老東山隧道軟弱圍巖變形開裂控制技術研究*

帥建兵

(中鐵十二局第二工程公司，山西太原 030032)

近年來，隨著高速鐵路、客運專線等國家重點工程的修建，長大隧道工程項目激增，而且這些隧道往往是整條線路的控制性工程。在隧道修建的過程中，軟巖大變形問題日益凸現，造成工程建設過程中初支結構開裂、隧道侵限、塌方等嚴重災害，不得不展開對大變形病害的整治，浪費資金、消耗資源，并且會嚴重影響整體項目的順利進行。目前，大變形問題已引起科研部門、設計單位和施工單位的重視，并且開展了大量的研究工作。

趙旭峰［1］采用理論解析、數值模擬等手段，對隧道圍巖穩定性及其大變形動態控制開展了相應的研究;張廣澤［2］從區域大地構造、區域地質構造、活動斷層、極高地應力、軟弱圍巖、支護措施、施工方法等方面分析了造成F7斷層帶隧道大變形的原因;孫偉亮［3］分別對順層偏壓地層和高地應力順層偏壓地層隧道施工力學行為分析，制定了“超前支護、初支加強、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛柔并濟、及時封閉、底部加強、改善結構、地質預報”的快速施工原則和總體方案;李國良等［6］通過烏鞘嶺隧道嶺脊地段復雜應力條件下的變形控制技術研究，選擇合理的斷面形狀、預留合理變形量、多重支護、適當提高襯砌剛度的柔性結構設計，短臺階或超短臺階快開挖、快支護、快封閉和襯砌適時施作的施工技術，成功控制了隧道大變形。本文針對廣昆線老東山隧道構造擠壓帶段的圍巖大變形問題，通過對監控量測數據、隧道初期支護變形開裂的規律和原因進行系統分析和試驗，確定了控制圍巖變形的具體支護參數和施工工藝。

1 工程概況

成昆線擴能改造工程廣通至昆明段(簡稱廣昆鐵路)老東山隧道地處云貴高原西部，隧道全長7 578 m，其中Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級圍巖長度分別為730 m，2 988 m和3 860 m，隧道最大埋深約370 m，最大開挖跨度為15.36 m，其橫斷面設計圖見圖1，是廣昆線的重點控制工程。

老東山隧道有1 800 m范圍地處區域性3條逆沖斷層(老東山斷層(F4)、官村至白云寺斷層(F2)、哨村斷層(F1))夾持的構造擠壓帶中;其中哨村斷層(F1)地表破碎帶寬50～80 m，以斷層角礫為主;施工揭示的掌子面巖體整體結構多樣化，巖體較完整至破碎，但以塊石夾碎石結構的巖體多見，如圖2所示。沿斷裂帶發育有寬度不等的擠壓帶、片理化帶、碎裂巖化帶。

圖1 隧道橫斷面圖Fig.1 Cross－ sectional figure of Lao Dongshan tunnel

由于巖性以泥巖夾砂巖、泥灰巖，砂巖夾泥巖，泥巖、砂巖夾泥灰巖等組合形式交替出現，隧道巖體結構形式多樣，致使地下水出露的形式較多，大部分沿節理面、層面呈股狀流出，或從未及時噴射混凝土的拱頂呈大雨狀流出，掌子面附近施工人員需穿雨衣作業，部分地段的地下水沿掌子面的殘留炮眼呈股狀流出。

圖2 掌子面圍巖狀況Fig.2 Surrounding rock conditions of working face

2 老東山隧道初支變形開裂狀況及原因分析

2.1 初支變形開裂狀況

老東山隧道在歷時近4年的施工過程中，受異常復雜工程水文地質條件的影響，在施工過程中多次出現了初期支護變形、開裂現象，造成噴射混凝土剝落，鋼架局部變形、扭曲、直至折斷。典型初期支護變形及鋼架扭曲現象見圖3。

圖3 鋼架局部折斷Fig.3 Steel local broken

2.2 變形開裂原因分析

對于軟弱圍巖隧道施工發生的初期支護變形開裂問題，其產生的原因是多樣的，綜合分析老東山隧道所處的地層條件及變形的分布特征，可以確定其產生大變形的原因主要有以下幾個方面。

2.2.1 巖性因素

老東山隧道以泥巖夾砂巖和泥灰巖為主，這一砂泥質巖組多鈣泥質膠結，富含芒硝、石膏和巖鹽，含可溶鹽泥巖，遇水易崩解和濕陷，同時含鹽泥巖夾層。該巖層具有一定的膨脹性，其膨脹變形率可達12%;特別是干濕交替頻繁的環境下，巖體更易風化變形破壞，浸水后黏聚力和內摩擦角急劇下降，大變形擴容松動和水浸泡后的滑動帶的黏聚力可衰減至0;在充水飽和后體積不變的條件下，膨脹壓力可高達130 MPa。在這種膨脹壓力的作用下，極易導致隧道初期支護變形開裂。

