大断面软岩隧道变形控制技术研究

杨家松

(中铁二局第二工程有限公司，四川成都 610091)

0 引言

近年来，埋深大于500 m的大断面山岭隧道(洞)越来越多，有的甚至超过2 500 m，地应力＞100 MPa。由于一些项目没有类似工程设计及施工经验或对此研究较少，仍然按对应的围岩级别照搬既有规范所规定的预留变形量［1－2］和支护参数进行设计，在实际施工过程中却发生了较大的变形，以至于隧道(洞)及地下工程要么轮廓尺寸无法满足设计要求、要么变形导致支护失效发生坍塌，这种案例不在少数。而即便埋深小于500 m，乃至浅埋，往往对软岩物理特性认识、地形，地质与构造等条件考虑不够，因预留变形选择不当、量测预警值设置欠科学、支护措施弱、施工工艺缺陷等种种因素导致隧道坍方，或再次扩挖的案例也屡见不鲜。究其原因，围岩的强度高低并非是产生变形的唯一依据，而地应力影响必须高度重视，尤其是构造地应力的作用，即围岩的强度应力比与变形直接相关。对于围岩强度应力比大于4的各类情况，通常合理选择预留变形量，在施工过程中适当加密支护措施，变形就非常容易控制;然而在围岩强度应力比小于4的极高地应力环境中，特别是小于1时，其情况就比较复杂了。若对软岩的物理特性不清楚，会导致变形留的不足，围岩“先放”空间有限，则支护弱了就无法难以“后抗”，这就是常说的对付软岩变形要做到“先放后抗”的原则。统计分析奥地利的陶恩和阿尔贝格隧道、日本的那山和千惠隧道、国内家竹箐、乌鞘岭及鹧鸪山隧道以及台湾木栅隧道等10余项典型大变形案例［3］可知，围岩强度仅0.4～10 MPa，但其强度应力比却都小于1。为了有效控制变形，施工时首先加大了预留变形量，达到50 cm，多采用8～13.5 m的长锚杆，其次是重型钢拱架或可缩式拱架，仅木栅隧道使用了锚索，而喷护则以(钢纤维)混凝土居多。本文旨在从施工角度出发，对如何合理预留变形量，如何尽早检测分析变形，最后依据变形特征与发展，从施工工艺和对设计参数的建议等要点进行论述;同时，重点介绍超深埋大断面工程软岩大变形采取的特殊支护措施，既借鉴采用了典型案例的长锚杆、预应力锚杆、锚索、型钢拱架外，又创新引入了锚筋桩、喷聚炳稀网状维纤混凝土，控制变形效果较好。通过对其成果总结，再结合积累的相关工程经验进行系统归纳研究，认为山岭大断面软岩隧道施工的预留变形量和支护参数应结合围岩的强度应力比、围岩强度、围岩的软化程度和膨胀性等物理特性综合考虑，即便实施大断面掘进，围岩的变形均能够有效控制，施工安全完全能够得到保障。

1 变形控制的基本原理和预留变形量的定义与变形等级划分

1.1 变形控制的基本原理

将隧道(洞)及地下工程所处位置围岩的地应力、强度有机地结合起来，科学合理地确定开挖预留变形量，与此同时掘进力求少扰动围岩或实施弱爆破，并根据信息化成果动态设计支护参数，及时补强设计支护措施或修正预留变形量，以最大限度适应变形或降低工程的二次扩挖概率。

1.2 预留变形量的定义与变形等级划分

预留变形量尚无标准的定义，本文定义为:假定隧道开挖后不产生变形的理想设计开挖轮廓线沿径向增大开挖的空间δ(不含周边钻孔外插而增大的量)，单位cm。有关变形等级也没有统一的说法，本文对大断面(面积＞100 m2)作如下规定，也是比较公认的看法［4］:变形较小指累计变形＜30 cm、变形中等指累计变形30～50 cm、变形严重指累计变形＞50 cm。

