活動斷裂帶軟巖大變形隧道開挖支護技術

劉文玲

(中鐵十七局集團第一工程有限公司 山東青島 266555)

1 工程概況

成蘭鐵路位于青藏、揚子和華北三大亞板塊包圍的川西北三角斷塊區，茂縣隧道穿越茂汶斷裂帶[1]，左線長9.913 km，右線長8.595 km，茂汶斷裂帶北東向大斷裂段受汶川地震影響處于活躍狀態，區域內地震及地質災害頻發，褶皺、斷層發育，高地應力、高地震烈度、高地災風險極為顯著。隧道穿越斷裂帶長480 m，穿越斷裂核部段落長393 m，地質主要為碳質千枚巖、絹云母千枚巖，巖體破碎，遇水軟化，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占74%，受活動斷裂帶影響形成軟巖大變形、突泥涌水、圍巖擠壓破碎帶失穩風險極高。隧道分三線合修、雙線合修、變寬合修、小凈距單線分修等多種段落，開挖斷面變化頻繁，工序調整復雜。受極高地應力影響圍巖極為破碎，遇水軟化，穩定性極差。施工中長期流變效應明顯，施工難度極大。

2 變形塑性區范圍及開挖工法研究

2.1 軟巖大變形塑性區范圍確定

茂縣隧道在活動斷裂、復雜構造應力和高地應力等多重不利因素影響下，形成了軟弱破碎、遇水軟化的軟巖大變形段。主要表現為松散大變形、擠壓大變形、應力軟巖大變形[2]。存在圍巖變形量大、初期支護侵限嚴重、變更設計頻繁等突出問題[3]。為確保施工安全，需針對隧道圍巖特征，先鉆探分析確定軟弱圍巖的塑性區范圍，再進行大變形區域開挖和支護方案的制定、施工，通過施工工藝、方法控制隧道變形。

圍巖松動圈范圍確定采用圍巖波速峰值點對應測點深度作為松動圈邊界。在Ⅴ級圍巖斷層破碎帶YD8K127＋948、YD8K127＋950處進行超前鉆探、對比分析，鉆孔深20 m，直徑φ10 cm，鉆探中受坍塌堵孔影響實際成孔深度分別為12 m、18 m，圍巖波速測試隨鉆孔深度變化曲線見圖1、圖2。

圖1 YD8K127＋948波形圖

圖2 YD8K127＋950波形圖

通過分析發現，圍巖波速在11～12 m左右達到峰值，12 m之前圍巖結構破碎，波速較低(1.5 km/s)；12 m之后波速明顯衰減，但不同于12 m之前的圍巖波速特征，更多反映的是原巖波速特性。說明12 m處圍巖波速峰點主要受洞體開挖引起圍巖應力集中的影響，圍巖結構致密性、孔裂隙率大幅降低，使所測圍巖波速明顯提高。由此可以推測圍巖松動圈在12 m左右。

2.2 開挖工法研究

針對高地應力大斷面軟弱圍巖隧道宜采用短臺階法施工[4]。通過圍巖實體單元對兩臺階不留核心土開挖工法與三臺階預留核心土開挖工法進行模擬分析，發現兩種工法開挖下隧道均呈現一定的仰拱隆起現象，兩臺階不留核心土開挖工法仰拱隆起量最小；兩種工法開挖下隧道拱頂沉降值均比較高，其中兩臺階不預留核心土開挖工法對隧道拱頂沉降、隧道水平收斂的控制效果最好；兩種工法開挖狀態下隧道邊墻水平收斂值均高于各自拱腳水平收斂值，水平收斂值偏大。隧道仰拱彎矩處于受拉狀態，隧道斷面節點軸力處于受壓狀態。兩臺階不留核心土開挖工法仰拱彎矩值最小。

各節點軸力分布三臺階預留核心土開挖工法較好，兩臺階留核心土開挖工法次之；隧道斷面塑性區范圍最大值均出現在拱腳部位，約7 m左右；最小值一般出現在拱頂部位，差異性較大，范圍值從2.26 m至4.64 m不等。隧道開挖工法的改變對拱頂和邊墻處塑性區范圍分布影響較大，對拱腳和仰拱處塑性區范圍分布影響較小。總體而言，三臺階預留核心土工法開挖下隧道斷面各處塑性區范圍最為均勻。

