甘青隧道軟弱圍巖大變形控制技術(shù)研究

張克宏，吳紅剛，黃新宇

（1.中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，武漢 430000；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730070）

隨著我國的鐵路建設(shè)加速發(fā)展，截至2021年底，我國在運營鐵路里程從建國初期的2.1萬km快速增長至15萬km，建設(shè)高鐵里程達(dá)到4萬km，占世界高鐵營業(yè)里程的2/3以上[1]，“八縱八橫”鐵路網(wǎng)加密成型。

本文通過對西成鐵路甘青隧道軟巖大變形段開挖技術(shù)以及支護(hù)技術(shù)的研究總結(jié)，以期為同類型的隧道工程掘進(jìn)和支護(hù)方式提出有價值的參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

西成鐵路是西寧至成都的便捷通道，是國家高速鐵路網(wǎng)絡(luò)“八縱八橫”中蘭、廣高鐵線路的重要組成部分。

甘青隧道位于青海省黃南州與甘肅省夏河縣境內(nèi)，起訖里程DK381+055～DK403+435，全長22 380 m，為雙線隧道，最大埋深670 m。

本文主要以XCGQSD-1標(biāo)段為工程背景，該段為甘青隧道進(jìn)口段，線路位于甘肅省夏河縣境內(nèi)，隧道里程范圍為DK381+055～DK393+033，XCGQSD-1段隧道通過2座斜井輔助施工，分成3個工作區(qū)，其中進(jìn)口工區(qū)的長度為2 566 m，1號斜井工區(qū)長6 405 m，2號斜井工區(qū)長3 007 m。臺階法開挖及支護(hù)剖面圖如圖1所示。

圖1 臺階法開挖及支護(hù)剖面圖

隧道圍巖以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，采用鉆爆法掘進(jìn)，Ⅱ級圍巖全長890 m，占比4.0%，采用全斷面方式開挖；Ⅲ級圍巖全長4 410 m，占比19.7%，采用臺階法開挖；Ⅳ級圍巖長8 698 m，占38.9%，主要通過三臺階法開挖，Ⅴ級圍巖長8 382 m，占37.4%，一般采用三臺階留核心土法開挖。淺埋、偏壓段落及斷層破碎帶、膨脹性地層、大變形地層采用三臺階臨時橫撐法或三臺階臨時仰拱法施工，正洞及斜井工區(qū)采用機械化配套作業(yè)時，采用微臺階法施工。

1.2 工程與水文地質(zhì)特性

隧道區(qū)位于秦嶺地槽褶皺系的臨潭-天水褶皺帶，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，構(gòu)造帶大致呈現(xiàn)東西-北西西向，弧形伸展，屬美武新寺-大草灘復(fù)背斜三級構(gòu)造單元。受多次地質(zhì)構(gòu)造運動的影響，隧道區(qū)構(gòu)造發(fā)育多條斷裂，其中以F13、F14斷裂及支斷裂對施工的影響最大。

土耳其安納托利亞地區(qū)，每年都要舉行一次斗駱駝比賽。斗駱駝時，兩頭駱駝各自彎下頭，用前額撐住對方，并設(shè)法用力把對方推倒在地上。當(dāng)其中一頭取得勝利后，主人還得竭力把它們拉開。

隧道區(qū)地下水主補給方式主要以降水入滲為主，洞身大部分區(qū)域位于中等富水和弱富水區(qū)，預(yù)測洞身正常涌水量和最大涌水量分別為50 039 m3/d和150 117 m3/d。

1.3 隧道掘進(jìn)過程中存在的風(fēng)險

隧道所在地層的地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，新構(gòu)造運動強烈，部分段落存在高地應(yīng)力現(xiàn)象，經(jīng)專業(yè)機構(gòu)勘察甘青隧道初始風(fēng)險評定為高風(fēng)險隧道，主要風(fēng)險源如下。