2 施工工艺流程及卡控要点

2.1 施工工艺流程

施工工艺流程如图1所示。当采用台阶法分层开挖时，本预留变形量经验取值已适当考虑变形叠加的影响。

图1 施工工艺流程图Fig.1 Construction flowchart

2.2 变形控制的要点

2.2.1 围岩强度应力比(Rb/σmax)分析

首先采纳设计的σmax和Rb;其次估算，即设计仅描述了埋深或垂直地应力，未指出构造地应力，则必须结合地质素描成果、实际施工过程中围岩表现出来的特征(是否存在断层和褶皱、探孔岩芯是否饼化、暴露围岩有无声响与开裂、喷层裂缝程度、拱架扭曲暴露等现象等)，以综合判断是否有构造地应力存在。如果有这些现象存在，则地应力可按自重地应力的1～2倍考虑，甚至更大［5－6］。当然有条件宜作地应力测试，没有条件可按本原则估算，其σmax取自重地应力和构造地应力之最大者，当埋深H＞1 000 m时，自重地应力近似代替σmax，Rb宜通过现场取样试验室直接获取。同时要正确识别常遇到的软岩:全风化至强风化岩层或土质类地层、煤、千枚岩、板岩、泥岩、绿泥石片岩、断层软弱带或这些类型的组合。

2.2.2 预留变形量确定

1)当Rb/σmax≥7时，分情况预留变形量:①当有偏压和渗水存在时，掌子面为全风化层或全风化至强风化岩层、粉质砂黏土和黄土层(含水率过大或较小)、泥夹石等软弱地层时，此类地层均应加大预留变形量，即δ=(1.5～2)δ0(δ0按不同围岩的规范取值，围岩强度应力比小、强度低偏大取值，反之偏小取值，下同。);②当仅有偏压存在或无偏压存在且有地下水存在时，掌子面围岩与①同或自稳时间＜3 h的软岩地层时，δ=1.5δ0;③当无偏压和渗水存在，掌了面围岩与①同或为裂隙节理发育的岩层，此类地层自稳时间相对较长(＞3 h)，δ=(1～1.5)δ0。

2)当Rb/σmax=4～7时，分情况预留变形量:①Rb≤5 MPa或为膨胀岩时，δ=(2.5～3)δ0;②Rb=5～25 MPa时，δ=(1.5 ～2.5)δ0;③Rb≥25 MPa时，δ=(1 ～1.5)δ0。

3)当Rb/σmax＜4时，分情况预留变形量:①Rb≤5 MPa、或软化系数 ＜0.5、或为膨胀岩时，δ=(4～5)δ0;②Rb=5 ～25 MPa时，δ=(3 ～4)δ0;③Rb≥25 MPa时，δ=(2 ～3)δ0。

2.2.3 开挖施工要点

1)上台阶高度要考虑砂浆长锚杆的施工有效空间，至少是在1倍洞径的范围内有条件完成锚杆作业。上台阶高度宜在4.5～6 m，在采取较强的预支护措施和使用液压台车、湿喷机械手等大型施工设备的条件下，也应控制在9.0 m以内。

2)严格施作超前预支护(包括周边超前支护和掌子面加固)，挤压变形段周边宜采取双层预支护。预支护灌浆对加固围岩有利，要从严对待。

3)视围岩稳定与松散程度确定是否采取掌子面喷混凝土或预加固等措施。当采取纤维锚杆预加固时，其有效加固长度至少大于核心受拉区范围1.5倍［7］、间距为1 m×1 m，搭接长度不小于2 m。

4)开挖遵循短进尺、弱爆破原则［8］，并合理确定振速标准。对于Rb≤5 MPa的软弱围岩必须爆破时，其振速宜控制在1.5 cm/s以内(距离掌子面15 m位置，下同);对于Rb=5～10 MPa岩石宜控制在3 cm/s以内;对于Rb＞10 MPa，岩石宜控制在5 cm/s以内。

2.2.4 支护优化设计与施工要点

1)无论围岩强度应力比如何，按设计和工艺要求施作支护后，如果围岩长时间不稳定且变形快达到预留变形的75%时(通过复测断面分析)，此时必须尽快补强支护。所有措施用完仍有变形且不稳定，那么只有紧跟衬砌，并加大衬砌混凝土的配筋，但当断面不足以设置二次衬砌混凝土时，只有扩挖处理。

