高地应力大断面软岩隧道开挖技术研究

陈 亮，陈寿根，杨家松

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031;2.中国中铁二局第二工程有限公司，成都 610091)

高地应力大断面软岩隧道开挖技术研究

陈 亮1，陈寿根1，杨家松2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031;2.中国中铁二局第二工程有限公司，成都 610091)

以锦屏二级水电站引水隧洞工程为依托，对高地应力大断面软岩隧道的开挖技术进行探讨，认为开挖方法的选择、掌子面预支护的布置、弱爆破参数控制、相关监测技术的应用这4个方面是软岩隧道开挖必须重视的地方。锦屏引水隧洞软岩段的开挖，证明了在采用合理的掌子面预支护措施后，可以实现大断面(112 m2)开挖，其开挖进度比分块施工快，且施工组织方便灵活、成本也相对较低。

高地应力;软弱围岩;大断面隧道;掌子面预支护;弱爆破;信息化施工

软弱围岩的自支护能力较弱，甚至没有自支护能力。尤其是高地应力条件下，在软岩围岩中开挖极易导致掌子面挤压变形并发生塌方［1］，严重威胁施工人员安全并且延误工期，据有关部门对软岩隧道施工的不完全统计，软弱围岩隧道的安全事故中，掌子面变形塌方占达33%。主要有2个方面的原因，一是客观上地质环境的复杂性，二是主观上技术措施、施工方法及工艺、现场管理等原因［2］。近年来，软岩隧道施工控制变形塌方一直是困扰工程界的难题，以锦屏二级水电站引水隧洞软岩段施工为依托，就高地应力大断面软岩隧道的开挖技术展开探讨。

1 工程概况

锦屏二级水电站(装机容量480万 kW，)位于四川省凉山州雅砻江的锦屏大河湾上，截弯取直，开凿4条引水隧洞引水发电，隧洞横穿锦屏山脉，位于已建二级水电站辅助隧洞线北侧(图1)，洞线平均长度约16.67 km，洞径13～14.6 m，断面形状为三心圆马蹄形，主要采用钻爆法和TBM法施工。引水隧洞上覆岩体一般埋深1 500～2 000 m，具有埋深大、洞径大的特点［3］。

引水隧洞软岩段主要揭露里程为引(1)1+536 m和引(2)1+613 m，该段埋深1500～1800 m，受区域地质构造的影响，最大地应力40～50 MPa。围岩以绿泥石片岩为主，Ⅳ～Ⅴ级，结构面结合性较差，岩石完整性较破碎。完整的绿片岩在干燥条件下单轴抗压强度为38.8 MPa、饱和时为19.7 MPa，软化系数小于0.5。现场实测强度小于5 MPa，呈松散状，极易软化成泥。围岩强度应力比0.5～0.9，处于极高地应力区，属于典型的工程软岩［4-8］。考虑4%的预留变形量后的开挖洞径为13.8～14.6 m，隧道开挖揭露的典型绿片岩如图2所示。

图1 锦屏引水隧洞布置(单位:m)

图2 现场绿片岩照片

2 开挖方法

图3 不同开挖方法时塑性区分布

目前软岩隧道常用的开挖方法主要有:CD法、CRD法、侧壁导洞法、三台阶法等，可有效保证施工安全。锦屏引水隧洞最大断面面积172.3 m2，属于超大断面隧洞，隧洞的开挖方法对掌子面的稳定性、施工工期等有着重要的影响。采用FLAC3D对上下台阶法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法这4种方案进行了模拟，塑性区分布结果显示如图3所示，上下台阶法开挖后塑性区分布范围最大，达8～10 m，且掌子面核心存在大片的受拉破坏区，CD法和CRD法开挖后塑性区半径为6 m左右，双侧壁导坑法在掌子面开挖后塑性区半径5～6 m。

由于软岩洞段工程量非常大、合同工期不允许延长，同时要确保长系统锚杆(9m)的施工质量，达到既安全又相对快速地组织施工。CD法、CRD法和双侧壁导坑达到了安全施工的目的，但是要求工期较长，并且需要大量的临时支护，造价高，开挖后也无法提供足够的作业空间以施工9 m长系统锚杆。尽管上下台阶法开挖对围岩扰动较大，但其工期短、造价低，还能保证后续支护的施工质量，因此，工程在引入“新意(大利)法”理念后确定了采用上下台阶法的开挖方案，即对掌子面实施预支护后进行开挖，同时做好相关监测数据的及时反馈以指导优化开挖参数，通过试验段的开挖，结果表明对掌子面前方的软弱围岩实施预加固措施后，仍维持台阶法大断面开挖是完全可行的。工程实现上台阶开挖高度9.5 m，开挖面积达112 m2。

