高地應力軟巖隧道大變形特征與處治技術

覃子秀　林志　嚴遠方　馮萬林　吳秋軍

摘要：文章結合依托工程對高地應力軟巖隧道大變形特征與處治技術展開研究，得出如下結論：（1）大變形災害嚴重程度與地應力等級、圍巖軟弱程度高度相關，地應力越高、圍巖越軟弱，大變形越嚴重；（2）大變形災害具有變形量大、持續時間長以及空間分布不均的特點；（3）大變形災害處治應遵循“抗放結合、共同承載、動態控制”的原則，采取多項主動支護措施，降低災害影響。

關鍵詞：高地應力；隧道；大變形；施工技術；災害處治

0引言

近年來，我國公路路網向地質條件與地質環境更為復雜的中西部延伸，配套的隧道工程也因地質條件等因素逐漸向大埋深、地質因素更復雜的方向發展，復雜的工程條件帶來諸多影響隧道結構穩定性的問題。

目前，學者們針對高地應力軟巖大變形災害開展了大量研究工作，深入地認識了大變形特征與變形控制技術。趙瑜等［1-2］結合數值模擬手段，對高地應力軟巖隧道大變形特征進行了分析。朱朝佐等［3］結合分段施工工藝，提出了采用格柵縱向連接形式以提高支護結構縱向整體性的方法。張宏亮等［4］分析比對了武都西隧道大變形多種施工方案，認為應力釋放至一定程度后及時施作二襯可有效解決大變形問題。盧陽［5］結合文筆山隧道大變形處治成功案例，提出了“因隧制策，動態調整”的施工原則。

另外，也有學者認為高地應力軟巖隧道施工應采取“強支護”措施對抗圍巖變形，但這并不適用于所有等級的大變形災害，容易對現場施工產生誤導。

本文根據高地應力軟巖隧道大變形特征，結合依托工程，對變形控制技術進一步探索與研究，以期形成成套處治技術，解決高地應力軟巖隧道大變形控制技術難題。

1 高地應力軟巖隧道大變形特征

1.1 工程背景

木寨嶺特長隧道全長15 km，最大埋深為629.1 m，穿越木寨嶺，溝通西南地區與甘肅及西北地區。隧址區地質環境極其復雜，地處秦嶺構造帶，工程開展極具挑戰，在建設期間發生了強烈的大變形災害。

1.2 地應力高且圍巖軟弱

現場開展了地應力測試工作。結果表明，隧址區以水平主應力為主，垂直主應力較小。發生大變形前最大水平主應力與最小水平主應力值為20～40 MPa，垂直主應力一般小于水平主應力，量值為10～20 MPa。

另外，木寨嶺隧道穿越斷層破碎帶，巖體破碎，構造作用強烈，鏡面結晶。下第三系主要以泥巖夾砂巖為主，V級圍巖分布范圍較廣，地下水與區段內斷裂構造發育。洞室開挖后，大變形段巖體呈碎塊狀、粉末狀。

1.3 變形量大

隧道開挖后，受高地應力與軟弱圍巖共同作用，初支變形量極大。工程監測數據顯示［6-7］，軟弱圍巖洞段拱頂沉降量可達數十毫米，而在圍巖極軟弱，如斷層破碎帶或巖石單軸抗壓強度極低的洞段，拱頂沉降量可達米級。

部分輕微變形區鋼架連接處發生扭曲變形折斷，并向內側侵入20 cm；較大變形區則侵限嚴重，初支邊墻嚴重變形，鋼拱架發生錯位，變形輪廓線與設計輪廓線相距達60 cm；嚴重變形段仰拱開裂嚴重并向上隆起，隆起高度達1.5 m。

1.4 變形持續時間

受高地應力與軟弱圍巖控制，隧道圍巖初期變形速率極快，一般15 d可完成大部分變形，如下頁圖1所示。在初期變形后，變形一般等速發展，少見加速發展甚至呈現不收斂的趨勢，均反映軟弱圍巖顯著的流變特性。

已發生大變形洞段在及時支護后仍會出現持續變形現象，持續時間可達數月，最終因變形量過大導致支護損壞嚴重而進行換拱。

1.5 變形空間分布不均

現場高地應力軟巖大變形災害較為嚴重，隧道在縱向上可分為四大區域：

（1）基本穩定區：該洞段初支基本穩定，拱頂沉降為50～100 mm，水平收斂值為20～50 mm。

（2）輕微變形區：該段初支發生輕微變形，拱頂沉降為150～250 mm，水平收斂值為100～200 mm。

（3）較大變形區：該段初支發生較大變形、仰拱開裂，多分布在埋深較大區域，拱頂沉降為250～350 mm，水平收斂值為150～300 mm。

（4）嚴重變形區：該段初支侵限嚴重、仰拱隆起、二襯開裂，多分布在埋深600～700 m段，少數埋深較小。該段拱頂沉降達500～1 150 mm，水平收斂值為450～900 mm。

