葡萄山隧道高地應力大變形施工對策及應用

匡小慧

（中鐵十五局集團第六工程有限公司，河南 洛陽 471000)

1 引言

近年來，隨著我國國民經濟的快速穩定發展，交通基礎設施建設日益增多，高等級公路和高速鐵路蓬勃發展，隧道工程為其重要的組成部分，對于隧道及地下工程，由于地質條件比較復雜而且很難預測，尤其是不良地質，對隧道施工階段結構的安全性影響較大，如果處理措施不完善，將會導致拱頂大變形、塌方等工程事故的發生，所以對于特殊地質段隧道施工，采取合理的施工對策，加強管理，不斷優化施工方案具有重要的意義。

2 工程概況

葡萄山隧道位于酉陽土家族苗族自治縣板溪鄉，是渝湘高速公路洪安至酉陽段三大重點工程之一，為渝湘高速公路上第二長隧道。隧道雙洞四車道，按上下行分離式形式布置，總長度達6290m，是全線的控制性工程。施工劃分兩個標段，標段分界里程為YK60+000(ZK59+995)。進口段工程情況為：左洞長3580m（ZK56+415～ZK59+995），右洞長 3560m（YK56+440～YK60+000）。圍巖級別除 K56+415～K56+460、K58+420～K58+444段穿越斷層為Ⅴ級圍巖外，其余均為Ⅲ、Ⅳ級圍巖軟弱層、破碎體以及小規模的斷層及破碎帶之中，風化體等對洞身段圍巖穩定較為不利，易出現拱頂大變形，塌方等現象。葡萄山隧道能否安全、順利貫通直接影響到全線工程的施工進度。

3 存在問題及對策

隧道施工過程中，由于葡萄山隧道地質變化復雜，不良地質頻繁出現（如高地應力、大變形等）；開挖后實際圍巖級別與《工程地質詳細勘察報告》偏差很大。

不良地質地段引起結構變異因素非常復雜，施工組織設計中所制定的施工方法和防范措施及對策，在某些特殊地段不符合實際情況。因此，在隧道施工過程中加強超前地質預報和監控量測工作，及時掌握前方圍巖情況和初期支護的受力狀態，同時及時優化施工方法和支護結構的設計參數，防止突然事故的發生，保證施工安全。施工中采用TSP203型超前預報儀、超前探孔和觀察掌子面地質情況的方法綜合進行地質超前預報，而監控量測主要為初期支護拱頂下沉監測、周邊收斂監測以及初期支護和二次襯砌結構內力監測。

3.1 高地應力段

3.1.1 初支開裂，注漿加固處理

進口端掘進至2000m時地應力較高，里程YK58+440～YK58+520段開挖中由于對高地應力未足夠重視，施工中雖未出現巖爆，但施工完成的初期支護結構拱頂出現開裂現象，于2007年11月25日～2007年12月2日分段進行了注漿加固（即 YK58+440～+475 、YK58+475～+486、YK58+486～+496）。

監控量測增加了量測頻率，監測數據顯示支護結構變形仍存在顯著的異常變化，12月3日至4日拱頂下沉和水平收斂量值突然增大，拱頂下沉速率達17mm/d，位移累計量接近50mm，收斂變形速率達15mm/d，累計接近60mm，變形量已超出規范允許的臨界值。

由于支護結構變形量較大，于2007年12月4日停止了掌子面掘進，對初支已開裂和變形段落（YK58+440～+495段）進行徑向布設Φ42小導管，L=450cm，@100cm×100cm 梅花布置并按隧道施工規范要求補注水泥凈漿，水灰比為0.8:1，壓力0.5～1.0Mpa；通過連續8天注漿加固，該段已基本穩定，其中YK58+440～+495段是屬二次補注漿。

3.1.2 調整設計支護參數，強支護效果不良

2007年12月13日，根據地質超前預報結果、復工令及工程變更會簽，恢復了掌子面掘進，采取“短進尺、弱爆破、強支護”，以原設計Ⅳb型支護參數（格柵拱間距100 cm，Φ32超前錨桿環距0.4m，排距3.0m，單根長4.5m，＠100×100φ22砂漿錨桿，噴砼，仰拱，鋼筋網支護）變更為Ⅴ型斷面支護參數施工，即U型鋼拱架，間距75cm，φ42超前小導管，環距0.35m，排距2.25m，＠80×75φ25中空錨桿，噴砼，仰拱，鋼筋網等加強支護。但每進一循環，上一循環拱部就有裂紋。2007年12月21日,YK58+495～YK58+505段拱頂縱向開裂、混凝土剝落、鋼拱架裸露現象明顯，且YK58+490～YK58+495也受到不同程度影響，立即停止掌子面掘進，并對YK58+495～YK58+505段進行了注漿。

2007年12月30日，開挖支護到YK58+520時，YK58+490～YK58+520 段嚴重開裂，后確定對YK58+490～YK58+520段進行注漿加固，其中YK58+490～YK58+495段，是三次補注漿。

3.1.3 采取應力釋放法施工

根據地質超前預報數據，高地應力圍巖靠掌子面還有近60m。為確保安全及消除長期地質災害隱患，采取應力釋放法施工，即在對圍巖變形進行嚴密監測的條件下，允許變形以一定的速率繼續發展，以釋放一部分能量，然后才對它施加限制。因此，初期的支護結構采用“開敞式”即先不設仰拱，而且在噴混凝土層中預留出許多縱向縫，待圍巖變形速率較小后再進行第二次噴射混凝土施工，并進行仰拱封閉。通過以上施工方法，及時預測和處理了支護結構變異，確保了高地應力段安全施工。

