明埡子隧道軟巖大變形防治措施

姚 軍

(陜西省交通規劃設計研究院，陜西西安 710075)

隨著我國高等級公路建設的蓬勃發展，為了縮短路線里程，提高設計標準，近年來復雜地質條件下的大量深埋長大山嶺隧道工程紛紛上馬，遇到的地質條件也越來越復雜。當隧道穿越高地應力區及軟弱圍巖區，常引發隧道軟巖大變形等地質災害，給長大高速公路隧道的設計和施工帶來了巨大的挑戰。本文以十天線安康—漢中高速公路明埡子特長隧道為例，針對深埋長大山嶺隧道軟巖發生大變形的問題，對變形的原因、支護技術、治理措施及施工方案等方面進行了研究分析，總結經驗，供類似工程參考。

1 工程概述

明埡子特長隧道是十天高速安康—漢中段的控制性工程，位于陜西省石泉縣城關鎮至曾溪鄉，進口位于水磨溝，出口位于十里溝，為左、右分離式隧道，洞室間距約40 m，隧道最大埋深320 m。隧道左洞起止樁號為ZK209+306～ZK214+250，全長4 944 m;右洞起止樁號為YK209+325～YK214+305，全長4 980 m。

2 原設計情況介紹

1)地質情況。隧址區地處饒峰—城口推覆構造帶中段，斷裂構造和褶皺構造都極為發育，共穿越五條大的區域斷裂，隧道圍巖以較硬質的糜棱巖、糜棱巖化閃長巖及侵入巖體，較軟質的變砂巖夾灰巖(擠壓褶皺帶)和軟質的斷層角礫、斷層泥和千枚巖組成。碳質頁巖見圖1。左、右線圍巖級別劃分表見表1，表2。

圖1 碳質頁巖

表1 左線圍巖級別劃分表

表2 右線圍巖級別劃分表

2)設計支護參數見表3。

表3 隧道復合式襯砌支護設計參數表

3 隧道病害表現

明埡子隧道在施工過程中出現病害的主要表現是:初期支護開裂、混凝土碎裂掉塊、鋼拱架扭曲、鋼拱架剪切錯斷、初期支護收斂變形造成大面積侵限、仰拱上浮、二襯混凝土開裂破壞及隧道涌水。明埡子隧道發生最大變形量為170 cm;發生侵限大變形范圍共計1 169 m。

4 隧道大變形原因分析

1)大型地質構造帶引起的地質構造復雜造成地質圍巖級別劃分與實際施工開挖情況出入較大。明埡子隧道地質區域地處饒峰—城口推覆構造帶中段，斷裂構造和褶皺構造都極為發育，工程地質條件十分復雜。隧道穿越多條斷層破碎帶，地層巖性復雜、軟硬巖層互層出露且變化頻繁，較堅硬巖呈碎裂結構，僅局部掌子面可見塊狀結構體。斷層分布廣，跨度大。一些斷層影響帶的長度遠遠超過原設計的估計。如原設計中Ⅲ級圍巖左右線總長為4 365.6 m，在施工實際中僅有582 m按照Ⅲ級圍巖進行了施工。

2)過大的地應力造成隧道支護大范圍出現變形、開裂甚至失穩造成塌方。應力過大使施工中地層成拱效應差、水平應力過大;同時由于褶皺、節理極為發育造成圍巖應力分布會極不均勻。這就導致了初期支護拱腰失穩、仰拱上浮，甚至單側拱腰鋼拱架內鼓、變形、直至錯斷。二襯也因為應力過大出現過開裂。采取遠超過規范規定的支護強度，有的地段仍不能很好的控制變形。因而造成了大量的拆換拱的重復工作，既影響了工期，又增加變更量。

3)施工單位的技術管理和施工能力不足以及工期的壓力。由于施工單位缺乏現場有效的技術管理，一直未能很好掌握在特殊圍巖情況下的施工方法。比如環形留核心土施工法;超前圍巖注漿、徑向圍巖注漿一直無法滿足設計要求。同時因為巨大的工期壓力，使施工單位在關鍵工序(如注漿、掘進)施工時，始終考慮工期因素，導致工序缺失嚴重。