3 掌子面预支护

常见的超前支护措施有超前锚杆、超前小导管、管棚、注浆加固、人工冻结、玻璃纤维锚杆等，注浆加固和人工冻结常用于砂、粉土等地层，由于其造价高且见效慢，较少应用于软岩隧道的施工。管棚施工需要另设专门的管棚室且成本较高，因此多数隧道工程仅在塌方段采取管棚措施。

针对软岩隧道掌子面的支护分为2种，首先是拱顶范围的超前支护，可采用超前锚杆(小导管);其次是对掌子面核心区的超前支护(也称为预加固)［5-6］，可采用玻璃纤维锚杆。当围岩完整性较好时可只进行拱顶的超前支护。锦屏引水隧洞软岩段主要采用了超前锚杆和玻璃纤维锚杆的预支护方式。预支护方案为:顶拱150°范围布置超前锚杆或小导管，环向间距30～40 cm，搭接长度不小于 2 m，外插角 5°～10°。在局部围岩易坍方洞段增加布置第2排超前锚杆或小导管，外插角30°～45°，环向间距30～40 cm。掌子面爆破开挖后，视正向掌子面围岩破碎情况可喷射5～10 cm厚CF30(硅粉)钢纤维混凝土封闭，掌子面不能保证稳定时可增设随机玻璃纤维锚杆，采用三臂台车造孔，人工注浆安装。预支护设计详见图4。

采用FLAC3D对超前锚杆长度进行优化分析，如图5所示，掌子面拱顶处沉降随着超前锚杆长度增加相应减小，但减小速度减缓。超前锚杆长度超过10 m后对掌子面位移影响不明显，由于长锚杆施工对造孔要求较高，在考虑耗时和成本的情况下可选择采用6～8 m长的超前锚杆，围岩情况较好或者进行了掌子面核心区预加固后，超前锚杆长度可适当取短，但不应小于4 m。

图4 超前支护示意(单位:cm)

图5 掌子面位移云图及超前锚杆长度对拱顶位移的影响

图6 上台阶掌子面玻璃纤维锚杆计算模型及结果

采用FLAC3D对上台阶掌子面施做不同长度和间距的玻璃纤维(GFRP)注浆锚杆进行模拟。计算模型及结果见图6，掌子面位移随着GFRP注浆锚杆长度增大而减小，但减小速度逐渐变缓;掌子面位移随设置间距的增大加速增大。GFRP注浆锚杆长度小于6 m时，其间距改变对掌子面位移影响不显著;间距大于1.5 m时，GFRP注浆锚杆长度改变对掌子面位移影响不显著。因此GFRP注浆锚杆长度可取为4～6 m，间距1～1.5 m。下台阶开挖需注意边墙围岩的稳定，防止变形过大引起上台阶二次变形，同样采用 FLAC3D对下台阶掌子面GFRP注浆锚杆长度进行优化分析，计算结果如图7所示，可以看出当长度超过6 m时，边墙最大位移不再有明显的降低，因此，GFRP锚杆长度同样可取为4～6 m，向外斜插角度可取30°～45°。

图7 下台阶掌子面玻璃纤维锚杆计算结果

4 弱爆破技术

弱爆破法并不是与传统爆破方式迥异的全新爆破技术，而是在具体的隧洞掘进施工中为防止扰动围岩诱发坍方而采取的一种轻微爆破方式，即主要是以降低对围岩扰动和减小松动圈范围为目的的爆破方式［9，10］。软弱围岩对隧道爆破要求较高，规范上作了明确规定要采取弱爆破、短进尺。实际操作中需结合松动圈检测及爆破振动监测，从尽量减少爆破对围岩的扰动出发，使爆破引起的振动速度尽量低及产生的松动圈范围尽量小。锦屏软岩段弱爆破设计如图8所示，遵循弱爆破设计原则:“浅眼、多孔、多段、少药、大时差”。

图8 掌子面弱爆破设计(单位:cm)

浅眼——即规范要求的短进尺，一般炮孔设计控制在0.5～1.5 m，如果围岩等级Ⅳ级可放宽到1.2～1.5 m，当围岩等级为Ⅴ级时，孔深应控制在0.5 m。

多孔——多孔并均匀地分布在断面上。总药量不变，孔多分到各孔装药就少，再结合分段以达到降低振动之目的。孔网参数上主炮孔间距控制在0.8～1.2 m，周边孔按光面爆破参数设计;掏槽孔采取斜眼掏槽时，V形掏槽夹角控制在60°～70°，掏槽孔间距控制在80～100 cm，掏槽对数控制在4～6对即可。

少药——各孔应合理装药，不能过量装药，对软弱围岩原则上是以机械方式开挖，必要时才爆破作业，因此除非必须爆破，也要遵守少药原则，以达到松动爆破为目的，严禁产生加强爆破或抛掷爆破效果。炸药单耗控制在0.35～0.6 kg/m3。

多段——振动与齐爆装药量有关，从有利于减少振动出发，理论上一孔一段较好，使之产生的振动不叠加。但由于火工产品属地管理，一般民爆公司难以就近采购到上百段雷管，故在起爆网路设计时，通常一个段装入多个孔。原则上要15个段及以上，采用普通非电雷管系列。

