大跨軟巖隧道開挖圍巖變形特性施工控制策略研究

摘要：闡述軟巖隧道圍巖變形機理，包括地應(yīng)力和地下水作用機制，介紹大跨軟巖隧道施工控制理論，探討大跨軟巖隧道開挖圍巖變形特性，包括變形特征的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)。提出大跨軟巖隧道施工控制措施，采用三臺階法施工并結(jié)合超前支護、長錨桿加強支護和基底加固處理措施。與原支護措施相比，圍巖拱頂和拱腰的變形量減小到一半以下，使圍巖變形速率得到了有效控制。

關(guān)鍵詞：大跨軟巖隧道；圍巖變形特性；施工控制措施

0" "引言

軟巖地質(zhì)條件復(fù)雜，具有強度低、穩(wěn)定性差、蠕變性大等特點，給隧道施工帶來了極大的困難。在大跨軟巖隧道施工過程中，圍巖變形問題尤為突出，若控制不當(dāng)可能導(dǎo)致隧道坍塌、突水突泥等嚴(yán)重安全事故，不僅影響施工進度，還會對人員生命和財產(chǎn)安全造成巨大威脅[1-3]。大變形災(zāi)害防控一直是軟巖隧道領(lǐng)域研究的熱點[4-5]。大跨軟巖隧道的變形特性復(fù)雜多樣，其受到多種因素的綜合影響。一方面，軟巖自身的低強度、高變形、易風(fēng)化等特點決定了隧道在開挖過程中圍巖容易發(fā)生大變形。另一方面，大跨度的隧道結(jié)構(gòu)使得圍巖的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，增加了變形控制的難度[6]。

通過對大跨軟巖隧道變形特性的研究，了解圍巖在不同施工階段的變形規(guī)律，有利于制定合理的施工控制措施提供基礎(chǔ)。在施工控制措施方面，需要綜合考慮多種因素，包括優(yōu)化施工工藝、加強支護結(jié)構(gòu)、合理安排施工進度等。此外，引入先進的監(jiān)控技術(shù)和信息化管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測施工過程中的地質(zhì)變化和圍巖變形情況，有利于確保施工安全。本文深入剖析大跨軟巖隧道開挖過程中的圍巖變形特性，探索有效的施工控制措施。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

本文以甘孜州白玉縣德拖隧道為研究對象，該隧道地處川西高原腹地，起訖里程D3K678+048～D3K681+610，按左線拉通隧道全長3562m。隧道進口至D3K680+022段分修，D3K680+022至隧道出口段合修，隧道左洞進口里程D3K678+048，隧道右洞進口里程DY1K678+095，出口里程D3K681+610。分修段右線長1945.514m，隧道縱坡為單面下坡。隧道進口海拔約3499m，出口海拔約3432m。隧道最大埋深440m。

1.2" "工程地質(zhì)狀況

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高山區(qū)，主要特征是地形陡峭，山坡大多達35°以上，溝谷狹窄，多呈“Ⅴ”形，兩邊邊坡陡峻，僅降曲河谷局部有階地發(fā)育。地表上覆第四系殘坡積角礫土、碎石土、塊石土。地層巖性主要為紫紅、磚紅色礫巖、砂礫巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。主體斷裂在平面上多表現(xiàn)為分支復(fù)合狀，主干斷裂在走向上具有不連續(xù)性。測區(qū)內(nèi)存在多個區(qū)域性褶皺構(gòu)造，次級揉皺較發(fā)育，巖層擠壓變形明顯，巖層產(chǎn)狀變化較大。

隧址區(qū)地處高海拔山區(qū)，主要地表水為現(xiàn)代冰川、山間溝水及山間盆地之河水。山間河水為常年性流水，山間沖溝冬季干涸，春季-秋季有流水，為季節(jié)性流水。地下水以構(gòu)造裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖基巖裂隙水為主，次為風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水，而孔隙水分布較少。地下水主要以泉的形式沿結(jié)構(gòu)面或地形低洼處排泄。

2" "圍巖變形特性及機理分析

2.1" "圍巖變形破壞特性

將隧道出口D3K680+090設(shè)置為監(jiān)測斷面，得到圍巖變形監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，在整個監(jiān)測時間內(nèi)，圍巖最大變形量為568mm，其中拱頂?shù)淖冃巫畲?，其次是中臺階，而下臺階變形最小。從圖1的斜率上看，可以將整個變形速率劃分為3個區(qū)域，在開始監(jiān)測到10d內(nèi)，變形速率較大。10d后變形速率開始下降，但速率仍然很大。在20d后變形速率顯著下降，慢慢趨于0，圍巖停止變形。