3.2 圍巖大變形段

3.2.1 工程描述

YK59+762～YK59+930段隧道埋深865.00～447.00m，巖性為灰白至灰色薄至中厚層狀微晶白云巖、含泥質微晶白云巖、黑色灰質頁巖、水云母頁巖，屬硬質軟質復合巖組。巖層走向與洞軸線夾角 85～89°，巖層傾角 5～8°，層間結合力一般，巖體發育二組節理，Jv一般5～11條/m3，巖體較破碎～較完整，為塊碎狀鑲嵌結構與大塊狀砌體結構相間組合。拱部無支護時可產生小的坍塌，軟硬巖結合部巖溶較發育，且易產生三角體塌方，側壁基本穩定。為巖溶含水層富水段，隧道出水一般為滴水～淋水，局部有股狀水流出，含水層隔水層接合部可能發生涌突水現象。平水期約為16253.9m/d，豐水期約為24380.9m/d。

經現場監控量測結果可知，確定該段為Ⅳ級大變形段。

3.2.2 施工對策

為確保初期支護結構安全避免塌方事故發生，現場采取臺階分部開挖施工法，開挖輔助措施為φ42超前小導管，環距0.35m，排距2.25m，單根長4.5m，見圖1。初期支護為：C20噴射混凝土+徑向Φ25中空錨桿+φ8鋼筋網+U型鋼支撐，C20噴射混凝土設計厚度為26cm，徑向錨桿為Φ25中空錨桿（L=600，縱、環向間距均為0.8m，梅花型布置），鋼筋網鋼筋直徑為φ8，U型鋼拱作為初期支護的加強措施，間距為0.75m，留變形量為15cm，同時預留變形量可根據現場監控量測反饋信息進行調整，通過以上施工方法和設計參數，確保了圍巖大變形段施工安全。

圖1 小導管超前支護作業示意圖

3.3 加強動態施工和設計管理

在葡萄山隧道的施工過程中，成立了由地質工程師、測量工程師、隧道工程師、試驗工程師為主的動態施工小組。對采集的數據進行分析，采取“石變我變”的動態施工理念，以指導施工。針對隧道地質變化復雜，不良地質頻繁出現，造成施工進展緩慢和工期壓力大的問題，為解決該特殊地段施工難題，結合現場情況，采取每10m進行一次現場勘察分析、變更會簽，及時調整施工方法，提高了功效，加快了施工進度。

(1)設計描述。里程YK59+290～YK59+330段原設計為Ⅲ級圍巖，設計圍巖描述：隧道埋深781.00～785.00m，巖性為淺灰色微晶云巖夾薄層頁巖，主要為堅硬巖夾極軟巖。巖層走向與洞軸線夾角85°，巖層傾角2～5°左右，層間結合由一般逐漸變差，本段處于桐麻嶺背斜核部，主要發育節理三組，Jv一般10～14條/m3，巖體破碎～較完整，圍巖呈塊碎狀鑲嵌結構，巖層傾角平緩，拱部無支護時，可能出現大的坍塌，側壁有時失穩。灰巖為巖溶含水層富水段，隧道出水一般為股狀出水，核部可能發生涌突水現象。

原設計襯砌類型為Ⅲ級緊急停車帶襯砌，初期支護為：C20噴射混凝土+@120cm×120cm梅花布置Φ22砂漿錨桿+φ8鋼筋網。

(2)工程實際情況。該區段實地勘察定為Ⅳ級圍巖，圍巖為灰、深灰薄層粉砂質灰巖(層厚1～25cm),層理清楚，炭質頁巖、分砂質灰巖互層，由于每個分層巖性差異，造成層間結合松馳,且地層產狀平緩 140～195°∠4～8°。巖塊沿裂隙剝落,拱頂脫層、掉塊嚴重，局部垮塌成水平狀。裂隙產狀 310～350°∠70～80°，裂隙較發育，裂隙有自底延伸至拱頂，節理裂隙紊亂、密集，有呈凹型巖腔裂隙，裂隙中充填泥質物，裂隙互相切割破壞巖體，使巖體破碎，碎塊結構，穩定性差。掌子面開挖后，拱頂脫層、掉塊、垮塌較嚴重。

(3)施工對策。經業主、設計、監理、監控量測、施工單位五方代表現場勘察，采取了每10m進行一次現場勘察分析、變更會簽，并采取拱頂范圍內增設Φ32自進式超前錨桿。各段變更參數情況見表1。

表1 葡萄山隧道YK59+290～YK59+330段變更方案表

4 結論

隧道施工過程中經常遇到不良地層，此時圍巖及支護結構的力學狀態較復雜，引起支護結構變異，依據葡萄山隧道針對高地應力大變形段施工措施及現場應用情況，主要有以下幾點體會：(1)加強監控量測和地質超前預報，盡力控制和調整結構的力學狀態變化，利用反饋信息指導施工，并對設計參數及施工方案進行優化，分析對比開挖后的實際情況和預測結果，總結經驗，逐步提高前方地質預報的準確性。（2）嚴格按照隧道施工規范以及規程進行施作,及時總結經驗和教訓,以確保隧道施工安全、順利進行。（3）加強隧道工程動態設計和施工理念，及時判明地質情況、加強監控量測和嚴格控制工程質量，以設計指導施工，以優化施工方法和設計參數彌補原設計的不足，同時為其他類似工程的設計和施工提供參考依據。

[1]關寶樹.隧道工程設計要點集[M].人民交通出版社，2003，1999.

[2]王夢恕.大瑤山隧道修建新技術.[M].廣東科技出版社，1994.

[3]朱漢華,孫紅月,楊建輝.公路隧道圍巖穩定與支護技術[M].科學出版社，2007.

[4]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].人民交通出版社，2003.