2)长锚杆或加密锚杆、嵌拱、围岩固结灌浆、预应力锚杆、锚筋桩、锚索等加强措施，这些措施均有工程案例采用，施工单位只能提出建议，如何选择取决于设计与工程投资。

3)当围岩强度应力比＜1，建议设置长砂浆和预应力锚杆、锁脚锚筋桩、必要时在大变形的部位设置锚索，其支护参数要依据松动圈的实际检测成果进行设计。

4)极高地应力的工程软岩挤压变形、软弱围岩或膨胀岩宜使用刚度较大的型钢拱架。

5)锁脚锚管在拱脚位置宜顺拱架切向打入开挖轮廓线外，同时再结合径向锚杆与拱架焊接，尤其是环向开挖时，锚管角度更容易控制。当开挖高度＞5 m时，再在拱腰位置增设锁腰锚杆。

6)当为挤压大变形时，锁脚锚管宜使用锚筋桩，同时保证其竖向夹角外插＞30°。锚筋桩设置参数由设计确定，施工成桩后再用槽钢纵向连接所有桩头，以达到整体控制变形的效果。

7)喷射混凝土宜外掺0.8～1 kg/m3聚炳稀网状纤维，较钢纤维柔韧性好，对适应变形有利。

2.2.5 信息成果卡控要点

1)假定隧道在有支护且能有效受力条件下的围岩总变形为Δ(＜δ)，由3个阶段变形增量组成:即开挖前后与支护施工期间的变形为Δ1、系统支护完成至初始量测时的增加变形为Δ2、监控量测期间的增加变形Δ3，而 Δ1+Δ2占了 Δ 的60% ～70%，如果滞后安装甚至可达到80%(断面扫描验证)，所量测到的Δ3仅占Δ的20%～40%，为此必须认真及时有效开展量测工作。

2)量测预警值设置要科学合理。铁路隧道监控量测技术规程［9］规定实际变形U＞2/3U1B(=65%U0，式中U0为初期支护极限位移)时将停止施工，其预警值设置存在风险。因为很多例子发现量测未超过该预警值(例如10 cm)，却已存在变形过大(实测变形＞100 cm)导致坍方或影响衬砌厚度的案例。

3)软岩的松动圈测试意义重于振动检测，因为它是确定加强支护参数的直接条件。根据实现变形情况，大致沿洞径设置5～9个测点，孔径不小于76 mm，孔深要超过塑性区，一般不小于15 m。

4)爆破振动检测充分利用时程曲线统计回归分析近似计算公式，以优化弱爆破设计。

5)宜设置钢筋应力计、应变计、接触应力计等仪器观测，其成果是优化支护参数或确定加强支护参数的基础。

6)因量测到的数据不能够代表隧道的实际变形，必须及时复测断面，一方面可以修正预留变形量，另一方面可以尽早发现是否存在大变形及变形特点。断面复测有条件时最好使用扫描仪，以使变形分析可靠。

2.2.6 结构(二次衬砌)混凝土施作时机

新奥法的精髓强调支护变形基本趋于稳定后是施作结构混凝土的最佳时机，但针对大变形软弱围岩而言，如果变形速率较小且数月难以趋于稳定时，设计在结构上应考虑加强衬砌，这对于特别强调安全步长的铁路隧道工程尤为重要。另外，不同行业对变形速率倾向于稳定的规定是不同的，这个取决于设计或相应规范的规定。