5 明埡子地質病害應對措施

根據隧道設計、施工規范、設計文件地質勘查報告描述，經施工現場勘查，結合多次國內專家在現場為明埡子隧道施工所提出的建議，針對明埡子隧道的初期支護變形和不同的破壞形式，為控制變形侵限、杜絕塌方，確保施工和結構安全，我們在設計上主要采取以下措施:

1)加強超前支護和初期支護。采用大管棚或雙層小導管進行超前支護通過斷層破碎帶、軟巖和塌方段，并進行注漿。在大管棚難以施作地段，超前支護盡量采用雙層小導管，同時為增加小導管剛度，導管內必須充填滿水泥漿。針對軟弱圍巖地段或塑性變形大的地段，由于地應力和松散荷載較大，圍巖自穩能力極差，柔性體系的初期支護在施作后即發生較大變形，單層初期支護的剛度及強度已不能控制圍巖的有害變形，為控制發生侵限、塌方等病害，初期支護采用雙層Ⅰ22b型鋼拱架(或Ⅰ22b型鋼拱架+格柵拱架)支護，增加支護剛度及強度，以抵抗圍巖的有害變形。橫向聯系采用φ32或角鋼連接。每層拱架的橫向聯系必須單獨連接，確保拱架整體系統受力。

2)增大開挖預留變形量。隧道開挖后，為防止因周邊收斂及拱頂下沉較大，造成初支侵限，影響二襯厚度，根據監控量測資料，適當放大初期支護預留變形量60 cm～80 cm。

3)優化開挖和支護方法。隧道二襯、仰拱距離掌子面距離必須滿足設計要求。采用三臺階開挖時，各臺階均應進行及時的封閉。增加臨時仰拱、初期支護封閉成環，并保證鋼拱連接處無相應錯位。落底時保證拱架水平收斂小于規范收斂值。防止因初支拱腰失穩造成大面積塌落或侵限造成換拱，消除安全質量隱患。

針對隧道內圍巖水平應力過大的情況，將軟弱圍巖段原設計的鎖腳錨桿變更為鎖腳導管，并根據現場情況適當增加導管長度，鎖腳導管斜向下30°～45°施作，管內高壓注水泥漿，導管與拱架連接牢固。同時為了增加拱架的整體受力效果，將橫向聯系鋼筋增強至φ25，環向間距縮短至50 cm，內外側交錯布置。

4)加強二次襯砌。在保證施工安全的初期支護的前提下，為保證后期運營安全，將出現較大變形地段的隧道二次襯砌變更為60 cm～80 cm鋼筋混凝土。針對仰拱上浮的情況，中心水溝存在薄弱點。在相應仰拱隆起段落采用中心排水溝與仰拱采用整體C25混凝土現澆。

5)注水泥漿或雙液漿。注漿加固施工圖見圖2。

圖2 注漿加固施工圖

6)增加套拱。對于初期支護發生開裂、掉塊、變形嚴重段落，連續或間斷施作Ⅰ18或Ⅰ20a工字鋼施作套拱補強初期支護。為保證不發生重大變形侵限、塌方等嚴重病害，在保證二襯厚度的前提下，采用全斷面套拱加強初期支護強度，作為永久支護不予拆除。

7)增加臨時仰拱。在圍巖軟弱破碎段，與中臺階開挖支護同步施作，對于前期未施作臨時仰拱的變形段配合套拱施作，采用Ⅰ18或Ⅰ20a工字鋼對上斷面進行臨時成環，控制初期支護的收斂和沉降。

8)換拱。初期支護大變形侵限和塌方段進行注漿處理后，對侵限拱架逐個更換雙層Ⅰ22b型鋼拱架(或Ⅰ22b型鋼拱架+格柵拱架)，并及時封閉成環。塌方段處理采用大管棚或雙層小導管進行超前支護，注雙液漿，并增設臨時仰拱及時封閉成環，確保施工安全。

6 結語

通過對于明埡子隧道軟巖大變形的分析總結，以及借鑒國內相同地質條件的大變形的病害處理方案，對于斷層破碎帶、千枚巖等不良地質地段圍巖可能產生大變形。根據軟弱流變性圍巖的控制特點及擠壓性圍巖與支護結構相互作用的力學機理，在膨脹性圍巖設計施工中貫穿“加固圍巖、改善洞形、先柔后剛、先放后抗、變形預留、底部加強”的原則。