高地應力軟巖隧道大變形控制關鍵技術

馬 棟， 孫 毅， 王武現， 晉劉杰

(中鐵十六局集團有限公司， 北京 100018)

0 引言

高地應力軟巖隧道的大變形問題一直是困擾工程界的難題。21世紀是地下空間作為資源加以大力開發利用的世紀[1-2]，將不得不面對越來越多的高地應力軟巖隧道問題。高地應力圍巖指的是巖石抗壓強度與地應力的比值較小的地質條件，軟巖是指巖石飽和單軸抗壓強度≤30 MPa的圍巖。由于高地應力軟巖隧道具有大變形、變形持續時間長、空間分布不均勻的特點[3-6]，施工及后期調整難度均非常大，嚴重威脅隧道施工及運營期間的安全。對于高地應力軟巖隧道的大變形及其控制措施，國內不少學者做了大量的研究，取得了豐碩的成果。錢七虎[7]認為極端復雜的不良地質條件是制約隧道安全高效建設的主要因素，要實現隧道工程的安全高效建設，首先要提高地質預測預報技術水平及其信息化程度。李術才等[8]系統總結了國內外隧道工程修建過程中面臨的大變形問題，闡述了地下工程開挖過程中平衡轉換的力學機制及支護理念，提出了預防與控制大變形災害的關鍵技術與突破點，研發出適用于軟弱破碎地質條件的鋼格柵混凝土核心筒支護結構體系。李磊等[3]等通過現場觀測和數值計算，認為高構造應力、不利巖層產狀和低巖體強度是隧道發生大變形的主要誘因，指出對于高地應力大變形隧道，應盡可能在初期支護階段控制圍巖穩定，避免大量殘余應力作用于二次襯砌，成為安全隱患。陳鴻等[9]總結了蒙華鐵路中條山隧道極復雜地質條件下的施工經驗，提出仰拱與下臺階一次爆破成型方法，減少了爆破圍巖的二次擾動，能有效控制周邊收斂和拱頂沉降。郭小龍等[10]通過實際施工試驗，實測分析了普通錨桿、早強錨桿支護時的洞周位移、圍巖與初期支護接觸壓力、型鋼拱架應力及其錨桿軸力，結果表明高地應力軟巖隧道中錨桿軸力為拉力，早強錨桿比普通錨桿軸力更大，可以使隧道洞周位移減小40%。李國良等[11]結合我國鐵路隧道建設經驗，闡述了擠壓性圍巖隧道的高地應力條件及擠壓性圍巖地質特征，提出了擠壓性圍巖隧道大變形的系統治理技術。李磊等[5]依托成蘭鐵路茂縣隧道，通過現場試驗和數值計算研究了擠壓性軟巖大變形隧道的初期支護鋼架選型，認為高地應力軟巖隧道宜選用強度較大的鋼架作為第1層支護。周寶春[6]通過對柿子園隧道4號橫洞工區擠壓性圍巖大變形的原因分析和施工技術總結，提出大變形處理可通過持續提供支護阻力的結構與足夠的預留變形量的有機結合來解決。朱衛東[12]通過數值模擬和現場施工，分析影響隧道襯砌和圍巖變形的相關因素，得到利于控制變形過大問題的最優進尺設置參數及初期、臨時支護形式。劉招偉等[13]依托蒙華重載鐵路部分隧道，針對傳統臺階法施工時的各種缺點，提出臺階法(帶仰拱)一次開挖施工技術，認為該方案能較好地解決軟巖隧道步距超標、變形侵限等問題。

目前大多基于單一支護手段開展研究，但高地應力軟巖隧道大變形控制是一項系統工程，單一支護手段難以全面發揮作用。本文根據麗香、成蘭、玉磨鐵路近10座高地應力軟巖隧道施工及大變形控制經驗，闡述大變形隧道變形特征及變形機制，結合工程實測數據介紹了多種高地應力軟巖大變形隧道的施工控制關鍵技術及其復合控制效果。

