芻議同寨隧道大斷面高地應力軟巖抗變形施工技術

王金剛

摘 要：以蘭渝鐵路同寨隧道為例，針對高地應力，軟巖、大斷面隧道施工，分別從圍巖形態，工法特點分析圍巖變形規律。并從圍巖地質狀態、圍巖物理特性、及圍巖損傷程度、圍巖應力釋放過程，分析高地應力軟巖變形機理。提出對高地應力采取邊讓邊抗，前期以讓為主，中后期以抗為主的抗變形理念。合理預留變形量值、采取剛柔并濟的初支結構，基本上有效控制高地應力軟巖大變形。

關鍵詞：同寨隧道；軟巖；大斷面；高地應力；抗變形技術

1 引言

隨著我國鐵路大發展時代的到來，穿越復雜地質山嶺客運專線雙線大斷面隧道（單洞雙線大斷面鐵路隧道）數量增多。如新建蘭州至重慶段鐵路，線路跨越甘肅、陜西、四川及重慶全長873 km，其中同寨隧道位于甘肅省宕昌縣境內，開挖揭示圍巖為碳質板巖。該隧道經專家勘察論證為高地應力、高風險隧道。施工易產生大變形，導致支護系統破壞，初支結構侵入二襯凈空，發生拆換拱現象，隧道施工安全質量管理壓力巨大。本文通過分析大變形產生機理，采用控變、抗變相結合施工技術，有效解決了同寨隧道高地應力大變形是施工難題，保證了施工安全和工程質量，對同類隧道施工有借鑒意義。

2 工程概況

同寨隧道位于甘肅省宕昌縣境內，進口位于理川河左岸，出口位于油坊溝右臂，隧道全長8827m。地質以三疊系下統板巖及碳質板巖為主，巖體遇水易軟化，具有微膨脹性。隧道最大埋深為653m，為單洞雙線大斷面客貨共線隧道。施工采用三臺階預留核心土法開挖，初期支護參數為全環設置工20b型鋼鋼架，間距80cm/榀，襯砌采用鋼筋混凝土復合式襯砌結構。監控量測周邊收斂最大值為999mm，拱頂下沉最大累計值為540mm。初支開裂鋼拱架扭曲拆換拱現象時有發生。安全質量管理壓力巨大。

3 隧道變形特征

3.1 變形量大速率高收斂周期長

隧道開挖支護后圍巖變形速率大，變形持續周期長且很難穩定。以同寨隧道DK250+689斷面為例開挖支護后拱頂下沉發展速率最大達值30mm/d；最終累計沉降值達900mm呈現出變形發展速率快，累計值高且具有突變等特性。

3.2 變形具有空間異性

初支結構隨著三臺階法開挖階段，其每個階段圍巖受力具有空間異性；初支變特點形點也隨三臺階法開挖各個階段表現不同，以下為圍巖開挖支護后變形實態曲線。

總體來講上臺階開挖后之后，初支變形以拱頂下沉為主，但該階段初支鋼拱架拱頂受力并不大。中臺階、下臺階開挖支護之后，鋼拱架閉合成環，鋼拱架應力狀態發生變化。此階段圍巖變形以水平收斂為主，該階段為圍巖與初支結構相互作用階段，圍巖應力釋放，初支結構變形開始整體發展，直至初支結構與圍巖變形狀態相平衡，初支結構變形速率穩定。

3.3 存在偏壓現象

隧道開挖后受圍巖地質構造、圍巖走向、隧道左右側埋深存在較大差異等因素影響，隧道開挖后存在左右側變形不均勻和不對稱現象。為了更清楚掌控隧道偏壓對初支系統的影響，集團公司科研組針對同寨隧道進口進行拱架內力結果測試測試結果如下表。

從左右兩側受力看初期支護左側大于右側但由于量測數據較短，從內力上不能進一步驗證，結合隧道左側變形大于右側的情況可以說明右側受力小于左側。

3.4 圍巖蠕變現象突出

圍巖蠕變【1】過程可分為初始蠕變，等速蠕變和加速蠕變三個階段。在初始蠕變階段蠕變速率隨時間迅速遞減，巖體的變形速率較小。在初始蠕變末期巖體的蠕變速率趨于穩定并逐步過渡到等速蠕變階段，在等速蠕變初期巖體內部裂縫開始擴展且蠕變速率增加直至巖體失穩破壞。圍巖變形規律歸納為“前期漸變后期突變形”。如果能確定一個合理的支護時間，對圍巖采取二次補強則可以避免圍巖破壞或失穩；現場可根據量測數據變形速率的變化趨勢來確定二次補強時機。