1）隧道穿越的三疊系地層，因巖質(zhì)較軟，圍巖自承能力差，極易發(fā)生圍巖大變形病害；

2）部分地層的脆性巖體可能發(fā)生巖爆；

3）隧道多次穿越斷裂構(gòu)造區(qū)、褶皺構(gòu)造區(qū)、節(jié)理密集帶等，這些區(qū)域巖體較為破碎，開挖面極易出現(xiàn)坍塌掉塊；

4）巖體褶皺構(gòu)造發(fā)育，核部巖體較破碎，結(jié)合地下水分布特征，認(rèn)為隧道局部有突涌水的可能。

可見隧道洞身涉及地層復(fù)雜，巖性多變，存在高地應(yīng)力區(qū)域且不同巖層間結(jié)合力差，因此有必要針對隧道開挖期間極易出現(xiàn)的軟巖大變形問題開展專項施工技術(shù)研究。

2 甘青隧道軟巖大變形成因分析

通過對現(xiàn)場掌子勘察及圍巖土工試驗，揭示出隧道開挖后掌子面巖體較為破碎，整體較濕潤，拱頂局部因礫巖松散有滲滴水，使圍巖軟化，結(jié)合力降低，造成圍巖自承能力差，掉塊嚴(yán)重；測試所得圍巖平均抗壓強度Rc在5～15 MPa，按照堅硬程度劃分為軟巖[8]；特別是三疊系地層板巖、砂巖軟硬不均，層間結(jié)合力差，核部巖體較破碎；隧道區(qū)埋深在500 m范圍時最大水平主應(yīng)力約25 MPa，埋深在400 m時最大水平主應(yīng)力約20 MPa，埋深在300 m左右時最大水平主應(yīng)力約15 MPa，200 m時約為10 MPa，因此隧道線路分布在高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力區(qū)，隧道埋深在250 m以下時受地應(yīng)力影響較大。甘青隧道三臺階開法挖掌子面如圖2所示。

圖2 甘青隧道三臺階開法挖掌子面

上述調(diào)查結(jié)果表明圍巖的自承能力比較弱，加之受施工擾動及圍巖開挖卸載后，極有可能產(chǎn)生掌子面擠出、坍塌和較大的圍巖徑向位移，且當(dāng)圍巖徑向位移發(fā)展到一定程度后，圍巖塑性變形區(qū)域的圍巖將失去自穩(wěn)能力頂部巖體以自重形式作用在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上，使得原基于地質(zhì)勘察結(jié)果所設(shè)計的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以承擔(dān)過大圍巖壓力和徑向變形，使得圍巖徑向變形難以控制進(jìn)一步引發(fā)初支開裂、鋼拱架變形、侵限等病害。

3 隧道圍巖大變形控制技術(shù)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

大量的隧道工程建設(shè)實踐表明，由于地質(zhì)勘察精度、條件、經(jīng)費等諸多因素的限制，地質(zhì)勘察資料與實際地質(zhì)情況不符的現(xiàn)象普遍存在[9]。作為對地質(zhì)勘察資料的驗證與補充，開展超前地質(zhì)預(yù)報工作對預(yù)防隧道圍巖大變形的發(fā)生至關(guān)重要。甘青隧道受地質(zhì)構(gòu)造影響，部分洞段構(gòu)造發(fā)育，多條構(gòu)造帶與隧道方向大角度相交，圍巖破碎，節(jié)理發(fā)育。且該地段水文狀況復(fù)雜，存在突水、涌泥等安全風(fēng)險，因此在施工過程中必須要做到先探后掘，以減少災(zāi)害性、突發(fā)性事故發(fā)生，確保施工安全，保證施工工期。超前地質(zhì)預(yù)報中需要重點關(guān)注的幾個點有：①斷層破碎帶影響范圍、節(jié)理裂隙密集發(fā)育位置、發(fā)育規(guī)模和性狀預(yù)報；②不良地質(zhì)體賦存位置、主要方向、賦存規(guī)模及性狀預(yù)報；③隧道可能涌水位置及涌水規(guī)模預(yù)報；④隧道中圍巖巖性、位置、變化狀況預(yù)報；⑤三疊系地層的物質(zhì)組成、富水性、塑性狀態(tài)等的預(yù)報。