1 案例隧道工程概況

1.1 大變形隧道所屬線路簡介

麗香鐵路為國鐵Ⅰ級單線鐵路，設計時速140 km，全長139.7 km，位于云南省西北部，南起大麗鐵路麗江車站，向北跨越金沙江，經小中甸至香格里拉。全線新建隧道共20座，總長92.5 km，隧線比高達68%。第4標段共27.5 km，該標段含3座高地應力軟巖隧道(白巖子隧道、長坪隧道、圓寶山隧道)。

玉磨鐵路為國鐵Ⅰ級雙線鐵路(客貨共線)，設計時速為160 km，全長507.4 km，由昆玉鐵路的玉溪站起至中老(撾)邊境磨憨。王崗山隧道隧址位于云南普洱墨江縣境內。

成蘭鐵路為國鐵Ⅰ級雙線鐵路(客貨共線)，設計時速200 km，總長573 km。鐵路起于成都，經茂縣、松潘縣、九寨溝縣后，抵甘肅郎木寺與西成鐵路共線。云屯堡隧道隧址位于松潘縣岷江鄉至松潘縣青云鄉之間。

大變形隧道地質情況如表1所示。

表1 大變形隧道地質情況

1.2 隧道大變形分級與初始設計支護參數

根據以往的工程經驗，結合專家意見以及現場工程地質條件、地下水發育情況，參考國際通用的強度應力比指標，可將高地應力軟巖隧道大變形分為一般、嚴重、極嚴重3級。分級標準見表2。關于高地應力的概念，目前國內外仍無明確定義，我國主流觀點認為地應力大于20 MPa即為高地應力[14]，也有學者認為高二次應力與動力擾動單獨或聯合作用產生的誘發高地應力也是高地應力的一種[15]。

目前，各設計單位針對大變形隧道的基本支護參數選取并不統一，結合麗香、成蘭、玉磨鐵路的實際情況，單、雙線隧道對應大變形等級下的初始設計支護參數與施工工法分別如表3和表4所示。

表2 大變形分級標準

表4 不同變形等級對應的單線隧道施工工法

按表2強度應力比分級標準，對案例隧道大變形分級。長坪隧道圍巖巖性軟，圍巖強度低，直接測試獲取圍巖強度難度較大，且精度難以保證。經過多種方法比選，最終采用鉆孔剪切儀(rock borehole shear test)進行圍巖原位強度測試，如圖1所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

長坪隧道測點位于DK61+285。結果顯示，測點原位強度內聚力為212 kPa左右，內摩擦角為17°左右。根據摩爾-庫侖強度理論推算，圍巖單軸抗壓強度為573 kPa。

該處還采用傳統水壓致裂法進行了地應力測試，如圖2所示，初步判斷洞身附近最大水平主應力為17.51～29.44 MPa，最大水平主應力隨埋深的增加而逐步增大。

根據實測圍巖強度與原巖地應力數據，計算強度應力比后得到數值為0.019～0.032。由此，可以確定長坪隧道為極嚴重大變形隧道。同樣的方法應用于表1其他4座隧道后，均判定為極嚴重大變形隧道。

(a)

(b)

2 初始設計支護參數條件下隧道大變形特征

1)水平收斂累計變形較大。根據麗香鐵路施工數據，隧道施工期間變形以水平收斂為主，拱頂沉降相對較小。以白巖子隧道DK62+195為例，施工期間(僅30 d)隧道最大收斂值達363 mm，遠遠大于隧道拱頂沉降。監測情況見圖3。

圖3 白巖子隧道DK62+195斷面監測數據

2)應力釋放快且變形速率大。因軟巖開挖后應力釋放快，自穩能力急劇下降，導致圍巖對初期支護的側壓力急劇增加。當側壓力超過初期支護的承載能力時，初期支護出現變形，自穩內應力重新分布并使自穩內應力圈半徑不斷擴大，從而加劇了變形量的擴大。

白巖子圍巖—初期支護接觸壓力監測數據如圖4所示。初始地應力測試值為16.11～27.79 MPa，圍巖—初期支護接觸壓力初始值最大僅0.873 MPa，6 h后地應力再次測試值為12.33～16.57 MPa，圍巖—初期支護接觸壓力最大值快速升至1.79 MPa，說明開挖后地應力快速釋放。

圖4 白巖子隧道進口段DK62+564斷面圍巖—初期支護接觸壓力監測數據對比(6 h間隔)(單位： MPa)

