淺析大變形隧道施工防治措施

王秋贊 劉朋寶

摘要：隧道施工過程中揭示的巖體節理、裂隙發育，巖面和隧道走向不利組合形成順層偏壓，經地下水加劇作用等因素形成大變形，經過對隧道變形情況及結合監控量測數據、洞內地應力等因素進行分析，并通過采用超前地質預報、加大預留變形量、周邊圍巖固結、加強初期支護、襯砌結構等施工措施，有效的控制了隧道施工變形，本文以某隧道進口工區圍巖大變形段施工為依托，僅供借鑒參考。

關鍵詞：極高風險隧道；變形侵限；施工措施；應用效果

隧道圍巖大變形往往造成施工困難、工期延長、成本增加甚至危及作業人員安全，是困擾廣大隧道建設者的最大難題。而隧道出現大變形現象的原因，一是膨脹性礦物成分遇水膨脹，使隧道周邊產生較大的不均勻變形；二是軟弱圍巖在高應力作用下發生的擠壓變形，由于應力復雜，巖石強度較低，在開挖后，周邊將出現大范圍的塑性破壞區，塑性破壞區內的巖體發生剪切和擠壓作用，迫使圍巖中的巖層向開挖空間進行移動，從而導致大變形的出現。

某隧道穿越龍門山山脈，緊鄰龍門山前山斷裂帶，工程地質條件極為復雜，施工過程中存在不可遇見的地質條件引起的大變形，嚴重影響了隧道施工安全，而某隧道進口工區承受偏壓，處于兩個斷層之間，因此，弄清楚某隧道進口工區變形原因，針對大變形段制定相關的工程技術措施，保證后續隧道施工安全，確保隧道工程質量，顯得尤為重要。

1 工程概況

某隧道設計為極高風險隧道，線路單面上坡，左線隧道全長14.069km，進口端10.65km為單洞雙線（合修），出口端3.419km為雙洞單線（分修），輔助坑道采用“六橫洞”方案，共分七個工區組織施工。其中進口工區承擔的隧道施工任務穿越活動斷裂及斷層。

2 地質情況

進口工區D2K112km+077m～D2K112km+177m段沿河左岸傍河設隧道通過，屬中低山構造侵蝕地貌，溝槽相間，由于構造侵蝕作用，地形波狀起伏高差較大；地層巖性為三疊系上統須家河組（T3x）泥灰巖夾砂巖，以泥灰巖為主，夾有煤線，灰黑色，巖層軟硬相間；該段緊鄰龍門山前山斷裂帶，處于活動斷裂帶及斷層之間；靠近活動斷裂上盤，受斷裂帶影響，節理裂隙發育，巖體破碎，巖層扭曲變形較嚴重。地表水為山間溝水，地下水為基巖裂隙水和構造裂隙水，整體弱發育。

3 初期支護變形侵限情況

D2K112km+077m～D2K112km+177m段設計按V級復合式襯砌施工，采用三臺階施工工法。施工過程中初期支護發生變形，鋼架扭曲折斷，主要表現為上臺階左邊墻先變形，隨后右邊墻變形，仰拱及填充施工后，下臺階兩側邊墻開始變形。根據監控量測數據顯示，拱頂下沉最大速率達到14.8mm/d，累計沉降量達到45cm；最大收斂速率18.1mm/d，累計收斂達到56cm。隧道支護措施調整后，變形曲線呈現“兩陡兩緩”特性，即上臺階和中臺階開挖支護過程中，變形速度較大，后經一段時間，變形趨緩，而下臺階開挖支護后，會再次使變形加速，再經一段時間后，變形趨于穩定。

4 變形侵限原因分析

4.1 隧道淺埋

本變形段埋深約60m，處于地表沖溝一側下方，地形條件不利于地應力集中，高地應力引起變形的可能性較小。

4.2 順層偏壓

巖層產狀NE20?～45°，與隧道走向夾角10?～30?，傾向NW（掌子面左側），傾角約30?～50?，產狀與隧道走向的不利組合形成洞內順層現象，加之節理發育，隧道開挖后在左側起拱線部位形成應力集中，造成巖體局部破壞，引起隧道左側屈服變形；右側在初期支護襯砌作用下，邊墻部位順層坍滑現象較少，引起變形量亦不大，但經左側屈服變形后，巖石松動圈增大，牽引右側變形。

4.3 巖體裂隙、微裂隙發育

本變形段處于兩條斷層之間，靠近活動斷裂，構造極其發育，巖層擠壓、撓曲現象很多，節理發育，巖體破碎；單純從掌子面揭示的巖性情況看，巖體完整性一般，但從開挖的碴樣看，塊體很小，多呈角礫狀，說明巖體內部的微裂隙較為發育，這就為巖體的破壞創造了必要的邊界條件。

4.4 地下水作用

本變形段地勢較低，且地下水較為豐富，地下水通過滲流作用滲入巖體結構面，降低層間結合力，弱化巖體穩定性，圍巖中飽含的地下水，同時也增加了圍巖的自重，從而加劇圍巖變形。

綜上，本變形段初期支護發生變形侵限是因巖體軟硬相間，構造發育，巖體節理裂隙、微裂隙發育，層理發育，層面和隧道走向不利組合形成順層偏壓，經地下水加劇作用等因素綜合造成的。

5 變形段施工措施

根據國內外比較成熟的治理大變形隧道的經驗，采用“加固圍巖，改善變形，先柔后剛，先放后抗，變形留構，底部加強”的原則，針對某隧道進口工區變形特征，主要采用以下施工措施。

5.1 超前地質預報

某隧道進口工區極為重視超前地質預報在隧道施工中的作用，并把若干種超前地質預報方法綜合應用于隧道工程實踐中，對掌子面前方的地質情況進行有效的預測預報。本工程采取以下幾種超前地質預報方法：

5.1.1 超前水平鉆探

在隧道開挖面布置超前水平鉆孔，對前方及隧道周邊短距離的地質進行預探，采用5孔超前鉆孔，每個孔深約30m（因圍巖類型、硬度等不同，需根據實際情況確定），每個循環搭接不小于5m。5孔布置在掌子面拱頂、兩側拱腰、兩側拱腳各距隧道周邊20cm處，所有探孔均要探出開挖外邊線約3m位置，根據水平鉆機鉆孔速度和探孔中取得的巖芯資料獲取掌子面前方巖石的物理指標，也可以直觀的判斷鉆孔所經過部位的地層巖性、節理裂隙發育程度、溶洞大小、有沒有水和有害氣體。超前探孔布置見圖1。

圖1 超前探孔布置圖

5.1.2 地質素描

在隧道施工的每個循環過程中，掌子面巖性揭示后，記錄圍巖產狀、巖性、節理裂隙、地下水情況等詳細工程地質信息，并快速判斷掌握掌子面圍巖的穩定性，推測掌子面前方的地質情況，要求每一開挖循環都須派專業技術人員進行地質素描，確保分析判斷的準確性。