就目前的物探水平，單一的地質(zhì)預(yù)報手段無法獲得準(zhǔn)確的隧道圍巖地質(zhì)狀況，因此，鑒于該區(qū)域地質(zhì)條件的復(fù)雜性，對風(fēng)險洞段，采用TSP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)等多種手段剖析開挖面結(jié)構(gòu)特征，并相互驗證；物探超前預(yù)報的異常段，地質(zhì)條件復(fù)雜地段進(jìn)行超前水平鉆探或超前炮眼，確保地層狀況的準(zhǔn)確獲得?，F(xiàn)將主要的超前地質(zhì)預(yù)報手段做詳細(xì)介紹。

TSP：根據(jù)彈性波理論，當(dāng)振動波穿過不同地質(zhì)界面時，由于不同地質(zhì)體的阻抗存在差異，振動波傳播速度將產(chǎn)生變化。依據(jù)此原理，地震發(fā)射波法應(yīng)用而生（Tunnel Seismic Prediction），簡稱TSP，在隧道勘測段設(shè)置激發(fā)端與接收端，依據(jù)處理后的振動波波形可拾取相應(yīng)的縱波與橫波，根據(jù)兩端點的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度vp和橫波速度vs。vp和vs是圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反應(yīng)，根據(jù)vp和vs可對其動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算，主要包括圍巖動彈性模量Ed、動剪切模量Gd和泊松比μd3項數(shù)據(jù)，計算式如下

式中：ρ為圍巖密度。

相較于其他探測手段，TSP探測法的優(yōu)點在于操作簡單快捷，所需工作面小，獲得信息量大，獲得圖像形象直觀?，F(xiàn)場TSP探測時，激發(fā)孔間距選為1.5 m，孔深1.5 m，孔洞方向斜向下30°，連續(xù)布置24個激發(fā)孔。在第24個激發(fā)孔朝著洞口的方向量測15～20 m，左右邊墻處各布置一個地震波信息接收孔，孔徑50 mm，深度2 m。激發(fā)孔應(yīng)與接收孔對接，保持高度相同。

GPR：地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar），簡稱GPR，是一種在巖土工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的無損檢測手段。依據(jù)電磁波傳播原理，當(dāng)電磁波在通過不同地質(zhì)界面時將發(fā)生反射與折射，反射與折射遵循反射與折射定律。反射波能量大小取決于反射系數(shù)R，反射系數(shù)的表達(dá)式為

式中：ε1和ε2分別表示反射界面兩則的相對介電常數(shù)。

由式（2）可知，對于不同的地質(zhì)界面單元，其反射系數(shù)將存在差異，分界面兩側(cè)的介電常數(shù)差異越大，反射能量越強[10]。

作為無損地質(zhì)探測的有效手段之一，地質(zhì)雷達(dá)具有眾多的優(yōu)點：①無損性，無需對地質(zhì)體進(jìn)行開挖及振動，幾乎不存在損傷；②高分辨率，地質(zhì)雷達(dá)的分辨率可達(dá)到厘米級；③高抗干擾性，不受地形及工作面限制；④操作簡單，具有極高的工作效率，一次采集時間僅需20 min；⑤經(jīng)濟(jì)安全，由其工作原理可知，地質(zhì)雷達(dá)無需爆破振動，造價相比于其他方式要低的多；⑥成像直觀，定位準(zhǔn)確。本項目現(xiàn)場探測中分別在掌子面上、中、下設(shè)置3排測點，每排設(shè)置若干點，形成均勻分布的點網(wǎng)，準(zhǔn)確掌握掌子面前方的地質(zhì)信息。

TEM：紅外探水法又稱瞬變電磁法（Time Domain Electromagnetic Method），簡稱TEM，多應(yīng)用于富水地層的地質(zhì)狀況探測，相比于TSP對富水體的探測精度更高。任何物體都會發(fā)射出不可見的紅外線能量，形成一個紅外輻射場[11]，對于單一隧道圍巖，其溫度場相對穩(wěn)定，變化幅度較小，但當(dāng)其間富含水體時，溫度場將發(fā)生畸變，這種變化可被紅外探測儀器監(jiān)測到，從而可以用來判斷圍巖含水狀況。瞬變電磁法的探測深度與線圈的大小、匝數(shù)有關(guān)，線圈越大，匝數(shù)越多，探測深度越大。在現(xiàn)場隧道探測時，采用3 m×3 m的方形線框，探測距離30～50 m。