2.2.2 地質構造因素

柑橘缺鉬癥狀：新梢成熟葉片出現近圓形或橢圓形黃色至鮮黃色斑塊，俗稱“黃斑病”，葉背斑駁部位呈棕褐色，并可能流膠形成褐色樹脂，葉表面的病斑光滑，葉背面病斑處稍腫起，且滿布膠質，嚴重時會引起落葉。有時葉尖和葉緣枯焦，嫩葉內卷略呈杯狀，葉片上有明顯的圓形黃點。缺鉬現象較少見，只在酸性特別強的土壤上才會出現。

該隧道剩余的1570 m地處區域性3條逆沖斷層夾持的構造擠壓帶中，地層巖性復雜，砂巖、泥巖混雜;小斷層、褶曲、不整合面、順層滑動面、巖脈等各種不利結構面交錯發育，巖體結構復雜，各部位巖性和完整性差異大。隧道開挖后極易產生滑塌和因軟巖強度降低所造成的圍巖變形，對隧道支護結構產生較大壓力。而且各種不利結構面交錯發育的影響導致初期支護變形左右不對稱，使得圍巖變形更難以控制。

2.2.3 地下水因素

現場調查表明，幾乎所有的初期支護變形開裂都伴隨著有滲水的影響(見圖4);其破壞過程是一個漸進的力學過程，總是從小變形開始，然后累積到一定的程度，在一處或者幾處關鍵部位首先產生破壞，進而導致整個支護系統失穩、崩潰。已完成的初期支護段落在擱置大約7 d后，其背后的地下水開始活躍，初支表面開始潮濕，并伴隨著變形開裂的發生［5］。

圖4 初支表面大面積滲水Fig.4 Large area water seepage on primary support surface

3 變形控制措施的現場試驗

3.1 施工對變形影響的試驗測試

老東山隧道現場測試測線布置見圖5，典型斷面不同施工階段的拱頂沉降及收斂變形時程曲線見圖6。

圖5 圍巖測量基線圖Fig.5 Baseline of surrounding rock measurement

(1)隧道施工過程中，上臺階開挖當天變形量為2～3 cm，初期支護施工完畢后為1～2 cm/d;中臺階開挖當天，水平收斂較大，達到3 cm左右，初期支護施工完畢后保持在1～2 cm/d;下臺階開挖當天變形在5 cm左右，仰拱混凝土完成后保持在5～8 mm/d;中下導坑落底對拱部的變形有較大影響。

(2)隧道初支完成后，若15 d內不及時施作二襯，初支變形面積將隨時間延伸不斷擴大，造成侵限，大多需要拆除重做。

(3)掌子面開挖對后方10～15 m范圍的初支變形影響較大;下半斷面拉槽開挖對初支變形的影響一般局限于拉槽開挖長度內;中下導坑落底或仰拱開挖施工時，初支變形量明顯增加;已施工的部分段落在仰供和二襯施作完成后，附近的初期支護仍然無法快速穩定。

(4)仰拱與下臺階的施工間距對于圍巖變形有重要影響。仰拱封閉成環后，初期支護形成整體受力結構，抵抗圍巖變形的能力大大增強，由仰拱成環前的每天變形1～2 cm減少到仰拱成環后的每天5～8 mm。也就是說，如果提前一天將仰拱封閉成環，則每天可將圍巖初期支護的變形減少一半(10 mm)左右。

圖6 DK951+710斷面變形時程曲線Fig.6 Deformation process curve of DK951+710 section

3.2 不同初支方案的變形試驗

為便于進行對比分析，5種不同的支護方案均采用三臺階七步工法進行施工，且其施工參數完全相同，5種不同支護方案對現場隧道圍巖變形的不同控制效果見表2，表中基線Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ，IIIIII分別為上、中、下臺階開挖后布置，距臺階開挖底面高度約為1 m。

表1 不同變形支護方案Table 1 Different deformation support schemes

表2 不同支護方案的變形控制效果Table 2 Deformation controlling effects of different support schemes

由表中試驗結果可以看出:

