軟弱圍巖偏壓小凈距隧道施工技術

向 龍, 王 俊, 唐 銳, 唐 協, 周文墨

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041；2.四川交大工程檢測咨詢有限公司，四川成都 610041)

隨著我國公路路網不斷向西部艱險山區延伸，隧道修建難度不斷提高。西部艱險山區的地質構造極其復雜，區域內廣泛分布著變質砂巖、板巖、千枚巖等變質軟巖。隧道施工過程中，圍巖在層理面與地下水的耦合作用下多次出現大變形現象。

國內外學者對軟巖隧道大變形開展了廣泛深入地研究。Terzaghi[1]首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念。前者指侵入隧道后沒有明顯體積變化的巖石，后者則是指由于膨脹作用而侵入隧道的巖石。Anagnostou[2]認為，擠出主要取決于圍巖強度和隧道覆蓋層厚度。陳宗基[3]將圍巖收斂變形機理劃分為塑性楔體、流動變形、圍巖膨脹、擴容、撓曲五個方面；何滿朝等[4]認為軟巖變形破壞機制可分為與深部軟巖本身分子結構的化學性質有關、與力源有關、與洞室結構與巖體結構面的組合特性有關的三個方面。夏彬偉[5]開展三維模型試驗，系統研究了深埋隧道軟弱巖體的破壞失穩機理。馬騰飛等[6]分析了具有不同傾角的多層節理巖體在高地應力條件下的開挖變形破壞規律。左雙英等[7]針對層狀巖體的各向異性特征，將巖體的破壞模式細分為5 種。

從上述分析可以看出，目前關于軟巖隧道大變形的研究多集中于圍巖力學特性和地下水的影響上面。實際工程中，由于地形地貌限制，特殊情況下在軟巖地層中不得不修建小凈距偏壓隧道。小凈距偏壓隧道后行洞施工對先行洞擾動大，進一步惡化先行洞圍巖受力條件，圍巖變形遲遲難以收斂。再加上偏壓條件下，隧道兩側受力不均勻，圍壓可能沿軟弱面滑移。兩種因素耦合作用下，相較于普通隧道，小凈距偏壓隧道大變形更為嚴重，需要開展針對性地深入研究。因此，本文以峨眉至漢源高速公路圓木溝隧道為工程背景，基于理論分析和現場測試，對小凈距偏壓軟巖隧道大變形現象進行系統分析，揭示隧道開挖后圍巖的非對稱形變規律，以期為該類巖體中隧道開挖支護設計提供參考。

1 工程概況

峨眉至漢源高速公路圓木溝隧道位于四川省峨眉市金口河區和平鄉解放村境內，處于四川盆地西緣，為盆地向青藏高原東部的過渡地帶，整體地勢西高東低。隧址區處于共安斷裂與金口河斷裂之間，在隧道右側發育有金口河擠壓破碎帶，使隧道巖體較破碎-極破碎。隧道圍巖巖性較單一，主要為炭質板巖、板巖等，隧道巖層走向與路線走向一致，巖層優勢產狀為150°∠70°。板巖具有明顯的層狀結構，結構面強度較低，巖體表現出明顯的各向異性的特點。同時，由于巖體具有力學強度低、風化速度快以及遇水易軟化、膨脹或崩解等不良工程性質，隧道開挖后導致隧道圍巖的變形及穩定問題十分復雜。隧道左右線凈距僅為14～17m，是典型的小凈距偏壓隧道。同時地面線橫坡約30～35 °，存在明顯的偏壓現象(圖1)。

圖1 圓木溝隧道進口地質平面

圓木溝隧道施工中出現了明顯的軟巖大變形現象，K70+875先行洞右洞變形量達到32cm，后行洞左洞達到29cm，如圖2、圖3所示。后期施工中K70+902～K70+917拱腳處急劇變形量達到了約80cm，初期支護發生侵限，見圖4。

圖2 先行洞K70+875斷面位移累計變化量

圖3 先行洞K70+875斷面位移日變化率

圖4 K70+902初期支護開裂及侵限

2 圓木溝隧道大變形機理分析與施工控制措施

2.1 大變形機理分析

結合圓木溝隧道圍巖地質情況，通過理論分析，隧道發生大變形的原因主要有以下幾點：

(1)圍巖巖性差，圍巖為強風化碳質軟巖，破碎嚴重，結構面無序發育，為典型的V級圍巖。

(2)圍巖裂隙水豐富，圍巖施加初期支護后，部分地下水封閉在初支內。地下水的長時間侵泡導致圍巖發生軟化、泥化、膨脹等現象，圍巖失去自穩能力，造成較大的拱頂下沉和洞周收斂。