在TBM停機期間，圍巖變形具有顯著時間效應(yīng)，變形先快后慢。該工程砂質(zhì)泥巖為極軟巖，流變性顯著。在施工初期，圍巖變形速度較快，隨著時間的推移，變形速度逐漸減緩。這是因為在隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，軟巖在應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形。初期，軟巖的變形主要是由于應(yīng)力釋放較快，而隨著時間的推移，軟巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定，主要是由于軟巖的蠕變特性使得變形速度逐漸減緩。

在隧道開挖過程中，圍巖變形具有明顯的空間效應(yīng)，垂直位移大于水平位移，護盾后部圍巖位移大于前部。這是因為在隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，垂直方向上的應(yīng)力較大，導(dǎo)致垂直位移較大。而護盾后部的圍巖受到的擾動較大，應(yīng)力釋放較多，因此位移大于前部。此外，在隧道的不同部位，圍巖的變形也有所不同。例如，在隧道的拱頂和拱底部位，由于受到的應(yīng)力較大，變形也較為明顯。而在隧道的邊墻部位，由于受到的應(yīng)力相對較小，變形也相對較小。

2.2" "變形破壞機理

2.2.1" "地應(yīng)力作用機理

以該隧道為例，該隧道穿越極軟巖大變形段落，施工中初期支護產(chǎn)生大變形，拱架出現(xiàn)扭曲、變形、折斷等情況。軟巖隧道周圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散，地應(yīng)力的大小受到巖層變形和移位的影響，會對軟巖隧道圍巖產(chǎn)生較大壓力，并引起巖層變形。連城山隧道地處復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，地應(yīng)力作用明顯。在隧道開挖前，巖體處于三向受壓高圍壓環(huán)境，相互制約，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

當(dāng)隧道開挖后，應(yīng)力發(fā)生二次重分布，在洞壁附近切向應(yīng)力增大而徑向應(yīng)力減?。ㄚ吔诹悖４藭r隧道洞壁巖體環(huán)境由高圍壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛧鷫籂顟B(tài)。地應(yīng)力越大，隧道開挖后，圍巖塑性半徑也將隨之增大。

2.2.2" "地下水作用機理

地下水對圍巖變形的作用不可忽視。地下水能軟化圍巖，對軟巖尤其突出，對土體則可促使其液化或流動。在軟巖中開挖隧道時，地下水的壓力和流動方向使巖石發(fā)生變形，導(dǎo)致初期支護噴混凝土出現(xiàn)開裂、鋼架扭曲等問題。地下水的存在不僅會增加圍巖的變形程度，還會降低圍巖的穩(wěn)定性。當(dāng)支護和襯砌封閉較好時，周邊局部地下水升高可能會使支護產(chǎn)生大變形，但隨著支護開裂，水溢出，壓力釋放減小，變形就會停止。如果不及時處理水的問題，就會因為水流的作用而引發(fā)滑坡、塌方等災(zāi)變。

3" "大跨軟巖隧道支護措施優(yōu)化

3.1" "原方案

隧道出口D3K680+079～D3K680+192段（合修范圍大跨段）圍巖主要為粉砂質(zhì)板巖、板巖弱風(fēng)化層，巖體較破碎，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工容易出現(xiàn)坍塌風(fēng)險。D3K680+079～

D3K680+192大跨段隧道開挖前對軟弱圍巖采用D89中管棚超前支護及玻璃纖維錨桿進行圍巖超前加固。

開挖后全斷面采用型鋼加強支護，必要時設(shè)置臨時支撐及臨時仰拱，減少對圍巖擾動。施工時加強超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測及施工管理。

3.2" "優(yōu)化后方案

3.2.1" "開挖工法

隧道采用臺階法施工，將隧道斷面分成3個臺階，分步進行開挖。對于隧道出口D3K680+079～D3K680+192段（合修范圍大跨段）采用長臺階法，以利于大型機械作業(yè)。為進一步檢驗支護方案的可靠性，在現(xiàn)場試驗段隧道拱頂、拱腰、布設(shè)變形測點，如圖2所示。

3.2.2" "支護方案

3.2.2.1" "超前支護

在隧道洞口或地質(zhì)條件差的地段，沿隧道開挖輪廓線外一定距離，預(yù)先打入鋼管形成管棚，以增強圍巖的穩(wěn)定性，防止隧道開挖時頂部圍巖坍塌。管棚的鋼管直徑、長度、間距等參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)條件和隧道跨度等因素確定。

在隧道開挖前，將小導(dǎo)管打入圍巖中，并注入水泥漿、水玻璃等漿液，對圍巖進行加固和止水。小導(dǎo)管的長度一般較短，可根據(jù)需要靈活布置，適用于破碎、軟弱圍巖地段，能有效提高圍巖的自承能力。