3.5 存在應力集中現象

隧道三臺階法開挖支護，支護參數采用H175型鋼拱架間距80cm，系統支護采用拱墻網噴混凝土，打設4m長鋼架鎖腳錨桿。上臺階開挖支護后拱架腳板受鎖腳錨桿約束使得拱腳位置存在應力集中現象，并且應力集中點產生的應力超過拱架承受能力。導致拱架從拱腳部位置扭曲破壞，進而與中臺階拱架未能有效連接影響整環初支鋼架的受力性能。

4 變形原因分析

4.1 地質構造

本工點范圍內受青藏歹字型構造影響嚴重，該構造從晚古生代后期開始發育，三疊系末期構造運動形成基本格架燕山運動及喜馬拉雅運動時期活動達到了最高峰，而且至今活動十分強烈。受該地質構造影響工點范圍內發育有5處褶皺3處斷層地質構造十分復雜多變，圍巖受其影響嚴重產狀扭曲紊亂，且成變余質結構，變質程度較低，隧道開挖后圍巖自穩能力差，變形發展較快。

4.2 圍巖物理特征

變形段開挖揭示圍巖為碳質板巖【2】該圍巖屬于典型的軟巖。受節理裂隙的影響，隨著微裂隙的擴張易產生整體滑移現象。水對碳質板巖的抗壓強度影響很大；當裂隙水進入巖體內部時，減弱了巖體顆粒之間的接觸效應。水分對巖石內部微裂隙有放大效應，水對于碳質板巖影響通過單軸抗壓強度值變化就可以反映出來。

表3 碳質板巖物理性質

4.3 施工工法特點影響

本隧道采用三臺階發開挖支護，圍巖初支結構閉合成環時間較長，至仰拱全環封閉成環共計30天，鋼拱架拱架腳部圍巖受開挖爆破震動影響產生多次擾動；在中臺階開挖至上臺階及下臺階開挖至中臺階過程中由于拱架腳部產生暴漏懸空易產生突變現象；這些均是由于自身工法因素產生的變形。

4.4 初期支護結構內部水的影響

軟弱圍巖富水段圍巖施工時，由于現有設計缺乏初支結構排水措施，導致初支施工完成后地下水難以完全排出。在初支背部地下水積聚，地下水壓力增大且受地下水影響，該范圍內圍巖進一步軟化成流塑狀。圍巖松動區擴展圍巖壓力增大。此過程極緩慢，量測數據顯示變形速率較小但很難收斂，圍巖初支結構壓力逐步增大，最終導致初支結構沿薄弱面破壞。

4.5 管理因素

大斷面隧道軟巖施工過程管理對隧道初支結構抵抗圍巖變形極為關鍵，主要體現以下兩個方面：（1）初支開挖支護過程管理須嚴格按照設計技術參數及規范要求有效的完成每道工序作業，確保設計意圖實現。為后期二次補強奠定基礎，如拱架安設不平順、連接不牢固，超挖嚴重及錨桿施做長度不足等，均會對初支結構抗變形產生極大影響。（2）圍巖抗變形措施制定考慮因素根據圍巖變形特性和量測數據情況各個階段制定特定的抗變形方案，且每個步驟現場落實情況均影響到圍巖變形曲線的走勢，與抗變形措施調整；所以現場施工管理水平對隧道抗變形顯得尤其重要。

綜上所述軟巖大斷面隧道大變形產生的原因是多方面的，地應力較大，圍巖物理性質差抗壓強度低，支護理念未能很好的適應圍巖變形發展特點，設計參數不到位、現場施工工藝流程管控不力等均是誘發大變形的直接因素；