(3)偏壓影響，隧道左右洞覆土厚度相差近15m。

(4)上下臺階開挖，鎖腳錨桿偏弱。施工周期長，開挖面封閉不及時，下臺階開挖時導致上臺階初期支護急速下沉。

(5)二次襯砌滯后。

(6)左右洞為小凈距隧道，施工工序未嚴格按照設計要求執行。

(7)隧道反坡施工，地下水及施工用水未及時排除，侵泡地基軟化，導致進一步沉降。

(8)系統錨桿施工不規范，超前小導管注漿未達到預期效果，未能使圍巖及初期支護結構形成有效受力體。

2.2 施工控制措施

針對圓木溝隧道圍巖條件差以及進口地形地貌特殊等特點，施工中主要采取了以下工程措施。

2.2.1 洞口斜交套拱技術進洞

由于右線隧道地形為凹形斜坡，采用正交套拱將導致挖方量劇增，并影響邊坡穩定性，故右線隧道采用斜交套拱進洞。套拱與地形方向一致。套拱內設置3榀20b工字鋼，各榀鋼架間焊接環向連接鋼筋。

2.2.2 開挖順序

軟巖小凈距偏壓隧道合理開挖順序對隧道圍巖穩定和支護措施選擇有很大的影響。后開挖埋深較淺一側對偏壓邊坡圍巖具有卸荷作用，導致埋深較深一側的既有隧洞出現較大位移以及承受偏壓圍巖壓力；而先開挖埋深較淺一側可提前釋放偏壓側壓力，減少埋深較深一側后期偏壓力及變形。因此，先開挖淺埋側隧道優于先開挖深埋側隧道。偏壓側偏壓力卸荷情況與先行洞及后行洞間距及開挖時間差有關，設計中先行洞與后行洞掌子面錯開距離應大于30m，先行洞采用常規臺階法施工，后行采用CD施工(根據現場軟弱圍巖監控量測數據進行動態管理)；初期支護應及時跟進并封閉或落底，保證圍巖、中巖墻、支護處于有利受力狀態；后行洞的初期支護(落底成環后的)應超前先行洞二次襯砌15m；為減輕后行洞開挖爆破對先行洞二次襯砌的影響，先行洞二次襯砌應落后于后行洞掌子面30m以上，并滿足圍巖的穩定條件。隧道爆破應進行專門設計，并進行試爆，測定震動值，嚴格控制爆破震動。施工時應重點控制爆破對中巖墻的危害。相鄰爆破分段起爆間隔時間應不小于100ms(圖5)。

圖5 施工工法

2.2.3 大變形侵限處理技術

2.2.3.1 強化初期支護以及鋼架封閉成環

(1)靈活調整系統錨桿布置方式：加強掌子面管理，分析巖層走向、傾向與隧道軸線關系，調整錨桿、小導管布置方式，即垂直或大角度相交于巖層；在順層側加強錨桿布置數量；根據侵限位置采用長短錨桿結合方式，加固圍巖體。

(2)加強鎖腳錨桿：增長鎖腳錨桿及增加鎖腳錨桿數量，鎖腳錨桿調整為鎖腳小導管，減少初期支護沉降。

(3)設置臨時仰拱，初支及時封閉成環：上臺階開挖后在上臺階仰拱處設置臨時鋼架橫支撐，形成臨時仰拱，封閉成環；下臺階開挖并施作初期支護后，加強鎖腳錨桿。變形較大時，及時澆筑仰拱及回填仰拱，作為反壓回填及橫向混凝土支撐，約束初期支護鋼架內側位移(圖6)。

圖6 加強鎖腳錨桿及臨時仰拱

2.2.3.2 圍巖注漿加固

注漿加固，對于水量豐富地段，應事先采取預注漿方式進行封閉，以求達到增大圍巖抗力系數的目的。周邊注漿有效加固范圍為隧道開挖輪廓線外3.5m，注漿孔孔口環向間距150cm，縱向間距150cm，梅花型布置，注漿孔孔徑φ46mm，孔口設50cm長φ48×5mm熱軋無縫鋼管作為孔口管，注漿孔與隧道軸線呈90 °(拱頂若鉆孔困難，可調整為60 °)，孔深300cm。注漿材料以堵水為主時采用水泥-水玻璃雙液漿，C∶S=1∶(0.4～0.6)(體積比)，水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數2.8，水玻璃濃度35 °Be’；以加固圍巖為主時采用純水泥漿(圖7)。