此外，對地質(zhì)狀況異常復(fù)雜的4處軟弱斷層破碎帶地段還進(jìn)行了水平超前鉆探測，依據(jù)開挖斷面大小，采用三角形3孔布置，孔徑Φ110 mm，探孔長度30 m。以上多種超前地質(zhì)預(yù)報手段的綜合應(yīng)用保證了對隧道圍巖狀況的準(zhǔn)確把握，對隧道圍巖是否發(fā)生大變形預(yù)測十分重要。

3.2 隧道掘進(jìn)方法

依據(jù)新奧法施工的原則，本項目對不同類型圍巖段隧道采用不同的掘進(jìn)方式，對于Ⅱ、Ⅲ級圍巖，由于其結(jié)構(gòu)完整，強度較高，采用全斷面法及機械開挖施工，保證開挖效率，對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，由于其節(jié)理發(fā)育、巖性松散、強度低，采用三臺階及微臺階法施工，開挖方式采用光面爆破，最大限度減小開挖對隧道圍巖的擾動，阻止大變形災(zāi)害的發(fā)生。

三臺階法：對Ⅳ級圍巖地段，采用三臺階方法施工，光面爆破松動掌子面圍巖。開挖面分為上、中、下3部分，各部分間相互縱向錯開，同時在橫向上保留核心土。

微臺階法：對Ⅴ級圍巖地段，采用微臺階法施工，微臺階法是在三臺階法及全斷面開挖法的基礎(chǔ)上衍生而來的，適用于軟巖大變形隧道的開挖。傳統(tǒng)的三臺階開挖法，受開挖面限制，上下臺階之間無法形成整體，初次支護(hù)不能連接成環(huán)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性受到影響，阻礙后續(xù)鋼拱架、襯砌結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步施工，對于長臺階施工時這種狀況更為嚴(yán)重，軟弱巖層產(chǎn)生大變形。微臺階法減小了臺階步距，各工作面之間的相互影響減小，在下臺階出碴時，上臺階可施作初期支護(hù)；下臺階施作初期支護(hù)時，上臺階可鉆孔裝藥[12]。同時由于開挖深度的減小，對圍巖的擾動程度降低，塑性區(qū)破碎帶半徑縮小，變形量降低。

超前導(dǎo)洞：對處于破碎帶的軟弱圍巖，由于其強度地應(yīng)力比較低，圍巖極易發(fā)生大變形，對前期支護(hù)的圍巖壓力較高，因此有必要采用超前導(dǎo)洞釋放圍巖形變壓力。有實驗表明采用超前導(dǎo)洞變形控制手段后，圍巖變形量將減小18%～27%，有效減小了隧道圍巖作用于初期支護(hù)上的圍巖壓力[13]。

3.3 圍巖支護(hù)方式

對于大變形洞段，采取及時合理的支護(hù)方式能夠最大限度的減小大變形圍巖收斂閾值。本項目中主要的變形段包括DK381～383、DK388、DK391、DK392等破碎軟弱洞段，依據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，采取不同的支護(hù)方式，改善塑性區(qū)圍巖受力狀態(tài)，控制松動圈圍巖的剪切滑移及碎脹變形，現(xiàn)將主要的變形控制手段一一闡述。