5 軟巖大變形控制措施

5.1 施做超前支護

眾所周知掌子面前方先行位移【3】的概念，可以用兩個量值表示，即掌子面處的先行位移值和掌子面前方發生先行位移值。先行位移實際上位移值是隨掌子面的推進而發生的，位移的最大值在掌子面處，其值占總位移的20%。圍巖條件越差其值越大，在軟弱圍巖條件下，如不加以控制則會成為掌子面拱頂部分坍塌以及發生大變形的誘因。因此隧道超前支護措施顯得尤為重要，同寨隧道采用3m長Φ42注漿鋼花管，環向間距30cm，每兩榀拱架施做一環。小導管穿過鋼架腹板孔眼插入圍巖，將掌子面開挖后的荷載向前傳遞給掌子面前方的圍巖，向后傳遞給初支結構。這樣大大減小了掌子面開挖之后的豎向位移，減小圍巖松弛。

5.2 開挖方式

隧道施工變形控制主要體現在兩個方面，一個是對圍巖擾動到什么程度；另一個是支護效果發揮到什么程度；作為施工技術人員就是千方百計的將圍巖損傷降到最小程度；所謂圍巖損傷【4】是指在外載和外部環境作用下，由于細觀結構的缺陷（如裂紋、微孔洞等）引起材料或結構的劣化過程。隧道開挖過程為一卸載過程，也是圍巖二次損傷的過程；故選擇合適的開挖方式對保護圍巖至關重要，本隧道采用三臺階開挖方式，若用傳統鉆爆法施工將對圍巖產生多次損傷，導致圍巖強度降低，松動圈擴大，圍巖自身損傷極大；本隧道根據重慶大學劉禮標等在《爆破荷載下隧道圍巖的損傷分析中》提出爆破引起周邊圍巖損傷范圍為炮孔直徑7-10倍理論，主動減小爆破藥卷直徑采用Φ25藥卷間隔裝藥控制爆破。圍巖超欠挖得到較好控制，圍巖損傷范圍減小，圍巖自穩能力得到加強，松動圈減小。其中斷層帶采用人工配合機械開挖，將開挖卸載過程中對圍巖的損傷降到最小，防止了圍巖的松馳，不僅較好的控制了超欠挖節約成本，更進一步的減小了對圍巖的擾動，提高了圍巖自承能力，為抗變形提供了有利的條件。

5.3 提高支護系統剛度和穩定性

隧道設計之初采用格柵拱架，拱架扭曲斷裂嚴重，剛度不足導致侵限變形經常發生，施工后期鋼架采用H175@80cm，支護的剛度明顯增強，后期變形主要表現為鋼架局部扭曲。為了增強初支系統的穩定性，鋼架腳部采用I16工子鋼滿焊連接，鋼架拱部和邊墻均采用C22螺紋鋼筋雙層連接大大增強了初支結構的穩定性。每榀鋼架拱腳部向下15°打設4m長Φ42注漿鎖腳錨管兩根與鋼拱架用L型鋼筋焊接，一方面通過鎖腳錨管把集中在腳部的應力傳遞到圍巖中，同時通過鎖腳錨管注漿提高了拱腳部圍巖的強度；通過鎖腳錨管更進一步的抑制了鋼架向隧道內部剪切變形，增強了初支結構抵抗水平應力的能力。由于此隧道開挖采用三臺階法施工工藝，當中下臺階開挖時由于圍巖破碎經常導致拱架腳部懸空現象發生，此時鎖腳錨管穩固鋼架的效果尤為明顯。

5.4 薄弱環節補強

隧道因圍巖破碎故采用三臺階發開挖施工，在施工過程中臺階結合處由于初支施工縫及鋼架接頭位置連接質量及臺階結合處圍巖擾動次數較多，鋼拱架腳部虛渣清理不徹底等各種因素影響，此處為全環初支系統的薄弱環節。隧道變形發生往往以該處鋼架扭曲及失穩為主導。從現場施工來看一方面對該部位采用注漿方式加固圍巖提高圍巖的自穩能力，另一方面對初支系統進行補強措施，在鋼架接頭位置補打4m長鎖腳錨桿進行加固，加固后效果明顯臺階結合處無鼓包現象發生，成洞質量顯著提高。