綜上所述，從結構受力角度出發，三臺階預留核心土施工效果最佳。同時為保證計算結果的可對比性，在各類材料、圍巖力學參數相同的條件下，以6 m、12 m、18 m為臺階長度，計算三臺階預留核心土開挖工法，隧道斷面各點的豎向位移、水平位移、最大主應力、最小主應力、彎矩、軸力、塑性區范圍等力學值，對比分析發現當采用三臺階預留核心土開挖方法時，以6 m為臺階長度，工程效果最佳。

3 軟巖大變形多層支護體系研究

3.1 試驗段輔洞正做

目前隧道軟巖大變形段，抑制隧道變形多采用“柔性支護控制”理念[5]，允許圍巖變形，控制圍巖有害變形，方法有多重支護[6-7]、可縮式支護鋼架和分階段綜合控制變形等。茂縣隧道深埋軟巖大變形地段，除采用多重支護外，主要是采用分階段綜合控制變形。采用設置長短系統錨桿，利用長錨桿補強、增噴混凝土、縮小鋼架間距等方法，分階段提高支護剛性控制位移變形，使隧道趨于穩定。

施工中由于理論分析與經驗類比確定的支護措施在變形控制時存在一定的不確定性，為避免正洞施工出現大范圍支護拆換，且1號斜井洞身與正洞平行，圍巖特征與正洞非常相似，采用了輔洞正做試驗段施工，采用不同的支護方式對大變形控制進行研究分析。一采用“邊讓邊抗，先讓后抗”讓壓支護[8-9]理念，初支采用格柵鋼架柔性支護，二次支護采用 20b型鋼鋼架加強的多重支護設計。二采用“以抗為主，寧強勿弱”理念:雙層 20b型鋼鋼架或單層H175型鋼鋼架。同時施工中發現長錨桿對控制變形作用明顯，為此輔洞正做段設計為長錨桿，以對比分析不同錨桿的施工工藝及作用效果。

通過對茂縣隧道一號斜井試驗段進行的H175型鋼、雙層支護(格柵＋ 20b型鋼)、雙層支護(雙層 20b)的適應性試驗，進行數值計算分析發現:

從豎向位移控制角度出發，各支護形式相差無幾。就結構彎矩值、軸力計算結果而言，以格柵＋ 20b為初支的支護形式最優，雙層 20b型鋼為初支的支護形式次之。從塑性區分布角度出發，各支護形式相差無幾。

(1)初期支護成環越早，支護強度越大，圍巖初支接觸壓力穩定的時間越早，支護受力越合理。格柵拱架＋ 20型鋼拱架→兩層 20型鋼拱架→H175型鋼拱架圍巖接觸壓力收斂時間分別為60 d、50 d和40 d。

(2)支護剛度不足時，前期變形大，洞形差，但由于圍巖應力得到較大程度的釋放，施作的二次支護受力更加均勻且相對較小；而支護剛度較高時，初支受力均勻性得到提高，變形量小，洞形的保證度好，但此時支護受力較大，需要有足夠的強度。

(3)初支時盡快設置短錨桿，不僅能極大程度地發揮近洞周圍巖的自承能力，還能減小支護受力，且受力更加均勻。

(4)圍巖的流變特性對變形和支護受力的影響比較明顯，同時強支護、多次支護對于圍巖流變效應的控制是有效的。

根據上述結論，茂縣正洞采用了嚴重大變形段按照分部位、分工序、平衡及限時的原則采用雙層H型鋼初期支護＋長短錨桿結合的支護方案。

施工中，短臺階開挖，隧道初支要快速封閉成環，為二支施作提供空間。同時臺階法分段開挖有利于高地應力二次釋放，減小對剛性支護結構的集中破壞。一支施工長錨桿的作業時間內，根據監測數據、理論分析，在變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的時候施作二支，全斷面法跟進，一次性閉合成環。二支的閉合完整性更好，對一支局部變形失穩后的補強，與一支共同抵抗圍巖壓力，形成控制變形的整體初支。