圖7 注漿加固圍巖

2.2.3.3 加強監控量測，實施動態支護及結構設計管理

施工中動態管理，加強監控量測，對沉降、圍巖內位移、初期支護與二次襯砌之間圍巖壓力及鋼筋應力進行測試，根據監控量測數據采取相應的施工措施。在開挖過程中做好動態信息收集，根據監控量測單位提供的實時信息指導施工，及時調整支護參數，以確保巖體的穩定以及支護結構的安全。參考現場實際情況以及調研資料等[3][6]，結合該項目情況，實施動態支護及結構設計管理，如下：

(1)最大侵限尺寸d<10cm的：按原設計施工。

(2)最大侵限尺寸10cm≤d<15cm的：適當加強初期支護強度，加強鋼架型號及鋼架間距。

(3)最大侵限尺寸15cm≤d<25cm的：加強初期支護強度，加強鋼架型號及鋼架間距；加強鎖腳錨桿及上下臺階處增加一道橫向臨時鋼支撐(上臺階封閉成環)；擴大拱腳鋼板；二次襯砌結構加強(加厚二次襯砌厚度、混凝土強度以及鋼筋等措施)。

(4)最大侵限尺寸d≥25cm的：在以上加固措施基礎上，增加預留變形量；施工工法調整為CD法；圍巖注漿加固；進一步加強初期支護及二次襯砌設計參數，初期支護仰拱全封閉；二次襯砌緊跟。

(5)以上支護參數供參考，具體工程應根據監測數據進行結構計算。

2.2.3.4 換拱處理

K70+902～K70+917急劇性變形達到了約80cm，初期支護嚴重侵限，采取換拱處理。

(1)施作臨時鋼支撐時拱腳處虛碴需清理干凈，同時拱腳采用槽鋼托梁防止因拱腳泡水產生不均勻下沉而失去支撐作用。

(2)由于圓木溝隧道存在反坡排水情況，對于地下水應及時排除，避免地下水浸泡基礎軟化，引起沉降變形。

(3)換拱過程中設置臨時環向鋼架加強初支，確保換拱安全；拆換鋼拱架時應自上而下逐榀更換。

(4)換拱采用微震爆破拆除初期支護[7]，采用微震爆破換拱時要采用輔助工法和減震防護措施。

3 結束語

(1)對于軟弱圍巖下偏壓小凈距隧道施工，優先開挖埋深較淺具有卸荷作用，具有提前釋放內側較深洞室圍巖偏壓力及變形位移，優于先開挖埋深較大側。

(2)施工嚴格遵守“短進尺，弱爆破，快封閉，勤量測，緊二襯，強支護”，特別是快速封閉初期支護對控制沉降變形尤其重要。具體方法為：

①掌子面(圍巖)穩定較好情況：在隧道掌子面具有較好自穩能力下，建議采用“短進尺、弱爆破、全斷面，快封閉”的施工原則，不建議采用上下臺階法等施工(二次開挖急劇加大了沉降)。

②掌子面(圍巖)穩定性差情況：在隧道掌子面自穩能力較差情況下，建議采用“快封閉，強支護”的原則，可上下臺階法但需要在上下臺階處增加臨時仰拱封閉，或者根據地質情況采用CRD等小斷面施工，且步步封閉成環的施工方法。

③其他措施：在施工過程中結合地質情況等，配合超前管棚、超前小導管、掌子面錨桿、加強鎖腳錨桿、掌子面噴混凝土、注漿等措施。

④及時二次襯砌：施工過程中加強監控量測，實施動態支護及結構設計管理系統。

(3)在后期監測二次襯砌內力數據顯示，隧道拱頂圍巖壓力小，兩側內力大，建議后期加強拱頂二次襯砌、初期支護及圍巖之間空隙注漿。

(4)初期支護與圍巖形成有效粘聚力異常重要(初期支護與圍巖形成有效整體)，可以通過增加鎖腳錨桿數量，或者周邊圍巖注漿加強圍巖地層參數進行加強。

(5)設計中圍巖變形速率<0.2mm/d時，施作二襯承擔殘余荷載，但是部分變形較大情況應及時實作加強的二次襯砌，同時考慮炭質板巖后期蠕變長期存在，其他地段二次襯砌結構亦進行加強。