炭质板岩大变形隧道施工控制技术

周彦雄

(中铁十一局集团 第四工程有限公司，湖北 武汉 430074)

1 工程简介

毛羽山隧道位于甘肃省宕昌县临江铺和龚家沟之间，起讫里程为DK277 +312 ～DK285 +816，设计时速为200 km。隧道洞身通过的地层主要为第三系砾岩夹砂岩夹泥岩及三叠系中统板岩夹砂岩夹灰岩及断层角砾和碎裂岩。斜坡及坡顶覆盖有第四系全新统坡积细角砾土和上更新统风积砂质黄土。毛羽山隧道全长8 504 m，为双线铁路隧道。

2 变形特点

根据甘肃省地震局测量结果显示，甘肃岷县至武都之间大部分山体都存在高地应力，而毛羽山隧道位于此段内，属于软岩高地应力隧道。此隧道的软弱围岩在高地应力的作用下发生挤压大变形，初期支护拱架出现严重扭曲变形、喷射混凝土开裂。大变形给施工带来了较大的安全隐患。毛羽山隧道受高地应力软岩影响变形主要有以下特点:

(1)变形速度快。监控量测结果显示，DK285 +188 断面，上台阶在喷射混凝土4 h 后，受围岩破碎、裂隙水发育和高地应力共同影响，拱顶处拱架发生扭曲，拱顶沉降110 mm，拱脚处单侧收敛达300 mm。

(2)累计变形量大。在DK285 +178 断面，水平收敛单侧累计为1 200 mm，拱顶沉降累计为540 mm;在DK285 +170 ～DK285 +120 段拱顶累计下沉平均为450 mm，边墙收敛平均为850 mm。

(3)变形持续时间长。板岩开挖后受裂隙水发育等因素的影响使得围岩强度降低，并受高地应力的影响，发生挤压变形，开挖后应力重分布与变形收敛持续时间长。部分段落仰拱施工完成后，边墙变形收敛仍在继续，拱架连接板处挤压变形严重。其中在DK285 +160 ～DK285 +150 段由于初期支护变形严重，侵入二次衬砌后采取了全断面拆除换拱，围岩应力二次重分布，换拱后大约20 d，换拱采用的I22b 型钢拱部再次发生扭曲、混凝土开裂掉块，可见变形持续时间较长。

3 控制变形措施

面对毛羽山隧道高地应力软岩大变形的情况，施工中从隧道设计原理出发，运用柔性结构设计和刚性结构设计原理，分别对初期支护柔性结构和二次衬砌刚性结构采取了较多的控制大变形的施工措施来控制变形;同时还采用了超前小导洞应力释放和预留空间释放法等这些国内罕见的隧道施工措施。

3．1 初期支护柔性结构控制变形技术

3．1．1 加强型钢支护参数

毛羽山隧道出口DK285 +324 ～DK285 +150 段，受大变形影响，预留变形量依次预留为80 mm→150 mm→300 mm→400 mm→700 mm，部分段落预留变形量甚至预留为1 000 mm，施工中发现仅靠放大变形量仍不能避免初期支护侵限，反而加大了变形速率，因为此举造成开挖断面面积增大，变形加剧。其中DK285 +324 ～DK285 +315 全断面、DK285 +290 ～285 +273 上台阶右侧，DK285 +251 ～DK285 +263 右侧半环和DK285 +224 ～DK285 +165 左侧半环共计97 m 都出现不同程度的侵限，造成初期支护拆除换拱。当然在加大预留变形量的同时，也使初期支护的参数逐渐加强。加强支护参数后，使得变形速率有所减小，边墙平均收敛由90 mm/d 减小到50 mm/d。支护参数调整如表1。