大时差——在工程爆破中，需要做到振动波峰尽量不叠加或不能有多个波的最大值产生叠加，因此往往考虑段间时间拉大，通常要根据振动监测确定，时差要大于主振周期的2.5倍能保证不叠加。如果没有监测资料，在爆破设计时掌握:ms10段以下按 ms1、ms3、ms5、ms7、ms9来安排，并且同段起爆孔数不宜多，尤其是ms1、ms3段，容易产生叠加，出现最大振动速度。ms1段上孔数不超过4个孔，其余段不宜超过6孔;在ms10段以上时可以连段使用，同段起爆的炮孔也可以逐渐增多，因为高段雷管有同段干扰效应——制造误差Δt影响，即便是多个同段，通过大量监测时程曲线表明，振动几乎不叠加，各自独立。

5 相关监测技术的应用

为了保证隧洞的顺利开挖，并对开挖后工程质量和围岩稳定性等做出准确的评估，需要采用适当的检测、监测及量测等辅助措施为设计和施工提供有利的指导。尤其是高地应力软岩大断面隧洞工程，开挖的顺利与否对施工安全性、工程质量、工期和经济效益等有着非常重要的影响。就开挖而言，除规范规定的必测项目外，针对软岩隧道的施工，在条件允许的情况下应进行松动圈检测、爆破振动监测及断面扫描量测。

松动圈检测可确定地下洞室受爆破开挖的影响而形成的爆破松动区的深度，以对围岩稳定及开挖质量进行评价，验证支护参数的合理性［11］。锦屏引水隧洞软岩段松动圈检测采用单孔声波法，测点布置于拱顶、左右拱肩及左右边墙。图9为典型松动圈检测成果。通过爆破振动监测，可指导优化弱爆破参数设计，锦屏引水隧洞软岩段采用了 Minimate Blaster型爆破振动监测仪，图10为典型的质点振动监测结果，通过对比常规爆破和弱爆破，发现采用弱爆破措施能明显减低质点振动速度，降幅达30% ～80%，对稳定围岩和减小松动范围具有一定的作用。断面扫描仪主要用于对隧洞开挖后的断面进行量测，以确定超挖或欠挖工程量，同时，其测量结果还可用于判断隧洞围岩的变形程度，即通过将测量数据与设计开挖断面对比，可确定围岩变形是否侵限及洞周各测点侵限值的大小，并可为预留变形量的确定提供一定的参考［12］。

图9 典型松弛深度检测成果

图10 质点振动频率

6 结语

高地应力大断面软岩隧道的开挖应重视开挖方法、掌子面预支护、弱爆破、信息监测这4个方面。开挖方法应结合现场施工条件、对围岩的影响程度、工期及成本等多方面进行考虑，掌子面预支护是保证顺利开挖的关键，弱爆破是手段，同时在开挖过程中应结合多种监测结果进行对比分析以达到优化开挖参数与完善施工方案的目的。锦屏引水洞是非常典型的高地应力大断面隧道(洞)工程项目，其1号、2号引水隧洞软岩段的开挖均贯彻了“新意法”的施工理念。实践表明，通过合理的超前预支护措施可以实现软岩隧道的大断面开挖，其开挖进度比分块施工快，且施工组织方便灵活、成本也相对较低。锦屏引水隧洞的成功经验对软岩隧道施工具有较大参考价值。

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Discussion on Excavation Technologies of Tunnel with High Ground Stress and Large Cross-section in Soft Rock

CHEN Liang1，CHEN Shou-gen1，YANG Jia-song2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.The 2nd Engineering Co.，Ltd.，China Railway NO.2 Engineering Group，Chengdu 610091，China)

Excavation technologies of tunnel with high ground stress and large cross-section in soft rock are discussed in this paper，based on the diversion tunnel of Jinping-Ⅱ hydroelectric station.The author thinks that when excavating the tunnel in soft rock，the four aspects must be paid attention to，including excavating methods，pre-supporting of working face，parameter control of weak blasting， and the utilization of relevant monitoring technology.The excavation at soft rock area of the diversion tunnel of Jinping-Ⅱhydroelectric station has proved that:after using reasonable working face pre-supporting measures，the excavation of large cross-section(112 m2)can be achieved，with the faster excavation process than that of the piecewise excavation method and with the more convenient and more flexible construction organization，at a relatively low cost.

high ground stress;soft surrounding rocks;tunnels with large cross-section;pre-supporting of working face;weak blasting;informationized construction

U455.4

A

1004-2954(2013)04-0087-05

2012-09-02;

2012-09-26

中央高校基本科研业务专项基金资助(SWJTU11ZT33);教育部创新团队发展计划资助(IRT0955)

陈 亮(1984—)，男，博士研究生，E-mail:clng9716@163.com。