云屯堡隧道圍巖變形特性與預防控制措施研究

陳 燕

(四川省交通建設集團股份有限公司 成都 100024)

公路隧道、水工隧道及其他地下工程的圍巖變形常會導致各種地質災害[1]。隧道圍巖大變形在國內外隧道建設過程中已屢見不鮮，國外的阿爾貝格公路隧道、陶恩公路隧道、辛普倫隧道等在修建的過程中均出現過圍巖大變形，嚴重影響了隧道施工的安全。國內南昆鐵路的家竹箐隧道，拱頂最大沉降240 cm，邊墻內移80 cm，底鼓80～100 cm；鷓鴣山公路隧道修建過程中最大沉降已達300 mm；十漫高速公路火車嶺隧道最大水平收斂值達到120 cm，拱頂沉降值達到160 cm[2]。大量工程實踐表明，隧道圍巖出現大變形問題，不僅治理費用高，影響工程進度，而且對隧道的安全施工造成極大威脅[3-6]。

云屯堡隧道是成蘭鐵路重點控制性工程之一，全長22.932 km，該隧道地處龍門山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶構成的A形斷塊中，其區位示意見圖1。

圖1 云屯堡隧道區位

該區域地質具有“四極三高五復雜”的顯著特征，即地形切割極為強裂，構造條件極為復雜活躍，巖性條件極為軟弱破碎，汶川地震效應極為顯著；高地殼應力，高地震裂度，高地質災害風險；復雜的構造運動歷史、復雜的構造形跡、復雜多變的復理巖建造、復雜的地應力環境、復雜的地下水條件。因此該隧道施工過程中極有可能出現圍巖嚴重變形，進而出現坍方、大面積二次擴挖等次生地質災害[7-8]，有必要對該隧道的變形機理及預防對策進行研究，確保隧道施工階段安全生產。

1 云屯堡隧道工程地質概況

云屯堡隧道位地處岷江活動斷裂帶被動盤上，基本與之平行，相距0.5～3.5 km，附近發育雪山、虎牙活動斷裂。洞身穿越1條斷層，17條褶皺，震區加速度0.3g。

采用地質測繪、鉆探、物探、巖樣測試等手段確定巖性本隧均為三疊系地層，其中1、2橫工區為雜谷腦組砂巖、板巖、千枚巖；3～7橫為新都橋組和侏倭組千枚巖、砂巖地層，千枚巖與砂巖互層，千枚巖占比變化頻繁，巖質軟。隧道地質縱斷面見圖2。

該區域地表水主要為岷江水系，隧道布線于岷江與大姓溝之間，至3號橫洞以后，隧道拱部低于大姓溝底，隧道區域地表水系見圖3。地下水為基巖裂隙水、構造裂隙水，構造、褶皺核部地下水發育，預估涌水量50 000 m3/d。

圖3 隧道區域地表水系分布圖

隧道圍巖分級以地質測繪、地層巖性、鉆探資料、物探成果為依據，同時結合隧道埋深和地形、構造、地下水分布情況確定，隧道區間具體圍巖分級情況及段落劃分見表1。

表1 圍巖分級

在隧道初步設計階段，未測試隧道構造地應力，施工期間在5、6號橫洞之間進行了1次深孔鉆探和地應力試驗，測得最大水平主應力15 MPa，最小水平主應力10 MPa，估算垂向主應力約為12 MPa。

2 隧道圍巖變形段落預測及加固設計

2.1 隧道圍巖變形段落預測

隧道圍巖在預測其變形等級時需結合云屯堡隧道具體情況、周邊類似工程情況綜合考慮。根據我國現行規范以及相關參考文獻，隧道圍巖大變形等級劃分標準見表2。圍巖強度通常采用巖石單軸飽和抗壓強度推測，查閱有關文獻，云屯堡隧道圍巖強度換算系數見表3。

