墻變形量增大至30～40cm，拱頂20～25cm，隧底15～20cm。

5.4.7 玻璃纖維錨桿封閉掌子面

為了確保施工安全，避免掌子面圍巖坍塌，開挖后的掌子面采用易于切割的玻璃纖維錨桿進(jìn)行加固，以利于后續(xù)掘進(jìn)。玻璃纖維錨桿間距1.2m，梅花形布置，長度為3.5m，并噴射8cm混凝土封閉掌子面。

5.5 提高模注混凝土襯砌承載剛度

采用ANSYS有限元計算軟件進(jìn)行了圍巖變形對初支及襯砌產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行了研究（如圖5所示）。

圖5 軟弱圍巖使襯砌產(chǎn)生的彎矩（單位：N·m）

根據(jù)荷載數(shù)據(jù)，對襯砌進(jìn)行了重新設(shè)計，厚度由原設(shè)計45cm增厚至60cm。且襯砌砼的配筋率也由原來的15%提高至19%，并在砼中添加2%的鋼纖維。為了達(dá)到有效抑制圍巖的變形，襯砌在圍巖變形尚未完全穩(wěn)定前即完成二襯澆筑。

6 變形控制效果

本項目對大變形區(qū)段加強(qiáng)了監(jiān)控量測，表1為隧道3個典型斷面在達(dá)到按規(guī)范判定為變形穩(wěn)定狀態(tài)時所經(jīng)歷的時長，及累計變形量。

表1 典型斷面穩(wěn)定后變形量及時長表

從表中可看出，斷面ZK349+950出現(xiàn)拱頂最大累計下沉量239mm；斷面ZK349+830出現(xiàn)最大水平收斂累計297mm。上述兩個數(shù)據(jù)均在可控范圍內(nèi)。

隨后的監(jiān)控量測表明，隧道沒有出現(xiàn)初支變形破壞及侵限現(xiàn)象。表明，采取的圍巖變形控制及支護(hù)措施科學(xué)合理，有效控制了隧道圍巖的變形，變形預(yù)留量也設(shè)置合理。

7 結(jié)束語

青云山隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖段的地質(zhì)條件復(fù)雜、工程環(huán)境惡劣，施工風(fēng)險高。通過科學(xué)研究、科技攻關(guān)及嚴(yán)格施工，取得了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道軟弱大變形圍巖施工的系列成果，如轉(zhuǎn)換施工工序、注漿加固破碎圖、設(shè)置超前導(dǎo)洞、設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索、運(yùn)用可伸縮拱架等，有效控制了本項目隧道圍巖大變形的施工難題，為國內(nèi)類似工程的施工提供參考借鑒。