高地應力隧道軟巖大變形控制現(xiàn)場試驗研究

韓常領 姚鐵峰 徐英俊 夏才初

摘要：文章依托寶漢高速公路連城山隧道工程，開展了“三臺階開挖、雙層初期支護、無原位應力釋放”和“三臺階開挖、雙層初期支護+原位應力釋放”兩種不同大變形控制方案的現(xiàn)場試驗研究，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得到了圍巖變形和圍巖壓力隨時間的變化規(guī)律，并對比研究了連城山隧道兩種控制方案的有效性。結果表明，“三臺階開挖、雙層初期支護+原位應力釋放”可有效控制隧道軟弱圍巖大變形。

關鍵詞：軟巖隧道;大變形;原位應力釋放;雙層初期支護;現(xiàn)場試驗

中圖分類號：U451⁺.5 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.035

文章編號：1673—4874（2020）11—0129-04

0引言

隨著我國西部地區(qū)修建的高速公路不斷向山區(qū)延伸，特殊復雜地質隧道日益增多。圍巖軟弱、埋深大、地應力高等因素成為隧道建設過程中的重難點，因此開展對軟巖大變形問題及其控制措施的研究是有著重要意義的。

國內有許多關于軟巖大變形隧道治理的研究。南昆鐵路家竹箐隧道，地質條件復雜，以高地應力著稱，采用一般標準的初期支護，洞壁內移60～80cm，拱頂下沉240cm，采用加雙層模筑混凝土襯砌，成功抑制了大變形的發(fā)生、發(fā)展。烏鞘嶺隧道是典型的高地應力軟巖大變形隧道，最大變形量達100cm以上，平均變形在40～60cm，拱部最大下沉量為105cm，現(xiàn)場通過采取加強支護剛度、合理預留變形量、多重支護并用的手段，有效控制住了隧道大變形。尤顯明等以蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段施工為例，基于“先放后抗、抗讓結合、錨固加強”的變形控制理念，采用“超前導洞應力釋放+圓形4層支護結構+徑向注漿+長錨桿+長錨索”變形控制方案，有效控制了隧道的大變形。司劍鈞以蘭渝鐵路兩水隧道為背景開展了現(xiàn)場研究，針對隧道初期支護結構變形大、部分鋼拱架扭曲、斷裂，分別進行了雙層初期支護與雙層襯砌的對比試驗，發(fā)現(xiàn)雙層初期支護變形更小，工序更簡單。張梅等通過在蘭渝鐵路木寨嶺隧道和毛羽山隧道進行超前導洞試驗，與不采用超前導洞法相比，正洞擴挖時變形量可減少約30%～40%，但盡管采取了超前導洞應力釋放，由于擴挖時產生過大變形，仍造成了初期支護侵限，這說明超前導洞應力釋放能力是有限的。

本文以寶漢高速公路連城山隧道工程為依托，開展了高地應力軟巖隧道大變形控制方案的現(xiàn)場試驗研究，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比研究了“三臺階開挖、雙層初期支護、無原位應力釋放”和“三臺階開挖、雙層初期支護+原位應力釋放”兩種不同大變形控制方案下的圍巖變形的發(fā)展規(guī)律和變形控制效果，提出了連城山隧道大變形的控制方案。研究成果可為類似的高地應力軟巖隧道大變形的控制提供參考。

1工程概況

寶漢高速公路連城山隧道位于陜西省漢中市境內，隧道按左、右線分離式設計。左線隧道進口樁號為ZKl92+126，出口樁號為ZKl97+905，長5779m;右線隧道進口樁號為YKl92+140，出口樁號為YKl97+938，長為5798m，均屬特長隧道。隧址區(qū)高程為620～1340m，相對高差為720m。隧道左線最大埋深為692.0m，右線最大埋深為702.0m，其縱斷面圖如圖1所示。

根據(jù)工程地質調繪、鉆探及工程物探等成果，隧址區(qū)的圍巖分布以微風化片麻巖、中風化大理巖、中風化片麻巖、中風化綠泥云母片巖為主。其中，麻巖段圍巖為淺灰色，鱗片粒狀變晶結構，片麻狀構造，分布于隧道ZKl92+126～ZKl94+780段。大理巖段圍巖為變晶粗粒結構，塊狀構造，分布于隧道ZKl94+780～ZKl95+610段，埋深較大，巖質較硬，巖體完整，溶洞少量發(fā)育。片巖段巖石為灰色、深灰色，中一細粒鱗片粒狀變晶結構，片狀構造，屬軟巖，分布于隧道后半部分ZKl95+830～ZKl97+710，隧道后部夾綠泥片巖及云母片巖。綠泥石云母片巖段呈層狀、片狀構造，易剝落，局部整體團塊狀滑落，面光滑，巖質疏松，膠結差，極軟，手易掰碎，褶曲發(fā)育，工程性能極差，對隧道圍巖影響極大。

2隧道大變形段變形特性

連城山隧道在埋深約300m、圍巖為綠泥石片巖的地段發(fā)生了不同程度的大變形。圖2～4為隧道YKl97+345、YKl97+052以及YKl97+256三個典型斷面的拱頂、拱腰和拱腳的變形隨時間變化曲線，該段隧道的初期支護為單層122b鋼拱架，縱向間距為50cm。仰拱采用C30鋼筋混凝土，厚度為60cm。填充采用c15片石混凝土。隧道中心處仰拱及填充厚1.92m。主筋采用φ25mm或φ28mm螺紋鋼，間距為20cm。二襯采用C30鋼筋混凝土厚度為60cm。主筋采用φ28mm螺紋鋼，間距為20cm。