表2 隧道圍巖大變形分級標準

表3 地質構造對巖體強度影響程度表

按照云屯堡隧道圍巖強度推測值，以及施工階段實測地應力比值大小，將本隧道軟巖大變形分為輕微、中等及嚴重3個等級。隧道正洞預測發生變形洞段段長2 040 m(中等變形洞段計8段共1 640 m，輕微變形洞段計4段共400 m)，占全隧的18%；預測可能發生大變形洞段計26段長7 012 m，占全隧63%。正洞可能變形及大變形段全長9 052 m，占管段隧道總長的81%。隧道正洞變形預測段落見表4。

表4 隧道正洞軟巖變形預測段落

2.2 隧道圍巖變形與襯砌設計方案

考慮隧道后期施工階段圍巖穩定和安全，隧道圍巖變形洞段需要在原施工圖基礎上進行專項加固設計。隧道圍巖加固一般變形洞段按雙線無砟道床一般復合式襯砌進行設計，考慮0.3g震區，IV級圍巖采用鋼筋混凝土結構。大變形圍巖段襯砌的施工工法、支護，以及針對大變形監控量測均采用預設計，根據實際地質情況進行動態調整，按照先試驗后推廣的原則進行施工。施工圖確定大變形段暫按對應段落的V級圍巖加強復合式襯砌(斷層處按V級抗震襯砌)設計及計列工程數量，預留變形量10～32 cm，明確在施工中按動態管理辦法根據實際發生量調整。對可能發生大變形的洞段按相應圍巖等級一般襯砌結構進行設計，如發生大變形，根據變形等級進行相應專項設計處理[9-10]。

針對隧道圍巖不同的變形情況，分別采取不同的設計方案，其中無變形洞段2 070 m，按III、IV、V級圍巖分類，根據圍巖的不同級別，采用與之對應的復合襯砌及相應的支護形式?？赡馨l生大變形洞段段7 012 m，按III、IV、V級圍巖分類，襯砌類型與支護方式與無變形段相同。輕微變形洞段400 m，對應大變形洞段I型，其中IV級圍巖段采用復合襯砌，V級圍巖采用復合加強襯砌，支護形式與之相對應。中等變形洞段1 640 m，對應大變形II型，均為V級圍巖，采用V級復合加強襯砌。

隧道圍巖變形與襯砌設計采用的III級、IV級、V級復合襯砌、支護措施與大變形I、II、III型襯砌與支護措施參數比較見表5。

表5 隧道圍巖變形與襯砌設計與預設計參數

通過表5中隧道圍巖變形與襯砌設計參數對比可知，隧道圍巖大變形段對變形控制的設計方案，無論是支護方式，襯砌結構形式都進行了加強，加大了預留變形量，增設了纖維錨桿和纖維混凝土，拱墻部位增設了中空錨桿，強化了型鋼支撐，增大了襯砌混凝土厚度。

3 隧道圍巖施工階段變形破壞特征及處治措施

3.1 隧道圍巖大變形主要破壞形式

云屯堡隧道開工后陸續出現多處圍巖嚴重變形，支護及襯砌破壞現象，現場調查發現，圍巖變形破壞主要分布在拱頂、拱腰及兩側邊墻，局部大變形嚴重洞段有底板鼓起等變形破壞跡象，變形破壞集中發生在1標3號、4號橫洞施工工點。變形破壞形式表現為掌子面圍巖崩解坍塌(即掌子面開挖卸載后在地應力作用下千枚巖層出現崩解溜坍，見圖4a))；初支混凝土剝落掉塊指由于圍巖變形荷載較大，作用于鋼拱架和噴混凝土層，導致鋼拱架產生變形(見圖4b))，噴射混凝土產生開裂剝落掉塊、鋼拱架變形、底板隆起開裂(見圖4c))、二襯開裂(見圖4d))等多種變形破壞方式。

圖4 隧道圍巖大變形破壞形式

3.2 隧道圍巖大變形破壞原因分析

在整座隧道中所占比例最大的變形破壞是塑性擠出型變形，尤其以4號橫洞工區橫洞HD4K0+004-+040、正洞D5K222+375-+528、救援站PD1K222+232-+659.5最為突出。除地應力高，巖體破碎外，導致出現圍巖嚴重大變形的主要原因是該段地層圍巖千枚巖和炭質千枚巖的含量較高；另一方面是由于隧頂低于大姓溝底，裂隙水豐富且滲水流量大，導致破碎的千枚巖軟化，巖體強度降低，圍巖在應力的作用下向洞室開挖臨空面產生塑性擠出，且持續變形時間較長。其次由于現場嚴格按照安全步距管理，導致襯砌施工時，圍巖變形并未收斂。