表1 支护参数调整表

3．1．2 长锚杆注浆措施

单一依靠提高型钢的支护强度来控制变形，效果并不明显。根据毛羽山隧道出口DK285 +200 ～DK285 +177 段围岩松动圈实验测得，板岩受爆破影响之后，会使得围岩产生一个松动效应，这个松动效应叫松动圈，测得松动圈约为6 m，未扰动带的位置基本在自凌空面向未爆破围岩6 m 以外的位置。按照双线隧道Ⅴ级支护参数，锁脚锚杆和系统锚杆长度都为4．0 m，打入围岩后没有穿过围岩松动区，即使采取注浆措施也难以发挥锚杆应有的抗拉作用。故在施工中将拱部长4．0 m 的组合中空锚杆长度调整为6．0 m，边墙长4．0 m 的全螺纹砂浆锚杆长度调整为8．0 m，并将长4．0 m 的锁脚锚杆调整为长6．0 m 的R32N 自进式锚杆。调整锚杆长度后，使得锚杆穿过围岩松动区而进入未扰动带，有效发挥长锚杆抗拉作用，并规范安设锚杆垫板、螺栓等，再根据变形情况适时对锚杆进行注浆作业。

3．1．3 双层初期支护措施

受变形持续时间长等因素的影响，二次衬砌不能过早施工，防止大变形挤压造成二次衬砌受力过大而出现开裂，因此在第一层初期支护施工时，适当预留第二层初期支护空间，当第一层初期支护变形到一定程度时，为防止变形进一步加快侵入二次衬砌空间，施作第二层初期支护来加固。第二层初期支护支护参数一般比第一层初期支护参数弱。毛羽山隧道DK285 +117 ～DK285 +112 段，初期支护第一层采用H175 型钢，0． 6 m/榀，施工后发现H175 型钢拱部拱架扭曲，部分处甚至折断、喷射混凝土出现脱落，造成初期支护失去稳定性，此时第一层初期支护并没有侵入二次衬砌空间，现场及时施工第二层初期支护，采用I18 型钢，间距为1．0 m/榀。监控量测结果显示，在DK285 +114．0 断面处，施作第二层初期支护后，第二层支护拱顶累计下沉66 mm，边墙累计收敛为44 mm，变形基本可控，同时也提高了二次衬砌的质量。

3．1．4 根据量测结果合理预留变形量

在一般隧道施工中，由于变形较小，可采用全断面等值预留变形量法，采用两台阶或三台阶法施工时，拱脚处变形不大，拱架接头连接板处连接平顺，受力较好。但在毛羽山大变形隧道施工时，采用三台阶法施工，上台阶施工完后，2 ～3 d 后施工中台阶，此时上台阶拱脚单侧收敛量大约为200 mm，如果初期支护采用全断面等值预留变形量，会造成拱架接头不平顺，连接板张口，受力较差，钢架接头处后期变形较大，混凝土开裂较严重。故需预留合理的变形量来防止此类现象的发生。在DK285 +110 ～DK285 +095 段施工中，采用上台阶拱部预留400 mm，拱脚部位预留600 mm，中台阶预留400 mm，下台阶预留300 mm 的全断面不等值动态预留法，取得了较好的效果，整个拱架虽然受挤压，但弧度平顺，受力较均匀，不会因接头处发生应力集中造成拱架严重变形。

3．2 仰拱和二次衬砌刚性结构控制变形技术

对于这类大变形隧道，确定合适的时机施作二次衬砌，能够有效的阻止因高地应力释放持续时间长造成二次衬砌开裂。根据毛羽山隧道的施工来看，当收敛速率小于4 mm/d 时，便可施作二次衬砌，此时二次衬砌予以加强，厚度由设计的500 mm 调整为600 mm，环向主筋由Φ22 调整为Φ25。毛羽山隧道DK285 +120 ～DK285 +060 段采取二次衬砌紧跟和加强的措施避免了初期支护的拆除换拱。

4 特殊施工方案

4．1 超前小导洞应力释放法

受高地应力的影响，应力释放时间长使得变形持续时间长。因此在DK285 +150 ～DK285 +120 段采用了超前小导洞施工方案，以便在正洞扩挖之前释放部分应力，使得初期支护所受到的应力降低。导洞位置距离开挖拱顶2．5 m，开挖尺寸采用7．6 m(宽)×4．5 m(高)曲墙断面形式。导洞支护参数采用I20b型钢，间距为1．0 m/榀，网喷C25 混凝土厚度27 cm，锁脚锚杆采用长2．0 m 的全螺纹砂浆锚杆，小导洞采用全断面施工法施工。施工顺序为小导洞开挖支护→小导洞支护拆除→正洞扩挖→正洞初期支护→正洞仰拱→正洞仰拱填充→正洞二次衬砌。