3.2 系統錨桿作用機理及參數設置

國內外工程實例表明，長錨桿是控制深埋軟巖大變形的有效手段[10]，施工過程中為加強變形區的支護與加固效果，對變形區系統錨桿的作用機理及參數設置進行再研究，保證計算結果的可比性，在各類材料參數、圍巖力學參數等相同條件下，研究分析了三臺階預留核心土開挖工況。計算了在6 m預留臺階長度及H175型鋼為初支時不同錨桿長度下，隧道斷面各點的豎向位移、水平位移、最大主應力、最小主應力、錨桿軸力、塑性區范圍等力學值，對比分析拱頂、拱腳、邊墻、仰拱等節點計算值得出最佳錨桿長度值。

通過試驗段對高強度自脹(自鉆式)組合預應力錨桿、讓壓中空漲殼注漿錨桿、10 m/8 m普通/組合中空長錨桿、10 m/8 m自進式長錨桿進行比選[11]。通過對比分析發現，10 m/8 m自進式長錨桿、樹脂藥包錨桿兩種材料適用于目前的軟巖大變形隧道的地質條件，對大變形前期松動圈變化和后期的蠕變流變控制效果顯著。通過數據監測發現邊墻錨桿軸力明顯大于拱頂和拱肩處，并隨錨桿打入深度增加而減小，長短結合錨桿軸力3 m＋6 m最大，3 m＋10 m次之，3 m＋8 m最小。

由此說明茂縣隧道圍巖松動圈在12 m左右，根據不同錨桿組合軸力分析，并考慮松動圈影響，選擇3 m＋10 m長短結合錨桿組合支護。短錨桿采用樹脂(藥包)錨桿，長錨桿采用中空錨桿，塌孔、縮孔段采用自進式錨桿。制定了“長錨桿及后注漿為主”的變形主動控制體系，控制圍巖塑性區。利用短錨桿(小于等于4 m)施作簡便快捷進行初期變形控制，同時為長錨桿施作創造時機，長短交錯結合形成群錨效應[12-13]。

考慮到圍巖自穩能力極差和開挖后短時間內變形量急劇發展的特點，短錨桿在一支上臺階開挖后立即打設，布設于上臺階拱部132°范圍；作為初期抑制破裂面發展和膨脹變形的主要手段，在隧道近區圍巖形成加固組合拱結構，加強圍巖整體性和穩定性。長錨桿在一支噴混凝土后采用錨桿臺車打設，拱墻全部設置。鉆進、清孔、注漿一體化快速施工，一方面控制加固組合拱圍巖的變形，另一方面將加固組合拱懸吊于穩定巖體，使近、遠區圍巖協調變形，作為中后期抑制深層圍巖擠壓的主要手段。

短錨桿和長錨桿的結合，是實現雙層初支施工工藝的重要手段。快速錨固技術，實現了對圍巖裂縫發展、膨脹擠壓的快速控制。

3.3 變形量預測及設置

通過對隧道斜井大變形段數據統計，拱頂下沉隨里程變化散點圖如圖3所示，邊墻位移隨里程變化散點圖如圖4所示。中臺階變形值為兩邊收斂總值，臺階預留變形量為收斂值的一半。

圖3 拱頂下沉隨里程變化散點圖

圖4 邊墻位移隨里程變化散點圖

由圖可以看出，拱頂預留變形量為350 mm時，保證率為90%，當拱頂預留變形量為370 mm時，保證率為95%。當邊墻預留變形量為245 mm時，保證率為90%，當預留變形量為370 mm時，保證率為95%。

為此施工中對隧道正洞嚴重軟巖大變形預留變形量取值為35～45 cm。考慮斜井施工狀態及相對應正洞的支護強度差異，實際設計按40 cm考慮。其他等級預留變形量取值見表1。