小導(dǎo)管超前支護(hù)：洞室開挖后，隧道圍巖應(yīng)力從三相轉(zhuǎn)變?yōu)閮上?，圍巖受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，應(yīng)力重新分布，徑向應(yīng)力相比于原巖應(yīng)力狀態(tài)減小，切向應(yīng)力增大，圍巖應(yīng)力摩爾圓半徑擴大，當(dāng)圍巖強度較小時，易產(chǎn)生剪切破壞，小導(dǎo)管超前支護(hù)的作用就在于加強了圍巖結(jié)構(gòu)面剪切強度，阻止了圍巖滑移，徑向收斂位移值得到控制。國內(nèi)眾多產(chǎn)生大變形的隧道均應(yīng)用了小導(dǎo)管超前支護(hù)手段控制軟弱圍巖的剪切滑移，如家竹箐隧道、鷓鴣山隧道、木寨嶺隧道等。本項目采用Φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，地質(zhì)環(huán)境特別復(fù)雜地段采用Φ89中管棚+Φ42小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，取得了良好的效果。

高強度型鋼：依據(jù)康紅普等[14]的研究，對于高地應(yīng)力擠壓式變形隧道，應(yīng)當(dāng)盡可能的加強前期支護(hù)剛度，一次支護(hù)到位，避免二次支護(hù)。這是由于軟弱圍巖大變形隧道強度應(yīng)力比低，變形速率快，如果不提高前期支護(hù)的剛度將會產(chǎn)生不可逆的大變形，同時隧道周圍圍巖強度不斷降低，應(yīng)力狀態(tài)惡化，后續(xù)支護(hù)難度大。鑒于此原理，采用高強度的型鋼控制圍巖變形發(fā)展，同時適用早強混凝土噴漿，提高支護(hù)體系整體剛度，噴射厚度依據(jù)型鋼類型而定。本工程中，對Ⅰ級大變形地層采用I22a鋼架，Ⅳ、Ⅴ級圍巖鋼架間距分別為1.0 m、0.8 m；對Ⅱ級大變形地層采用H175，Ⅳ、Ⅴ級圍巖鋼架間距分別為1.0 m、0.8 m；對Ⅲ級大變形地層采用H175，Ⅳ、Ⅴ級圍巖鋼架間距分別為0.8 m、0.6 m，早強混凝土強度：對Ⅰ級、Ⅱ級大變形地層采用C25噴早強混凝土，Ⅲ級大變形地層采用C30噴早強混凝土。

自進(jìn)式長錨桿：自從新奧法提出以來，長錨桿在眾多地下工程中得到應(yīng)用，國外的有奧地利陶恩隧道、阿爾貝格隧道，日本惠那山隧道等，國內(nèi)有前述家竹箐隧道、鷓鴣山隧道、木寨嶺隧道和關(guān)角隧道等。長錨桿作為圍巖變形控制的有效手段，在大變形控制中被廣泛的應(yīng)用，其原理是將隧道塑性區(qū)最外側(cè)的松動圍巖與內(nèi)層的穩(wěn)定圍巖連接成一個整體，提高隧道圍巖的完整性，同時對于潛在的滑移面還可以提高其抗剪強度，起到“消栓作用”的效果。本項目采用R32N自進(jìn)式錨桿，每根自進(jìn)式錨桿長8 m，布設(shè)密度依據(jù)圍巖強度而定，在DK381等大變形洞段取得了良好的效果。

此外為了減小大變形風(fēng)險的發(fā)生，還采用了預(yù)留變形量、富水區(qū)域性大斷層采用拱墻徑向注漿等方式控制圍巖變形。

4 結(jié)束語

甘青隧道作為西寧至成都鐵路的控制性工程，具有地質(zhì)狀況復(fù)雜，施工環(huán)境惡劣、風(fēng)險突出等特點。對于深埋、高地應(yīng)力洞段，為預(yù)防隧道圍巖大變形產(chǎn)生，綜合采用超前地質(zhì)預(yù)報、光面爆破、微臺階開挖、小導(dǎo)管超前支護(hù)、提高初期支護(hù)鋼度、加長錨桿和圍巖注漿等多種手段，保證了隧道施工的安全穩(wěn)定，解決了斷層破碎帶軟弱圍巖大變形的難題。綜合研究后認(rèn)為，隧道圍巖大變形控制需要完整的開挖及支護(hù)體系，各控制因素之間互相耦合，最大限度降低隧道徑向位移收斂，這也符合新奧法的原則，對同類型圍巖大變形隧道施工，項目具有重要的參考價值。