白云隧道深埋高應力段施工技術

何興國，韓國令

(中鐵隧道股份有限公司 河南鄭州 450001)

隨著我國綜合國力及科技水平的日益提高，深埋長大隧道作為陸路交通、海峽通道、水利水電及跨流域調水等大型土木工程建設項目中的重要結構物，在克服高山峽谷等地形障礙、縮短空間距離及改善線路運營質量等方面具有不可替代的作用。但長大深埋隧道往往工程地質條件和水文地質條件十分復雜，尤其在深埋隧道往往會存在高應力巖爆和高應力軟巖地段。本文通過白云隧道施工的具體事例剖析深埋高應力巖爆和高應力軟巖段落的機理及施工控制技術。

1 白云隧道高應力段落巖爆和軟弱圍巖變形簡述

白云隧道全長7120m，最大埋深800m，其工程地質和水文地質條件非常復雜，集高水壓、巖溶及地下涌突水（泥）、高地應力(巖爆與軟弱圍巖變形)、斷層破碎帶、有害氣體等于一體。白云隧道左線ZK48+450～ZK48+330、右線K48+424～K48+360段，圍巖為薄層狀硬質灰?guī)r，施工過程中發(fā)生巖爆，硬脆性圍巖產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲的現(xiàn)象，初期支護混凝土也出現(xiàn)嚴重開裂剝落現(xiàn)象。白云隧道左線在ZK48+622～ZK48+521、 右線在K48+610～K48+492段施工時，圍巖挖開為泥質灰?guī)r，穩(wěn)定性差，尤其是拱部出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象，特別是在高應力的作用下，變形較為嚴重。

2 深埋高應力段巖爆機理及其施工技術

巖爆是一種極為復雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象，迄今為止，人們對其形成機理還無統(tǒng)一的認識。“巖爆的產生需要具備兩方面的條件：高儲能體的存在，且其應力接近巖體強度是巖爆產生的內因；某些附加荷載的觸發(fā)是其產生的外因”，這是目前對巖爆機理給出的最為清晰的概述。對機理的另一種說法是，處于高地應力環(huán)境中的結構完整的硬脆性圍巖，在隧道開挖后，切應力（σθ）達到或接近圍巖的單軸抗壓強度（UCS），在其它因素的誘發(fā)下，圍巖便以巖爆的形式失穩(wěn)，這可以被總結為巖爆形成機理的靜荷載（靜力學）理論，是廣泛采用的巖爆預測依據(jù)——σθ/UCS的理論依據(jù)，其主要表現(xiàn)在地下工程開挖過程中硬脆性圍巖產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質災害。它直接威脅施工人員及設備安全，影響工程進度，已成為世界性的地下工程難題之一。

白云隧道主要采取以下施工措施處置左線ZK48+450～ZK48+330、右線K48+424～K48+360段的圍巖巖爆，以確保施工進度和施工安全。

（1）爆破后通風排煙，立即向工作面及附近洞壁巖體噴灑高壓水，以降低巖體強度，增強塑性，減弱巖體的脆性，降低巖爆的劇烈程度，同時可以起到降溫除塵的作用。也可利用炮孔和錨桿孔向巖體深處注水，以取得更佳效果。

（2）用MDK-5超前鉆機在掌子面施做準75超前鉆孔，進行應力解除。

（3）及時施作錨噴柔性支護結構，這種結構是使用許多小跨度的雙曲鋼筋網殼分片包圍噴射混凝土，鋼筋網殼的巧曲應力與噴射混凝土的剪應力相互削弱，因此這種支護結構具有較好的承載和可縮性能。其中最為突出的一點就是使隧道內的圍巖應力轉化為網殼的張應力，隧道二次襯砌基本不承受荷載。具體的施工工序如下：

隧道開挖→在工作面施噴30mm～50mm厚混凝土→施作錨桿→安裝鋼筋網→噴混凝土至設計厚度→施作防排水設施→施作二次襯砌。

在施工中，最為關鍵的工序就是錨桿的施作問題，鋼筋網的受力支撐點就是錨桿，所以將錨桿的間距控制在100cm×100cm，確保隧道圍巖的穩(wěn)定性。

（4）合理的施工方法:白云隧道采取“短進尺、弱爆破”，并嚴格控制炮眼利用率，以降低巖爆的發(fā)生頻率。

3 深埋高應力段落隧道圍巖變形機理及其施工技術

1946年，Terzaghi首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念。擠出性巖石是指侵入隧道（開挖輪廓面）后沒有明顯體積變化的巖石，發(fā)生擠出的先決條件是巖石中含有高含量的微觀、亞微觀云母狀礦物顆粒或低膨脹能力的粘土礦物；膨脹性巖石則是指主要由于膨脹作用而侵入隧道的巖石。受到Terzaghi思想的影響，人們一般把大變形機制分為以下兩大類：

