軟弱圍巖隧道大變形的產生原因及控制

李達昌，宋俊潔

（1.中鐵三局集團有限公司，太原030001；2.山西大秦物流有限公司汽車物流分公司，太原030600）

1 工程概況

關西隧道全長4 843 m，采用單洞雙線斷面形式，三臺階法施工。隧道最大埋深約198 m，最淺埋深8 m。設斜井一處，斜井位于線路前進方向右側，與隧道正洞交于DK108+950，斜井全長554 m，綜合坡度為10.4%，采用無軌運輸雙車道斷面。其中，關西隧道出口段位于淺埋段稀土采礦區，巖性主要為凝灰巖砂巖夾疑灰質頁巖、干枚狀板巖等，全～弱風化，全風化，受稀土礦草酸采礦工藝影響，原巖結構化學反應后基本破壞，節理裂隙較發育，受力復雜，易產生大變形。

2 軟弱圍巖隧道大變形的關鍵原因

采礦區淺埋段圍巖受外部環境的影響較大，主要存在受草酸剝蝕的問題，隧道內圍巖大幅度變形。基本特征及其成因主要有：

1）變形覆蓋范圍廣、速度快。軟巖在短時間內快速變化，水平收斂300～400 mm，拱頂下沉150～200 mm。局部板巖地段含豐富的炭質，且伴有較大流量的地下水，受自身特性以及水體侵蝕的雙重作用，板巖存在明顯的變形現象，具有持續發展的趨勢。

2）變形的時間及分布較為特殊。圍巖變形具有持續性，在長期的作用下將形成臨空面，局部在施作二襯后依然有明顯的變形。圍巖變形無明顯的分布規律，缺乏對稱性，采取支護措施后，各段圍巖的變形差異性較為顯著。相比于拱頂下沉速度而言，早期圍巖的破壞程度更深，無論是水平收斂速度還是變形速度均較大。

3）圍巖變形具有重復性。在落實初期支護工作后，總體上圍巖具有趨于穩定的變化趨勢，但隨著施工進度的持續推進，圍巖依然存在變形現象，且以爆破施工場景下的圍巖變形量最為明顯，不利于支護的平衡性與穩定性。由此表明，隧道圍巖的變形并非在完成支護作業后便停止，而是在后續施工中重復發生，由此加大變形的控制難度。

4）圍巖性質不穩定，遇水軟化。以炭質片巖較為明顯，其在遇水后存在軟化現象，地下水滲流區域的變形量顯著加大。

鑒于上述所提的圍巖變形特征，進一步探究其成因：隧道施工現場的軟巖分布范圍廣、數量多，具有沿著片里面蠕動滑動的特性，期間伴有不同程度的軟質巖流變化；且圍巖構造的完整性不足，強度相對較低，導致其變形和流變現象持續發生；圍巖的抗剪切強度低，遇爆破等施工振動后失穩現象進一步加劇；地質構造特殊，易發生扭曲變形現象，此過程中形成豐富的節理和摩擦鏡面，再次破壞圍巖的完整性。在多重因素的共同作用下，圍巖持續變形且造成較大范圍的不良影響。

3 軟弱圍巖隧道大變形的控制措施

以隧道圍巖變形的特點及成因為立足點，結合工程質量要求以及現場施工條件，探討軟弱圍巖大變形的控制措施。

3.1 淺埋稀土采礦區圍巖大變形的控制

對于局部淺埋稀土采礦區圍巖受草酸剝蝕的情況，技術人員從現場采集巖石及水樣，轉至實驗室內展開試驗，探尋在草酸剝蝕條件下的圍巖受力特性，同時分析草酸在與混凝土接觸后所產生的化學變化，作為混凝土質量控制的參考依據，由此確定圍巖的變形控制方案，盡可能削弱草酸剝蝕。具體還可對施工場地的地質環境進行合理抽象并建立地質模型，采用有限差分軟件建立相應數值模型，以此對圍巖變形控制措施進行驗證。

而對于泥灰質砂巖，考慮層面造成的橫觀各向同性，可采用遍布節理模型進行數值計算，并通過數據對比，計算出原設計支護條件下圍巖的變形和采用控制措施后的圍巖變形情況。而初期支護只能緩解圍巖變形速率，不能控制變形的增長，反而二襯剛度較大，能有效控制變形持續發展，降低變形速率，在此情況下要及時施作二次襯砌。而圍巖的長期強度值是影響圍巖穩定性的關鍵因素，巖體自身強度會隨著時間的變化而受到損害，再加之巖土體在蠕變過程中受力情況不一樣，自身也會發生不同程度的變形現象。

3.2 斜井進正洞三岔口快速施工技術控制

3.2.1 挑頂施工

隧道斜井進入正洞挑頂施工為項目全流程中的重點內容，斜井與正洞所形成的交叉區域以Ⅳ級圍巖居多，XDK0+030～XDK0+007段采用復合襯砌，XDK0+007～XDK0+000在施作襯砌的基礎上，于初期支護鋼架上施作仰拱。引入臺階法，有序組織斜井進正洞的施工作業。