3.2.2.2" "初期支護加強措施

采用長錨桿支護，錨桿長度為5～6m。選用較大型號的型鋼鋼架或格柵鋼架，鋼架的間距為0.5～1m。鋼架應(yīng)與錨桿、鋼筋網(wǎng)等聯(lián)合使用，形成穩(wěn)固的支護體系，以增強初期支護的承載能力。

使用早強型水泥或添加早強劑的混凝土進行噴射，使噴射混凝土能更快地達到設(shè)計強度，及時發(fā)揮支護作用，控制圍巖變形。噴射混凝土的厚度應(yīng)為20～30cm。

3.2.3" "基底加固處理

根據(jù)隧道的地質(zhì)條件和受力情況，合理調(diào)整仰拱的曲率，使仰拱更好地承受圍巖壓力，防止基底隆起和下沉。在仰拱部位設(shè)置錨桿，增強仰拱與圍巖之間的連接，提高仰拱的穩(wěn)定性。通過向隧道底部注入水泥漿或采用旋噴樁等方法，加固基底圍巖，提高基底的承載力和穩(wěn)定性，防止因基底軟弱導(dǎo)致的隧道整體下沉。

3.4" "優(yōu)化后支護效果分析

為驗證主動控制技術(shù)的適用性，在隧道大變形區(qū)新開挖段進行現(xiàn)場實地測試，以隧道出口D3K680+090設(shè)置為監(jiān)測斷面測試結(jié)果進行分析，新支護方案下，D3K680+090斷面圍巖變形監(jiān)測曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，對原支護方案改造后，隧道圍巖拱頂和拱腰處的變形量得到了顯著降低，最大變形為209mm，較原支護方案降低了63.2%。拱腰處最大收斂為174mm，減小了65.2%。拱頂沉降和拱腰收斂未超過調(diào)整后的預(yù)留變形量。在變形速率方面，新支護方案下圍巖變形速率得到了顯著的控制，拱頂和拱腰的最大變形速率分別為8.3mm/d、7.1mm/d。綜上所述，與原支護相比，圍巖拱頂和拱腰的變形量減小到一半以下，圍巖變形速率得到了有效的控制。

4" "結(jié)束語

本文以德拖隧道工程為例，研究隧道大變形機理，提出了相應(yīng)的圍巖變形控制措施，得出主要結(jié)論如下：

圍巖拱頂變形最大，最大變形量為568mm，下臺階變形最小。圍巖整個變形速率劃分為3個區(qū)域，在開始監(jiān)測至10d內(nèi)變形速率較大，10d后變形速率開始下降，在20d以后變形速率顯著下降，慢慢趨于0，圍巖停止變形。隧道工程圍巖發(fā)生較大變形病害，是由于地應(yīng)力作用和地下水作用的結(jié)果。

對采用三臺階法施工并結(jié)合超前支護、長錨桿加強支護和基底加固處理后的隧道沉降進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：圍巖最大變形為209mm，較原支護方案降低了63.2%，拱頂沉降和拱腰收斂未超過調(diào)整后的預(yù)留變形量。在變形速率方面，新支護方案下圍巖變形速率得到了顯著的控制，拱頂和拱腰的最大變形速率分別為8.3mm/d、7.1mm/d。

參考文獻

[1]" 陳建勛，劉偉偉，陳麗俊，等.綠泥石片巖地層大跨度公路隧道大變形控制及合理支護形式現(xiàn)場試驗[J].中國公路學(xué)報，2020，33（12）：212-223.

[2]" 郭小龍，譚忠盛，喻渝. 成蘭鐵路軟巖隧道大變形控制技術(shù)及變形控制基準(zhǔn)研究[J].鐵道學(xué)報，2022，44（3）：86-104.

[3]" 王傳武，陳麗俊，陳建勛，等.大跨度軟巖公路隧道仰拱承載性能及安全性研究[J].中國公路學(xué)報，2022，35（7）：203-215.

[4]" 鄧鵬海，劉泉聲.高應(yīng)力軟巖隧道破裂碎脹米級大變形機理研究[J].中國公路學(xué)報，2023，36（8）：225-239.

[5]" 陶琦.考慮巖體膨脹效應(yīng)的高地應(yīng)力軟巖隧道穩(wěn)定性控制研究：以米林隧道為例[J].隧道建設(shè)（中英文），2023，43（8）：1327-1337.

[6]""""" 劉毅，陳夢發(fā)，程謙恭.川中紅層軟巖高速鐵路隧道基底上拱機理研究[J].鐵道工程學(xué)報，2023，40（4）：55-59.