一是開挖引起的應力重分布超過圍巖強度，圍巖因塑性化而產生大變形。如果介質變形緩慢，就屬擠出；如果變形是立刻發(fā)生的，就是巖爆。

二是圍巖中的某些礦物和水反應，而發(fā)生膨脹導致大變形。水及某些膨脹性礦物的存在，對于膨脹變形是必須的。

白云隧道施工過程中主要采取如下施工措施處置左線ZK48+622～ZK48+521、 右線K48+610～K48+492深埋高應力段落圍巖變形，來確保施工進度和施工安全。

3.1 采用Ⅰ16工字鋼構筑安全施工空間

采用Ⅰ16工字鋼作為承載圈，工字鋼間距@80cm，形成初期支護系統(tǒng)，以便較均勻地分散圍巖應力，而不易產生局部變形破壞，使產生變形的松動圈得到控制，而不會迅速擴大。

3.2 準42 超前小導管及準22組合注漿錨桿加固圍巖縮小松動圈

深埋高地應力及軟弱圍巖是隧道產生大變形的內在原因，盡管地應力是無法改變的，但可采取措施加強圍巖，改善圍巖條件。對高應力軟弱圍巖采用5m長的準42超前注漿小導管和3.5 m長的準22組合注漿錨桿，準42超前小導管注入水泥-水玻璃雙液漿、準22組合錨桿注入30#水泥漿，以0.5～1.5MPa注漿壓力，將漿液壓入地層中，從而在管錨體周圍一定范圍內形成一個固結圈，改善軟巖的整體性，提高圍巖的自穩(wěn)能力。

3.3 加大預留變形量

軟弱圍巖隧道一般都可能發(fā)生大變形，在確定開挖輪廓時必須預留足夠的變形量，并掌握“寧超勿欠”的原則，防止變形后的初期支護侵入二次襯砌凈空。施工時預留30cm的變形量，能夠較大幅度地釋放深埋高地應力條件下的圍巖擠入變形，減少作用在二次襯砌上的地應力荷載，有利于隧道結構安全。

3.4 柔性初支及剛性鋼筋混凝土二襯先柔后剛先放后抗

“先柔后剛”是指支護結構，即初期支護是柔性的，由鋼筋網、噴射混凝土、高強度剛架和超前小導管及錨桿構成；而二次襯砌則是剛性的，由模注鋼筋混凝土組成，承受地層殘余形變壓力。“先放后抗”是指采用柔性初期支護，允許圍巖有一定程度的變形，釋放圍巖應力，待初期支護與圍巖穩(wěn)定之后，采用剛性二次襯砌，抵抗圍巖的過度變形，保證圍巖和支護結構的安全。

3.5 開挖減震爆破或不爆破控擾動

在開挖時，采用微震動爆破或不爆破開挖，以盡可能減少施工對圍巖的擾動，從而控制圍巖松動圈的進一步擴展。

3.6 增設底部仰拱支護為鋼筋混凝土，防止底板隆起

3.7 “三快”施工工序保安全

在產生較大變形地段，在施工早期，要快速提供大剛度的初期支護結構，要快速形成支護體系，要快速形成支護強度，才能克服高應力軟巖初期變形迅猛、后期變形持續(xù)時間長的特點。只有如此，才能為深埋高應力軟巖隧道的快速掘進提供有力保證。

3.8 勤量測

深埋軟巖地段必須加大監(jiān)控量測力度，為施工和結構安全提供可靠的數(shù)據(jù)，同時為施工決策提供有力依據(jù)。

4 結論和建議

（1）圍巖巖爆雖然是一種令人生畏、成因復雜的地質災害，但是它的發(fā)生還是有一定的規(guī)律的，只要加強對巖爆的監(jiān)測和預報，在施工過程中采用合適的施工措施，就可以把其危害降到最小。

（2）防止軟巖變形的設計理念與施工原則

深埋高應力條件下的軟弱圍巖隧道應貫徹“以柔克剛”的設計理念及“加固圍巖、控制變形、先柔后剛、先放后抗、變形留夠、防侵凈空、底部加強、抑制隆起”的施工原則。

（3）加強超前地質預報和圍巖監(jiān)控量測工作

長大深埋隧道地質條件復雜，在施工過程中不可預見因素較多，地質災害的發(fā)生具有普遍性，因此進行超前地質預報和圍巖監(jiān)控量測工作非常必要。白云隧道在施工過程中，堅持采用TSP203探測儀進行遠程（150～200m）宏觀的地質預報，結合DK-5型超前水平鉆機近距離（30～60m）微觀驗證的方式對掌子面前方的工程地質及水文地質情況進行預報，在過程中堅持對圍巖進行監(jiān)控量測，及時調整施工措施和支護參數(shù)，有效地保證了隧道按期優(yōu)質安全建成。

參考資料：

[1]JTJ042－2004，公路隧道施工技術規(guī)范[S].

[2]譚以安.巖爆形成機理研究 [J].水文地質工程地質，1989，(1):34-38.

[3]李春杰.秦嶺隧道巖爆特征與施工處理[J].世界隧道，1999，(1):36-41.

[4]張祉道.家竹箐隧道施工中支護大變形的整治[J].世界隧道，1997，(1):7-16.

[5]喻渝.擠壓性圍巖支護大變形的機理及判別方法[J].世界隧道，1999，(1):46-51