分階段考慮，確定具體的施工方法：

1）斜井施工至XDK0+007處，設置I18鋼架，共7榀。

2）斜井與正洞交叉口處，以正洞開挖輪廓線為參照基準，斜井緊貼該處設置，配套2榀I32a型鋼鋼架，于上、下兩端分別安裝鎖腳錨桿用于支撐拖梁；參考正洞中心線，鋼架與之呈平行布置的關系，高度與斜井開挖高度控制標準相同。型鋼鋼架主體結構成型后，焊接2榀I32a型鋼橫梁，通過橫梁、錨桿的共同作用給正洞鋼架提供落腳平臺。為保證拖梁與支撐架的穩定性，用I18型鋼斜撐加固，以免在施工期間發生失穩現象。

3）挑頂采用過渡導坑施工，噴錨網支護，寬6 m、高4 m，橫梁處設置長度為3 m的φ22 mm砂漿錨桿。拱架成型后于拱頂處安裝20 cm×20cm的φ8 mm鋼筋網片和3 m長的φ22 mm砂漿錨桿，制備適量C25混凝土用于該處的噴射作業，厚度按12 cm控制。

3.2.2 正洞上臺階施工

施工斷面尺寸為寬6 m、高4 m，先從右邊墻開始施工，再逐步向左邊墻推進，過渡到坑每循環進尺2 m，到達左邊墻后正洞拱頂成型，設置正洞上臺階鋼拱架，確保右邊墻落腳在拖梁上，左邊墻落腳在下臺階圍巖上。

在完成正洞挑頂上臺階的施工后，按照間隔循環的方式有序向進口、出口處施工。以實際施工進度為準，跨過斜井斷面6.2 m后，開始從斜井處向正洞處推進，目的在于形成中臺階工作面。施工期間，若中臺階達到8 m則轉至下臺階施工環節，當其達到10 m后施作仰拱，在較短的時間內封閉支護體系，若無誤則開始施工正洞。

3.3 軟巖隧道快速施工及成套工裝控制

軟弱圍巖的施工以臺階法為主導，以銑挖機為主要施工設備，在預留土多級反壓的基礎上確保下臺階可一次成型，由此縮短中途間隔時間，降低施工風險。

3.3.1 參數控制

上臺階：挖機作業半徑、臨時初支臺架的尺寸均會對機械參數帶來較顯著的影響[1]，以該方面的情況為立足點，結合類似工程經驗，從技術可行性的角度展開論證，將上臺階的長度設為5 m、高度設為3.5 m；

中臺階：結合濕噴機械手的基本特性（長7.8 m、高3.28 m）以及上臺階的參數選定結果，確定中臺階的基本參數，高度H中=4.1 m、長度L中＞7.5 m+10.5 m=18 m；

下臺階及仰拱：遵循一次開挖成型的原則，高度4.64 m、長度≤12 m。

3.3.2 施工方法

以前述確定的各臺階尺寸參數（包含長度、高度）為主要依據，為最大限度地降低圍巖的受擾程度，采取預留土多級反壓的方法。施工期間對各級臺階開挖面施加反向推力，目的在于提高該部分的穩定性。相較于超短臺階法，項目所設置的臺階長度可適當增加，通過此方式降低各臺階的擾動性影響；充分利用斜角反壓土，經過修整后形成機械作業平臺，采用高性能的機械設備，達到高效施工的效果。挖機優先對臺階中部開挖形成反壓土，再協調好生產要素，確保下臺階及仰拱可一次開挖成型，若無誤則及時噴射混凝土，盡早封閉成環。

3.4 軟弱圍巖變形的施工監測及動態化控制

軟弱圍巖隧道的施工環境錯綜復雜，加強監測很有必要，引入先進的信息技術，創建隧道監測信息平臺，在現場合理布設測點，根據所得的監測數據判斷圍巖變形的發生機理以及具體表現，從而獲得能較準確反映實際情況的沉降量-時間曲線圖，以便用于預測在后續開挖過程中圍巖的最終位移值和各階段的變化速率及穩定情況，詳見圖1。

圖1 監控測量下地表沉降擬合曲線變化示意圖

為提高信息的流通效率，建立了反饋機制，打破信息溝通壁壘，以信息為工作指導，提高施工的可控性。表1為監測施工中的量測頻率記錄。

表1 量測頻率

通過儀器檢測，變形數值復合要求。因此，通過監測和記錄對隧道的變形控制有極大的輔助作用。

4 結語

在軟弱圍巖地質條件下開展隧道項目時難度較大，軟弱圍巖自身的穩定性不足，加之施工的干擾，易出現大范圍變形的情況。本文從軟弱圍巖的變形原因切入，探討控制措施，希望所提措施的內容可為類似工程提供參考，以提高軟弱圍巖特殊環境中的隧道施工水平。