2 大變形處治技術

如果變形控制技術體系不完整，出現大變形災害后，處理措施過于簡單，容易導致措施失效，引起嚴重后果。本文調研國內外大量工程案例，歸納總結形成如下大變形的災害處治技術。

2.1 超前釋放地應力

勘察設計階段可通過水力壓裂等地應力測試手段對施工全域地應力水平進行評估，結合地應力反演等方法明晰施工洞段地應力分布規律。對地應力較高，或高地應力較集中區域采用超前導洞鉆孔卸壓法、松動爆破卸壓法、開掘卸壓巷道法等超前應力釋放手段釋放一部分圍巖應力，讓應力峰值向圍巖深部轉移，降低正洞施工過程中的變形，見圖2。

2.2 超前支護

圍巖與襯砌結構具有強相互作用，初期支護的大變形主要由圍巖的大變形引起，應采取圍巖加固措施以充分發揮圍巖自承能力。

2.2.1 超前錨桿加固

錨桿直徑可取20～25 mm，長3～4 m，環向間距為0.4～0.6 m，仰角為10°～15°，可采用有壓注漿錨桿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

2.2.2 小導管超前注漿加固

鋼管直徑可取40～50 mm，長度為3～5 m，環向間距為0.3～0.5 m，高壓注漿加固，注漿壓力可取1～2 MPa。

2.3 優化斷面形狀

監測數據顯示，圍巖變形速率較大或變形潛勢大時，應對斷面形狀進行優化，如采取增加仰拱厚度、加大仰拱曲率、選用圓形斷面等措施，或根據地應力特征，如最大主應力與隧道軸線夾角等，采用非對稱斷面等方法調整斷面形狀。

2.4 加強初期支護

隧道開挖后應及時施作“主動支護”以控制圍巖變形，且應快速封閉成環。初期支護的強化工作可從以下方面開展。

2.4.1 噴混凝土

為避免發生大變形災害，可增加噴混凝土厚度、提高噴混凝土等級，或在噴混凝土內摻加各類纖維（鋼纖維、維尼綸纖維）、專用聚合物等。

2.4.2 多層初期支護

勘察設計階段判定存在中等或強烈大變形災害時，可設置多層初支并在每兩層間設置預留變形區以保證施工安全。

2.4.3 系統錨桿

可通過“長短結合”的布置方針設置系統錨桿。可在拱墻處布置25 mm×5 mm中空注漿錨桿（長度為4 m）、51 mm×8 mm自進式錨桿（長度為9 m），在隧底處布置76 mm×6 mm鋼花管（長度為6 m），在拱腳處布置108 mm×6 mm鋼花管（長度為9 m）。

2.4.4 鋼筋網片

在噴混凝土中布置菱形鉸接金屬網，在增加支護能力同時允許圍巖適當變形。

2.4.5 強化鋼拱架

根據大變形嚴重情況加密或增設不同規格的單層或多層閉合鋼拱架支護，以提高支護剛度；也可采用可壓縮的U型鋼拱架或H型鋼，或可壓潰式接頭，在開挖初噴3～5 cm厚的混凝土后架設，再用噴混凝土填滿并覆蓋。

2.4.6 布設預應力錨桿（索）

恒阻大變形錨桿是有效控制高地應力軟弱圍巖大變形的支護措施［8］，其原理是依靠負泊松比（NPR）材料在拉伸時環向面積增大，提供恒定阻力以抵抗圍巖變形。

在大變形洞段，以預應力錨桿代替部分傳統錨桿可增加初支支護能力。負泊松比（NPR）恒阻大變形錨桿參數如表1所示。

2.5 加強二次襯砌

大變形洞段圍巖荷載應由初支與二襯共同承擔。為降低大變形災害影響，可采取如增加二襯厚度至60 cm、提高一級混凝土等級等措施。

2.6 臨時支護

現場出現圍巖變形速率大、現場條件受限而無法施作加固措施時，可采用木支撐或型鋼進行臨時支護。

2.7 預留變形量

兩車道隧道可設置150～500 mm的預留變形量，允許圍巖發生變形。預留變形量應根據大變形潛勢選擇。

3 大變形處治技術現場應用

3.1 處治方案

為有效、安全地處治大變形災害，經現場監測與專家論證，提出“兩階段”處治對策：對大變形災害較輕微及后續變形潛勢較小的洞段采用一階段處治方案，即加強支護、加深加大仰拱曲率；對已出現仰拱隆起，二襯崩潰的較大、嚴重大變形段，采用二階段處治方案，即在換拱后采用聯合支護措施加強支護結構。處治全過程遵循“抗放結合、共同承載、動態控制”的原則。