根據隧道監測結果，開挖期間隧道變形速率較大，白巖子隧道進口段最大收斂速率達70.3 mm/d，最大沉降速率達16.7 mm/d，如圖5所示； 長坪隧道最大收斂速率達58 mm/d，最大沉降速率達14.6 mm/d，如圖6所示。

圖5 白巖子隧道最大沉降、收斂速率

3)變形時間長且擾動范圍廣。王崗山隧道監測歷時5個月，收斂變形還未穩定，如圖7所示； 云屯堡隧道監測歷時4個月，收斂變形才出現穩定趨勢，如圖8所示。

圖6 長坪隧道最大沉降、收斂速率

圖7 王崗山隧道DK157+430斷面變形監測(2017年)

圖8 云屯堡隧道DK225+500斷面變形監測(2019年)

為確定隧道開挖的擾動范圍，對云屯堡隧道7#橫洞處正洞進行松動圈測定，結果表明，7#橫洞處正洞松動圈深度為12～15 m，如圖9所示。松動圈主要是由于上臺階開挖破壞了隧道原巖應力平衡，進而原巖應力釋放而出現的。松動圈的形成與后續工序擾動、巖層結構、圍巖流變及塌方等影響因素有關。

圖9 云屯堡隧道7#橫洞處正洞圍巖松動圈

3 高地應力軟巖隧道大變形強化控制技術

傳統的隧道支護手段對大變形起到了一定的效果，但往往不足以長期抑制隧道變形，在此基礎上還必須采取優化襯砌斷面尺寸、設置雙層初期支護、適時施作二次襯砌等方法強化控制效果。

3.1 優化襯砌斷面尺寸

對于水平構造應力占優勢的高地應力環境，通過增大邊墻曲率，加深仰拱，極嚴重時可采用圓形斷面(如圖10所示)，可以明顯改善隧道結構受力，減小拱肩等部分的應力集中，從而有效控制隧道邊墻收斂。

3.2 設置雙層初期支護

上臺階開挖后及時施作短錨桿，控制開挖變形及松動圈發展； 下臺階開挖后，再施作長錨桿，長錨桿以打穿松動圈外1 m以上為宜。

(a) 原設計

第1、2次支護均為鋼架+噴混凝土，2次支護不能同時施作，第2次支護必須在第1次支護仰拱封閉后施作。隧道支護斷面如圖11所示。

圖11 隧道支護斷面圖

3.3 初期支護仰拱及時封閉

通過分析近10座長、短大變形隧道的施工經驗認為： 快速施工初期支護仰拱，控制初期支護仰拱與掌子面距離<20 m(如圖12所示)，能夠明顯起到抑制收斂的作用，應在施工組織允許的前提下積極實施。特別是對臺階法施工的隧道而言，實施越早臨時橫向鎖腳系統的負擔越小，前期整體沉降也隨之減小。

圖12 仰拱封閉示意圖

3.4 適時施作二次襯砌

初期支護變形基本穩定后才能施作二次襯砌，否則可能使其受力過大而導致開裂。單線隧道二次襯砌施作時機見表5。

表5 單線隧道二次襯砌施作時機

雙線隧道二次襯砌施作時機需根據監測數據分析而定，但二次襯砌施作時距離掌子面的距離不宜大于70 m，這樣可有助于控制大變形的發展。

3.5 工程應用

3.5.1 白巖子單線隧道

3.5.1.1 大變形控制措施

1)強化錨桿施工。4.5 m以內短錨桿釆用藥包錨桿； 6 m以上長錨桿采用中空錨桿； 塌孔、縮孔地段采用自進式錨桿。變形發展迅速的嚴重變形段，利用短錨桿施作便捷、快速的特點，用于初期變形控制，為長錨桿施作創造時機，同時長短交錯結合形成群錨效應。

2)優化施工措施及工藝。施工中根據圍巖破碎情況局部調整間距，保持錨桿總數不變。鎖腳錨管法向施工(無傾角)，并采用快凝漿液或藥包快速錨固，在變形至10 cm以上時，適時對圍巖進行補強注漿，加固圍巖； 采用雙層支護共同抵抗圍巖應力，以達到控制變形的目的。