(1)采用原設計的單層I20b型鋼鋼架進行支護時，累計最大變形量達到655 mm，鋼架扭曲、折斷，變形嚴重侵限，不得不進行換拱施工，嚴重危及施工安全。

(2)采用單層I22b型鋼鋼架方案進行支護時，累計最大變形量也達到601 mm，變形同樣嚴重侵限，鋼架也發生了扭曲、折斷，同樣不能滿足施工要求。

(3)采用H175鋼架方案進行支護時，隧道拱頂下沉和周邊收斂有大幅度的降低，較原設計方案，I－I基線累計最大變形量僅為原最大變形的47%，累計平均變形量僅為原來的30%;Ⅱ－Ⅱ基線，Ш－Ш基線及拱頂測試的最大變形量及平均變形量均在原最大變形量和平均變形量的45%以內;除個別地段的個別測試基線累計最大變形量達到275 mm以外，其余地段測試得到的變形量均在200 mm以內，累計平均收斂值在125 mm以內，說明采用該方案基本能保證隧道的正常施工。

(4)采用H200鋼架方案進行支護時，隧道拱頂下沉和周邊收斂有進一步的減小，較原設計方案，I－I基線累計最大變形量僅為原最大變形的40%，累計平均變形量僅為原來的25%;Ⅱ－Ⅱ基線，Ш－Ш基線及拱頂測試的最大變形量及平均變形量均在原最大變形量和平均變形量的35%以內;所有地段的所有測線測試得到的變形量均在200 mm以內，累計最大變形量為181 mm，累計平均收斂值為93 mm，說明采用該方案有效控制了隧道的變形開裂，能夠保證隧道的施工安全。

(5)采用雙層I22b型鋼鋼架方案進行支護時，隧道拱頂下沉和周邊收斂有更大幅度的降低，較原設計方案，I－I基線累計最大變形量僅為原最大變形的14%，累計平均變形量僅為原來的11%;Ⅱ－Ⅱ基線、Ш－Ш基線及拱頂測試的最大變形量及平均變形量均在原最大變形量和平均變形量的12%以內;所有地段的所有測線測試得到的變形量均在80 mm以內，累計最大變形量為76 mm，累計平均收斂值為51 mm，說明采用該方案能夠完全控制隧道的變形開裂，進而保證隧道的施工安全。

此外，在初期支護的外觀表現上，采用H175、H200或雙層I22b型鋼鋼架支護施工時，只要間距合理，極少再未出現噴射混凝土剝落，鋼支撐扭曲、變形或被剪斷等現象;初期支護表面平整，未出現圍巖應力集中造成的個別地方突出，侵入襯砌凈空的現象;說明整個初期支護的結構強度滿足圍巖壓力的要求，變形為整體收斂，變形量基本控制在預留的變形控制量內，預留量基本與圍巖的變形量相吻合。

4 老東山隧道變形控制措施的確定

根據以上試驗結果，不同支護參數控制圍巖變形的效果存在極大差異。由于老東山隧道地質復雜，變化頻繁，同一斷面巖體巖性差異較大，風化差異明顯;掌子面受不利結構面組合的影響，初期支護變形左右不對稱、無明顯規律;在施工過程中，必須遵循“寧強勿弱，寧補勿拆”的原則組織施工，采取動態施工的理念，做到“巖變我變”。施工方法仍采用“三臺階七步開挖法”;初期支護參數應根據現場實際揭示的圍巖地質狀況對應選擇使用，仰拱和二襯應緊跟掌子面施工，確保有效的安全距離，實現“穩中求快”。

4.1 初期支護參數的選擇

(1)當掌子面地質情況相對單一、掌子面不利組合面少且無水的狀況下，可選擇采用全環I20b型鋼架支護(預留沉落量按照40 cm同時考慮支護補強空間)，鋼架縱向間距0.8 m;拱部Φ42超前小導管加強支護，超前小導管每1.6 m一環，環向間距0.4 m，每環36 根，每根長3.0 m。

(2)當掌子面地質情況復雜、有小斷層、褶曲、不整合面、順層滑動面、巖脈(其中任意一種)等不利結構面交錯發育且有少量裂隙水的影響時，可選擇采用全環H200型鋼鋼架支護(預留沉落量按照20 cm考慮)，鋼架縱向間距0.6 m，采用雙層鋼筋網片和Φ25縱向連接筋;上臺階采用擴大拱腳(增設斜撐);拱部Φ42超前小導管加強支護，超前小導管每1.6 m一環，環向間距0.4 m，每環36根，每根長3.0 m;每榀鋼架設12根Φ76鎖腳錨管，6 m/根;噴射砼厚度調整為 30 cm［4］［8］。