3.2 一階段處治措施

基本穩定區及輕微變形區圍巖狀況較為樂觀，處治措施以“抗”為主，采取主動式（柔性）和被動式（剛性）相結合的方式，主要加強初期支護強度、加深加厚仰拱。具體措施及參數如下：

（1）加大鋼架、加密間距、強化接頭連接：為增強初支支護抗力，加強縱向連接能力，將鋼拱架型號提升至I22b，縱向布置間距加密至0.6 m，并在縱向設置I16工字鋼菱形連接。

（2）增強鎖腳：增設4根長6 m的鎖腳鋼架。

（3）加大預留變形量：增加預留變形量至50 cm，并加強變形監測。

按上述方案采取措施后，輕微變形區拱頂沉降與水平收斂逐漸穩定在100 mm左右，輕微大變形得到有效控制。

3.3 二階段處治措施

在較大變形區與嚴重變形區，支護系統已基本失效，二襯崩裂、初支侵限嚴重、仰拱隆起。換拱作業挖除侵限巖體后經評估認為一階段處治措施已無法滿足支護需求。

基于施工期與營運期安全、耐久考慮，制定“分段分級處治”的施工方案，采取“雙層初期支護+長短錨桿結合+預留補強空間”的處治措施。具體措施及參數如下：

（1）超前支護：在拱部150°范圍設置4根長900 cm89 mm的中管棚，環向間距為40 cm，搭接長度為300 cm。

（2）雙層初支：第一層厚度為31 cm、第二層厚度為27 cm的C25噴混凝土結構，并在初支的拱、墻部設置雙層8 mm，規格為150 cm×150 cm的鋼筋網片，以增加初支延性。

（3）加深加厚仰拱：挖除隆起侵限的仰拱后，重新施作厚度為70 cm的C35鋼混仰拱。

（4）強化鋼拱架：在一階段處治的基礎上提高鋼拱架型號至I25b，并設置雙層鋼拱架。

（5）長短結合系統錨桿：拱墻處布置25 mm×5 mm中空注漿錨桿（長度為4 m）、51 mm×8 mm自進式錨桿（長度為9 m），在隧底處布置76 mm×6 mm鋼花管（長度為6 m），在拱腳處布置108 mm×6 mm鋼花管（長度為9 m）。

如圖3所示為按上述方案采取措施后，支護結構的變形持續監測數據。由圖3可知，第一層初支變形量依舊較大，但第二層初支變形量較小且趨于收斂，大變形得到有效控制。

3.4 其他處治措施

發生大變形災害后，經專家論證對后續洞段采用微臺階法開挖工藝快速封閉成環，同時采用“隧道管樁+長錨桿采取大型三臂錨桿臺車+潛孔鉆機施工”的施工工藝，以控制后續洞段變形。

4 結語

高地應力軟巖隧道施工期間易發生大變形災害，但致災過程較為緩慢。本文結合依托工程對大變形災害展開研究，得到以下主要結論：

（1）大變形災害初期來壓極快，圍巖變形速率較高，且在縱向分布不均。若未及時采取有效措施，施工洞段支護措施極易在初期因變形過大而失效，造成極大損失。

（2）發生大變形災害洞段圍巖變形周期較長，治理后仍需進行長期監測，以確保施工安全。

（3）大變形災害處治應“分段分級”，大變形等級較低時應以增強支護抗力為主，等級較高時應遵循“抗放結合、共同承載、動態控制”的原則，允許圍巖充分釋放變形能，控制其不發生有害變形。

（4）多層初期支護+長短結合系統錨桿的支護方式能有效控制大變形，可作為主要支護措施供其他工程參考。

參考文獻：

［1］趙 瑜，李曉紅，盧玉義，等.深埋隧道圍巖應變軟化模型參數的正交設計［J］.重慶大學學報，2008（7）：716-719，729.

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［3］朱朝佐，謝文清.硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術［J］.現代隧道技術，2017，54（3）：190-194.

［4］張宏亮，姬 猛.武都西隧道軟弱圍巖大變形段支防控制技術［J］.公路交通科技（應用技術版），2015，11（8）：130-131.

［5］盧 陽.高地應力作用下文筆山隧道軟巖變形特征與機制研究［D］.湘潭：湖南科技大學，2020.

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［7］丁彥杰.蘭渝鐵路木寨嶺隧道長期變形監測研究［J］.鐵道建筑，2022，62（2）：123-126.

［8］陶志剛，韓 惠，明 偉，等.新型NPR錨桿支護系統抗動力沖擊試驗研究［J］.煤炭學報，2023，48（5）：2 008-2 021.

作者簡介：覃子秀（1986—），高級工程師，主要從事高速公路建設管理工作。