3)加強工法配套。盡可能減少開挖分部、鋼架接頭等工序銜接薄弱環節，初期支護盡快封閉。采用兩臺階法施工，上臺階施工完成后及時施作臨時仰拱，下臺階與仰拱同時開挖，仰拱與下臺階初期支護一起施作。

3.5.1.2 大變形控制效果

采用上述措施后，正洞收斂變形基本在25 cm以內，最大收斂值22.3 cm，如表6所示。

表6 白巖子隧道不同斷面變形量和變形速率統計

3.5.2 云屯堡雙線隧道

3.5.2.1 大變形控制措施

1)加強初期支護。初期支護全環設置雙層HW200型鋼拱架，鋼架間距0.6 m/榀，提高了支護結構剛度，控制了掌子面后方變形。

2)長短錨桿結合。拱部設置6 m長φ25中空錨桿，邊墻設置10 m長φ32自進式錨桿，仰拱設置5 m長φ25中空錨桿，間距0.8 m×1.2 m(環×縱)，呈梅花形布置，如圖13所示。

3)徑向注漿。拱墻采用5 m長φ42鋼花管徑向注漿，間距1.0 m×1.2 m(環×縱)，梅花形布置。注漿采用水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

4)短臺階快速成環。短臺階開挖法以三臺階為基本模式。上臺階長度控制在5 m以內，中下臺階長度控制在10 m之內，初期支護封閉成環距離掌子面控制在18 m以內。各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進。

圖13 云屯堡隧道錨桿施作效果

嚴重大變形地段，開挖后圍巖自穩能力差，因此要嚴格控制開挖進尺。上臺階每循環開挖進尺不得大于0.6 m，中、下臺階每循環開挖進尺不得大于1.8 m，開挖后及時進行噴錨支護。仰拱距掌子面的距離控制在18 m以內。仰拱開挖時一次開挖3 m，開挖后及時支護封閉成環。開挖2個循環之后，施作仰拱。

3.5.2.2 大變形控制效果

監控量測數據顯示，通過采取以上措施，取得了良好的變形控制效果。

以D6K234+314斷面為例，拆除初期支護后拱頂累計沉降值為79.4 mm，上臺階周邊累計收斂值為61.3 mm，下臺階周邊累計收斂值為81.9 mm，變形得到有效控制。D5K225+681斷面監測結果也顯示，拱頂累計沉降值為61.5 mm，上臺階周邊累計收斂值為48.6 mm，中臺階周邊累計收斂值為49.2 mm，下臺階周邊累計收斂值為43.5 mm，較好地控制了軟巖大變形。

4 結論與建議

通過對高地應力軟巖鐵路隧道大變形控制技術的研究和工程應用，取得了一定成效，總結形成了以下結論：

1)預留變形量是避免發生大變形后初期支護侵限的重要基礎。

2)對于水平構造應力占優勢的單線隧道，增大邊墻曲率可有效控制隧道邊墻收斂。

3)初期支護剛度的提高是控制高地應力軟巖隧道大變形的又一關鍵因素，2次支護與長短錨桿共同支護可有效提高初期支護剛度，減小圍巖變形。

4)快速施工仰拱，控制仰拱與掌子面距離 <20 m可有效控制大變形。

5)二次襯砌的適時施作可以盡快地為初期支護的變形提供支撐力，避免初期支護的延續變形進而侵限二次襯砌空間，二次襯砌的施作時機以既能控制初期支護變形又可以避免后期二次襯砌混凝土因受荷過大而開裂為宜。

對于大變形的研究還有許多問題值得進一步深入思考，建議從以下2個方向入手：

1)開挖方法對松動圈發展的影響。針對單線隧道、雙線隧道不同臺階開挖長度的松動圈分別進行試驗，由此確定開挖方法與松動圈發展范圍之間的關系，進而確定較為合適的錨桿長度。

2)鋼管混凝土拱架在隧道大變形控制中的應用。鋼管混凝土拱架為圓柱狀外形，是最合理的截面形狀，具有剛度大、強度高、支護能力強而且無異向性、不易扭曲變形的特點，在礦建工程中時有應用，對控制大變形有較好的應用前景。可以針對不同斷面尺寸進行鋼管混凝土拱架初期支護試驗，通過對實測數據分析為下一步應用提供依據。