(3)當掌子面地質情況復雜、巖性差異大，各種不利結構組合面交錯發育，且有較大裂隙水時，可選擇采用全環I22b+H200型鋼鋼架支護交錯使用(預留沉落量按照20 cm考慮)，鋼架縱向間距0.6 m，采用雙層鋼筋網片和Φ25縱向連接筋;上臺階采用擴大拱腳(增設斜撐);拱部Φ76(89)大管棚加強支護，管棚按照每25 m一環，環向間距0.4 m，每環30根，每根長30 m;每榀鋼架設12根Φ76鎖腳錨管，6 m/根;噴射砼厚度調整為30 cm。

4.2 施工控制措施

(1)施工中結合現場地質情況選擇了拱架類型后，嚴格控制拱架的縱向間距，同時要做好鋼架的縱向連接，必要時可采取一定的加強措施(I18工字鋼或不等邊角鋼或增設連接筋數量等方式)，確保連接質量，每一循環要進行技術交底［4］［9］。

(2)按要求做好超前支護和鎖腳錨管，務必結合實際揭示圍巖的巖層產狀確定鎖腳錨管的角度，同時提高安裝焊接的質量。

(3)當采用雙層鋼筋網片時，要特別注意安裝步驟，先在緊貼圍巖表層安裝一層網片，待錨桿施作完成后進行第1次噴射砼，砼厚度為10 cm，然后安裝第2層鋼筋網片，再噴射第2層砼;另外，加強網片之間的搭接質量，噴射砼時要控制好噴射距離和角度，嚴禁出現空洞，對于初支背后的空洞應采用砼墊塊或工字鋼邊角料進行填塞［9］。

(4)按要求嚴格控制掌子面與仰拱和二襯之間的距離，掌子面與仰拱的距離應小于30 m，掌子面與二襯之間的距離應小于40 m，及時調整工序，實現均衡施工、流水作業。

(5)在開挖后及時預埋圍巖量測點，加大觀測頻率，增加測點密度，及時繪制位移時態曲線并進行分析，掌握拱頂下沉及周邊收斂的規律，發現異常立即采取加固措施，同時要根據量測數據分析成果及時調整預留沉落量。

(6)對掌子面潮濕段落及時埋設Φ42小導管作為注漿管，必要時埋設盲管，以將地下滲水集中排出。

(7)施工過程中，嚴格控制開挖進尺，減少超挖，各施工工序之間的時間、距離應盡量縮短，并盡快地使全斷面襯砌封閉，以減少巖層的暴露時間。

通過一系列的研究、試驗，對施工方法、施工工藝、施工組織進行了改進、加強，使得老東山隧道初期支護的變形開裂問題得到了有效的控制，大大降低了隧道現場的施工風險。

5 結論

(1)導致隧道圍巖產生大變形的因素很多，必須充分了解隧道產生大變形的主要原因，才能采取有針對性的控制措施;對于處于構造擠壓帶中的老東山隧道，其大變形是在巖性、地質構造和地下水綜合作用下，因開挖卸荷和圍巖膨脹所導致的。

(2)不同的支護方案的圍巖變形控制效果差異極大，采用單層I20b型鋼鋼架或單層I22b型鋼鋼架方案時，累計最大變形量達到600 mm以上，鋼架扭曲、折斷，變形嚴重侵限;H175鋼架和H200鋼架方案能將最大變形量控制在300 mm以內，平均變形量控制在200 mm以內，基本能夠保證施工安全;雙層I22b型鋼鋼架方案能將最大變形量控制在80 mm以內，完全滿足施工要求。

(3)針對老東山隧道，當掌子面地質情況相對單一時，可選擇采用全環I20b型鋼架支護;當掌子面地質情況復雜、有小斷層、褶曲等不利結構面交錯發育且有少量裂隙水的影響時，可選擇采用全環H200型鋼鋼架支護;當掌子面地質情況復雜、巖性差異大，各種不利結構組合面交錯發育，且有較大裂隙水時，可選擇采用全環I22b+H200型鋼鋼架支護交錯使用。

(4)隧道施工過程中，拱頂下沉和收斂變形受臺階開挖影響明顯，上中下臺階開挖后變形出現顯著的臺階形增加，隨后變形速率有所減少;軟弱圍巖隧道施工應嚴格控制好開挖進尺及施工步距，各施工工序之間的時間、距離應盡量縮短，安全距離任何時候不能超標，初支完成后應及時封閉成環，以有效的減少初支變形;掌子面開挖后要確保二襯適當緊跟掌子面施工，防止變形進一步擴展，維護圍巖穩定。

［1］趙旭峰.擠壓性圍巖隧道施工時空效應及其大變形控制研究［D］.上海:同濟大學，2007.ZHAO Xu-feng.The temporal and spatial effect in construction and control of large deformation of tunnels in squeezing Ground［D］.Shanghai:Tongji University，2007.

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