表1 茂縣隧道大變形段預留變形量 cm

4 大變形段雙層支護施工

選擇契合圍巖變形時空效應的雙層初支施工技術，是大變形隧道施工變形控制的有效手段之一。隧道圍巖在開挖與初支后短時間內急劇膨脹和擠壓，支護結構和圍巖相互作用，共同變形，通過監測數據掌握變形發展規律，準確把握施作二支的最佳時機，使后續變形量不超過二支本身的屈服收縮，又可與一支共同抵抗圍巖變形應力，達到控制大變形的目的。由于二支施作的方法、時機不同，二支的閉合完整性更好，是對一支局部變形失穩后的補充，兩者形成了初支控制變形的整體。從理念上徹底解決了初支破壞后另行拆換鋼架的難題，保證了嚴重大變形段工程進度的順利推進，體現了對極高地應力下圍巖變形時空效應的應用。

4.1 一次初期支護

短臺階預留核心土法開挖上臺階，上臺階掌子面超前支護后，進行上導坑開挖，核心土長3～5 m，寬1/3～1/2隧道開挖寬度。循環進尺為1榀鋼架，開挖后立即進行混凝土初噴、鋼架架設、掛網打設鎖腳錨桿和拱部短錨桿。

沿鋼架墻腳以上不大于30 cm，緊貼鋼架兩側與豎向成30°～45°打設鎖腳錨桿，并與鋼架焊接牢固。上臺階拱部132°范圍內打設4 m以上的短錨桿、復噴混凝土。

中臺階左、右側一前一后開挖，進尺為2榀鋼架，左側提前右側2～3 m，開挖后立即進行混凝土初噴、接長鋼架，打設鎖腳錨桿，噴錨支護。下臺階開挖支護與中臺階步驟相同。隧底開挖緊跟下臺階，及時施作仰拱初支，封閉成環距離一般為25～30 m，有利于抑制圍巖變形。

4.2 二次初期支護及施作時機

整個初期支護分為兩個階段循環交替進行，一支與拱部短錨桿施工和二支與拱墻長錨桿施工。掌子面掘進四個循環后，利用專用錨桿臺車施工自進式長錨桿，錨桿長度為10 m，20根/m，完成拱墻部位錨桿鉆進、清孔、注漿工作。

利用二支支護臺架全斷面法跟進拱墻二支，墻角設鎖腳錨桿。根據監測數據、理論分析，提出在變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的時候施作二支。隧底開挖，利用初支棧橋施工二支仰拱初支。

為保證一支和二支共同作用，二支施工時機非常重要，不能等到一支全部被破壞后再施作二支，因一支破壞后圍巖會形成新的擠壓變形薄弱點，減弱整個支護結構的穩定，此時再進行二支相當于重新進行一支；不在一支的基礎上立即施作二支，是因為圍巖初始應力在開挖后短時間內會急劇釋放，施作二支也無法抵抗高地應力的擠壓。結合軟巖大變形隧道圍巖變形時空效應的規律特點，按照分部位、分工序、平衡及限時的原則施工雙層初支。經監測數據、理論分析，在變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的雙控指標作為施作二支的時機較為合理。當拱頂沉降、周邊收斂的累計變形量曲線發展到這個階段時施作二支，后續的變形量不超過二支本身的屈服收縮，又可與一支共同抵抗圍巖變形應力。現場二支施作3 d后，變形速率迅速降至0.3～1 mm/d，趨于穩定，未發現初支混凝土鼓包開裂、鋼架扭曲等失穩現象，避免了初支鋼架的拆換。

5 結論與體會

通過對圍巖松動圈研究分析，提出了雙層H175型鋼＋長短錨桿支護體系，3 m＋10 m長短錨桿交錯結合形成群錨效應，實現對圍巖裂縫發展、擠壓變形的快速控制。

采用“分部預留、先讓后抗”施工的理念進行雙層初支施工，從理念上徹底解決了初支破壞后另行拆換鋼架的難題，分析總結了變形速率低于1.5 mm/d和累計變形量達到70%的雙控指標作為施作二支的時機，保證了嚴重大變形段隧道的順利推進，滿足了施工工期的要求。

隧道初期支護穩定，隧道變形得到了很好的控制，充分驗證了雙層初期支護對軟巖大變形控制的重要作用。