可以看出，隧道拱頂沉降增長迅速，收斂時間較長，尤其是在開挖至上導初期支護施作階段，施作單層鋼拱架后沉降增長速率雖漸趨平緩，但仍然未有收斂的趨勢，沉降穩(wěn)定時間基本都控制在開挖后的1個月內，部分斷面變形于1.5個月后趨于收斂。監(jiān)測斷面沉降值在500～1000m甚至以上。在施作第二層支護后沉降放緩，但是變形量仍保存較大數(shù)值，在下導施工后，沉降變形趨于穩(wěn)定。

收斂增長趨勢與沉降變形相近，與拱部沉降相比，收斂變形增長趨勢較為平緩，基本都能在開挖后1個月內達到穩(wěn)定。初期中導開挖階段收斂發(fā)展迅速;施作支護后，大部分斷面收斂變形趨于平緩，但是部分斷面仍然會發(fā)生突變。從收斂最大值來看，各種控制方案條件下收斂變形比較類似，大變形大多發(fā)生在拱腰處。

3大變形控制方案現(xiàn)場對比試驗

為研究高地應力軟巖隧道大變形控制方案的變形控制效果，探索合理有效的大變形控制方案，在連城山隧道施工現(xiàn)場開展了不同變形控制方案的試驗研究。表1給出了兩種變形控制方案的支護參數(shù)對比。其中，試驗段1采用三臺階控制方案，試驗段2采用三臺階原位應力釋放的控制方案。

圖5給出了試驗段1隧道YKl96+980.4斷面的初期支護沉降、收斂分布及其隨時間發(fā)展的情況。以左拱腰為例，第一層初期支護的上導施工完成后日沉降量在50m左右，中導完成后日沉降量在11mm左右，第二層初期支護的上斷面施工完成后，日沉降量在8mm左右。下導施工完成后日沉降在8mm左右。仰拱施工完成后日沉降在1.7mm右，趨于穩(wěn)定。

圖6給出了試驗段2隧道開挖后兩個典型斷面（ZKl97+012.5、ZKl96+998.5）的支護結構沉降及收斂隨時間的發(fā)展情況。在原位應力釋放階段，上導施工完成后沉降最大處在左拱腳，日沉降量為18cm左右。中導開始施工后沉降最大處仍在左拱腳，前幾日沉降較大，日沉降量為13cm左右。待兩側中導全部完成后沉降變緩，日沉降量為3cm左右。

因同一斷面的第一層拱架與第二層拱架相隔時間在24h以內，所以監(jiān)控量測數(shù)據(jù)只觀測第二層支護后的變形情況。第二層上、中導施工完成后沉降量最大處在中臺階左拱腳，日沉降量在5.3cm左右。下導施工完至施工仰拱前每日沉降量在1cm左右。仰拱施工完成后每日沉降量在2mm左右。

總體來看，隧道開挖后沉降變形增長迅速，后期增長速率相對放緩，仰拱施作后沉降趨于穩(wěn)定。沉降變形最大值變化幅度很大，隨埋深的變化規(guī)律不顯著;沉降最大值的發(fā)生位置以右拱腳和左拱腳居多。收斂變形的發(fā)展趨勢與同斷面沉降變形增長情況類似，且增長更為平緩，達到穩(wěn)定所需時間較沉降而言要短很多。收斂最大值集中發(fā)生在拱腳處，收斂變形均控制在300mm以內，與沉降變形比較可以看出，該工法對收斂的控制效果要明顯優(yōu)于沉降控制。

對比試驗段1和試驗段2的數(shù)據(jù)可以看出，采用原位應力釋放方案后，初期支護沉降變形能夠得到有效控制。施作原位應力釋放層的控制方案有一定控制變形的效果，但與試驗段1無應力釋放層的雙層H20b型鋼支護的控制方案相比，此種控制方案在應力釋放階段，拱部初期支護變形嚴重，易導致鋼架扭曲變形甚至斷裂;拆換原位應力釋放層時，需進行大范圍擴挖，會對圍巖造成嚴重的二次擾動;拆換后重新施作的雙層H型鋼仍有嚴重變形，可見其對支護結構變形的控制并未達到預期的效果。

高地應力軟巖隧道開挖后，圍巖變形較大且持續(xù)時間長，應該采取一定的應力釋放措施，而圍巖的應力釋放量是一個關鍵的設計參數(shù)，若應力釋放量設計得較少會造成后期出現(xiàn)較大的擴挖量，擾動圍巖范圍較大，若應力釋放層施工長度過長又會造成應力過分釋放。

4結語

本文依托寶漢高速公路連城山隧道，分析了不同的圍巖條件、不同的監(jiān)測位置、不同的支護方法和支護參數(shù)對隧道變形和穩(wěn)定性的影響。

（1）連城山隧道存在顯著的大變形特性，拱頂沉降大，收斂時間長，施作支護后，大部分斷面收斂趨于平穩(wěn)。

（2）通過對比傳統(tǒng)三臺階控制方案和原位應力釋放方案發(fā)現(xiàn)采用原位應力釋放法對抑制初期支護沉降變形有利，但在應力釋放階段對支護結構和圍巖的破壞較大，實際的運用效果并不理想。采用“雙層型鋼+雙層混凝土襯砌+預留變形”措施能夠有效控制變形發(fā)展。