小导洞长度为30 m，导洞施工完成后，开始进行正洞扩挖，正洞扩挖采用设计参数为:H175 型钢，间距为0．5 m;预留变形量为40 cm，采用双层网片，锚杆拱部长为6．0 m，边墙长为8．0 m;采用三台阶法扩挖。正洞扩挖完成后，选取6 组小导洞对应正洞断面分析得到数据，见表2 试验段正洞扩挖变形速率和表3 非验段正洞变形速率。

表2 试验段正洞扩挖变形速率 mm/d

表3 非验段正洞变形速率 mm/d

通过表2 和表3 对比发现，有无超前小导洞对正洞拱顶沉降影响不大，但对正洞边墙水平收敛影响较大，设置超前导洞时正洞上台阶水平收敛变形速率仅为不设置超前导洞0．3 ～0．5 倍，中台阶水平收敛变形速率仅为0．5 ～0．7 倍。分析结果表明，采用超前小导洞施工，正洞扩挖变形速率明显减小，说明超前小导洞应力释放有效降低了正洞的高地应力，释放部分应力后使得正洞扩挖时变形速率减缓，避免了初期支护在短时间内侵入二次衬砌，为二次衬砌施工赢得了时间。

4．2 预留空间释放法

毛羽山隧道在DK285 +094 ～DK285 +079 段采用了预留空间法施工技术，来研究双线高地应力软岩大变形隧道的控制措施。预留空间应力释放法隧道结构由六部分组成:①柔性网构护罩;②预留释放空间;③初期支护;④初期支护预留变形空间;⑤初期支护预留结构补强空间(试验时采用，完成研究后，可通过调整柔性网构护罩或初期支护预留变形空间的大小，实际施工时取消该部分);⑥二次衬砌。如图1。

该工法作用机理:①通过柔性网构护罩保护隧道安全开挖掘进，初期支护滞后施作;②柔性网构护罩与初期支护间设置预留空间，利用柔性变形原理，挤占预留释放空间;③通过预释放应力作用，使初期支护结构变形可控，完全达到不拆换钢架的目的;④应力释放后，初期支护受力在一段时间内受高地应力降低，从而变形速率降低，保证二次衬砌质量。

为检验试验效果，试验阶段在2、6 和10 m 处布设量测点，通过量测结果发现，经过第一层柔性支护的释放，第二层初期支护的变形明显减小，其变形量仅占第一层变形量的25%左右，对控制变形起到了较好效果，达到了试验目的。具体数据见表4。

表4 预留空间释放法变形数据 mm

但在施工过程中发现，施工工序转换频繁，现场工效较低，存在一定的安全风险。由于第一层柔性支护采用格栅拱架，喷射混凝土与拱架结合密实，结合体早期强度基本能够抵抗住围岩压力，开裂处较少，但格栅拱架连接板采用的是角钢，受力面积较小，施工中下台阶时，线路右侧角钢连接板被挤压变形严重，导致接头处受力不均匀，连接板部分处“外鼓”。

图1 预留空间释放法结构图(单位:cm)

5 结束语

对毛羽山隧道的高地应力软岩控制技术仍在研究探索中，但从目前的研究情况可知:

(1)高地应力软岩隧道受围岩破碎、裂隙水发育等因素的影响，使得初期支护出现较大的变形，其内因是高地应力和软岩，外因是扰动大、支护强度不足、裂隙水发育和二次衬砌施工滞后共同作用的结果。

(2)采用的一系列施工措施并观其结果可知，毛羽山隧道采用新奥法施工时，尽量减少对围岩的扰动，采用提高初期支护整体强度来“扛住”围岩对其整体压力;采用长锚杆注浆加固控制变形;合理预留变形量、加强二次衬砌参数和采用超短台阶法施工并快速封闭来防止变形等常规措施都是控制隧道大变形的施工方法。

(3)超前小导洞应力释放法和预留空间释放法试验结果表明，对于降低正洞变形速率起到了较好的效果，能够加快围岩施工应力场平衡趋势。

(4)毛羽山隧道高地应力软岩大变形研究，为此类隧道施工提供技术参考，还将对隧道施工技术的发展产生深远的影响。