圍巖變形導致噴射混凝土開裂，產生型鋼拱架膨脹內鼓破壞變形，主要出現在4號橫洞小里程方向D5K222+375-400附近，4號橫洞HD4K0+004-+040段。分析本段圍巖出現中等變形的原因，經巖石取樣采用X射線衍射圖譜研究，各取樣點千枚巖含有一定量的伊利石類礦物，此類礦物雖然遠不如蒙脫石膨脹性強，但圍巖裂隙若出現滲漏水，亦會出現一定的變形，當預留變形量不足時，會導致噴射混凝土開裂，型鋼拱架變形。

圍巖變形導致混凝土開裂會導致彎折內鼓型變形，主要出現在DK218+820附近，分析本段圍巖出現中等變形的原因，通過選取巖樣做聲發射推測的構造地應力為14.8 MPa，采用區域地質反演分析，其構造地應力為12.6 MPa，分析圍巖巖性為砂巖千枚巖復層，千枚巖只占到12%，由此推測，在洞室開挖形成后，由于圍巖卸荷回彈和應力集中使洞壁處的切向壓力超過薄層狀巖層的抗彎折強度，從而引起圍巖的彎折內鼓。

圍壓變形導致具備出現噴射混凝土開裂掉塊產生碎裂松動型變形，主要出現DK218+825-868段，就其變形原因，除地應力較高外，隧道洞室穿越地層構造負責，褶皺發育，揉皺擠壓劇烈，導致巖體本身松散，自穩能力有限。當碎裂狀巖體開挖后，巖塊沿結構面滑移并形成松動圈，導致局部圍巖崩解坍塌。

3.3 隧道圍巖大變形破壞處治措施

通過對隧道支護、襯砌的破壞調查、分析，針對變形破壞產生的原因，提出隧道圍巖大變形處治專項設計階段的應對措施如下。

1) 重新開展隧區圍巖地質詳勘和再分析，增加區域地質構造應力測試。

2) 根據詳勘地質分析資料，重新評價劃分圍巖變形等級。

3) 根據變形等級對支護形式與參數，洞型及鋼筋混凝土結構進行專項設計。

4) 根據現場開挖揭示的地層巖性及地質構造情況，確定不同變形等級先導試驗段，驗證設計方案與施工工藝適應性，各變形等級的試驗段長不少于30 m。

5) 開展施工期間圍巖變形與支護和襯砌的內力監測，分析監測數據，指導施工和優化支護設計。

與施工設計相比較，專門設計增加了預留變形量，在邊墻及拱部設置中空錨桿，嚴重大變形在拱部設樹脂錨桿，加大了全環型鋼拱架型號，減小間距，襯砌主筋變更加粗至22 mm，嚴重大變形段仰拱加深，襯砌加厚至55 cm。輕微變形、中等變形，以及嚴重變形段的專項設計具體應對措施分別見表6、表7和表8。

表6 輕微變形應對措施

表7 中等變形設計措施

表8 嚴重變形設計措施

本隧道圍巖變形控制及襯砌按大變形專項設計方案開展先導試驗段以來，除4號橫洞小里程方向，出現較大涌水，工作面出現坍方外，僅就嚴重變形段的變形預留量進行了調整，專項設計基本可行，未出現支護破壞侵空、襯砌結構開裂現象，檢測數據顯示，結構處于安全狀態。

4 論語

本文通過實踐研究，發現軟巖大變形隧道的建設關鍵是控制圍巖變形。在高地應力環境，軟弱圍巖的變形是長期的，其變形控制研究自項目立項至運營維護，全過程均有必要開展研究、試驗、檢測、分析與安全評估。從本項目施工階段取得的研究成果分析，控制變形的關鍵技術是采用錨固主動防護，加上強度、剛度足夠的雙層支護，優化洞形，增加襯砌厚度，實踐證明是行之有效的。