5.5 采取圍巖應力控制釋放技術措施

同寨隧道受青藏歹字型構造影響嚴重，局部段落揭示圍巖雖自身硬度較大但地應力較高。一味的增強初支系統的剛度及強度不僅影響施工成本，而且抗變形效果不佳。有效的釋放地應力，描繪圍巖的支護需求曲線【5】準確的掌控支護時間及支護系統的柔度顯得尤為重要。隧道開挖后以控制釋放地應力為主，首先對暴漏圍巖采初噴5cm厚C25噴射混凝土，與圍巖緊密黏貼形成一個共同的受力結構體吸收圍巖變形，調節圍巖應力分布。加強了巖體表面強度度，形成了已圍巖承載為主與噴射混凝土層相互作用的應力釋放體系。在初支結構方面為了阻止圍巖應力釋放過程中變形壓力轉變變為松動壓力，可增設可縮型U型鋼架【6】封閉成環；所謂可縮式鋼架即鋼架環向按一定間距（4m）設置20cm寬伸縮段，伸縮段采用摩擦型接頭，使鋼架既有一定的剛度，又具有抗變形能力并確保結構的穩定性。

5.6 加強監控量測指導施工

加強現場施工監控量測、重視超前地質預報是軟巖抗變形的重要環節，同寨隧道施工采用三臺階法施工，若用量測技術規程5條測線很難掌控隧道初支結構變形實況。根據三臺階法功法特點準確把控隧道變形規律將現有5條測線改成7條，上臺階拱架架設完成就埋設A測線，中下臺階到同一里程布設第B、C測線，并建立大變形報告制度，現場主要管理人員必須掌控大變形數據及發展態勢。

5.7 合理的確定預留變形量

根據監控量測數據及時掌握圍巖變形情況，適時調整圍巖初支結構預留變形量值。本隧道根據隧道量測數據顯示變形狀況三臺階施工特點制定不等值預變量值。本隧道兩側收斂變形值遠遠大于拱頂下沉值，且往往呈現出偏壓現象即左右圍巖壓力不同。為了更好的適應隧道初支變形規律，更加科學的制定預留變形量值。本隧道預留變形量值時采用不等值預留變形量方法，即初支開挖斷面模擬變形后初支斷面，采用不等值預編量值上臺階預留50cm、中臺階40cm、下臺階30cm；再此基礎上通過調整隧道開挖輪廓線圓心位置等方法配合調整隧道預留變形量值，達到了初支開挖輪廓更好的適應隧道初支結構變形實況。

5.8 適時施做拱墻襯砌

同寨隧道二次襯砌采用50cm厚C35鋼筋混凝土，主筋為C22@20cm， C14@20cm。在大變形隧道施工過程中二襯作為抗變形的重要措施，按照現行《鐵路隧道設計規范》要求變形速率不大于0.2mm/d時才能施工拱墻襯砌。但對于同寨隧道軟巖變形量大，變形收斂周期長，為了滿足安全步距要求初支結構變形速率不滿足二襯施工條件即要施做二次襯砌。圍巖未穩定施做二襯，施工過早易造成襯砌混凝土開裂破壞，二襯施做不及時易造成初支結構失穩破壞或侵入二襯凈空；根據同寨隧道抗變形實踐來看當變形速率小于8mm/d時應施做仰拱襯砌、變形速率小于5mm時應施做50cm厚拱墻襯砌。嚴格控制二襯施工步距60m以內可有效控制大變形的發展。

6 結論

同寨隧道屬于高風險隧道，揭示圍巖為軟巖且受地質構造影響巖層地應力較大屬于典型的高地應力軟巖隧道，通過抗變-控變施工技術應用，對地應力邊放邊抗，以大剛度支護系統為主，根據監控量測結果對圍巖實時補強，使圍巖應力有效的均勻分布于初支體系上，避免應力集中，仰拱二襯適時跟進施做，作為結構安全儲備。有效的解決了困擾同寨隧道施工變形侵限問題。總之高地應力軟巖抗變形必須根據具體隧道揭示圍巖實態和變形規律制定合理抗變形方案，才能控制隧道變形。如何有效的控制釋放高地應力確保圍巖應力釋放過程中不產生松動壓力為下一步研究重點。

參考文獻：

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