3 工程应用案例

3.1 案例1

锦屏二级电站C2标1#，2#引水隧洞典型绿泥石片岩长772 m，埋深1 450～1 800 m、实测1 350 m处的σmax=43.5 MPa，Rbmax=37.1 MPa、Rbmin=6.2 MPa，软化系数0.5、微膨胀。绿泥石片岩如图2所示。原开挖洞径13.4/13.8 m，支护参数为:①φ28 mm超前中空锚杆、L=4.5 m、@=0.3 m。②型钢或格栅拱架，@=0.5～1 m，其中格栅200 ×200，主筋 φ25、HW 型钢为200×200×8×12。③6/9 mφ32 mm砂浆锚杆径向相隔布置，@=0.5×1。④φ8 mm钢筋网、湿喷厚25 cm CF30聚炳稀网状维纤混凝土。结构混凝土先仰拱施工且采取针梁式台车，无法紧跟(通常完成开挖后统一施作混凝土)。施工期，因对工程软岩变形机制认识差异，导致上台阶的边墙、底板边脚等部位大变形，在按设计支护施工情况下发生最大变形110 cm。据此方案优化为:①预留变形量 Rb/σmax=(0.14～0.85)＜1，Rb=6.2 MPa＞5 MPa，预留变形量0.45/0.60 m((3 ～4)δ0，不含允超)，开挖洞径增至14.3/14.6 m。②双层超前小导管，管长6 m、@=0.3～0.4 m，其中第 1 层外插 30°～45°;掌子面 φ25 mm纤维锚杆，长4.5 m(核心受拉区3 m)、@=1 m，同时喷厚5～8 cm聚炳稀网状纤维混凝土(实际掺量0.9 kg/m3)。③围岩灌浆，孔深9 m、间距2 m×2 m，压力0.5～2 MPa、分段灌注纯水泥浆。④HW200型钢，@=0.5 m。⑤12 t预应力锚杆，长9 m、@=1.0 m，纵向与槽钢整体联接。⑥锚筋桩9 m(3φ32 mm小钢筋笼)、@=1 m，θ=30°，纵向槽钢与桩头焊接并灌注混凝土。⑦1 000 kN锚索(7φ15.2 mm钢绞线)，l=15 m、@=3 m。软岩大断面综合支护措施如图3所示。

图2 绿泥石片岩Fig.2 Chlorite schist

图3 软岩大断面综合支护措施Fig.3 Support of large cross-section tunnel in soft rock

上下台阶法施工，进尺1 m，弱爆破。Atlas三臂台车钻凿锚杆孔，锚杆采取先灌浆后插杆工艺、Nomet机械手湿喷混凝土。根据量测选择加强支护措施的施作时机。效果:振速v＜3 cm/s(距掌子面10 m)，松动范围3～5.2 m(径向设置5φ76 mm检测孔，孔深15 m)。收敛稳定时间由9～12个月下降至1～3个月(稳定标准0.15～0.2 mm/d，美国基康收敛计，精度0.1 mm，不能用全站仪，因达不到该要求)，多点位移计孔口累计变形43 mm、锚索受力700～900 kN、锚杆和锚筋桩钢筋应力＜230 MPa、接触应力＜2.91 MPa，混凝土的钢筋应力 ＜50 MPa、应变 ＜ 200 με、无应变 ＜69.23 με，钢拱架应变 ＜1 649.18 με。这些数据足以验证支护受力良好，而混凝土承受外力极小。同时对断面扫描458个数据统计，仅有16.9%的点因喷层过厚需稍加处理外，其余89.1%的点满足设计要求且有富余。

3.2 案例2

京福铁路某隧道在DK780+970～+955段上台阶(高5.5 m)发生大变形，其中拱顶初期支护下沉10～70 cm。变形部位埋深35 m，线路偏压，无地质构造存在。洞身为全风化熔结凝灰岩，在连续降雨后受地表水下渗土体变软。开挖断面尺寸14.86 m×12.4 m，面积152.4 m2，上下台阶开挖。变形部位原设计支护:Ⅴb型钢I22a，间距0.6 m/榀，拱墙喷混凝土C30，厚28 cm。φ6钢筋20 cm×20 cm、锚杆 1.5 m ×1.5 m(拱部)、1.2 m ×1.2 m(边墙)，L=4 m。变形部位处理措施:预留变形量25 cm(设计图规定Ⅴ级围岩10～15 cm，规范为12 cm)，属于浅埋偏压，渗水、全风化，围岩强度应力比＞7，满足 δ=(1.5～2)δ0要求。扩挖前，为保障处理施工安全，先对变形部位围岩作临时支撑和5 mφ50 mm小导管径向注浆加固围岩(@=1.5 m×1.5 m，1∶1水泥浆，压力1～1.5 MPa);换拱前先施作φ50 mm双层超前小导管，再扩挖换拱。下台阶一次长度控制在3 m内并及时支护成环，之后再对边墙进行灌浆加固处理。拱架均变更为HW175型钢、间距0.6 m/榀，其余原设计参数不变。效果:结构混凝土厚度满足设计，工程竣工2年，现场察看二次衬砌无裂纹。

4 结论与建议

软弱围岩山岭隧道也是坍塌事故的多发带，国家有关部委联合出台文件强制性限制隧道各工序作业人数，并要求提高机械化施工水平，传统的CRD、三台阶法施工就有其局限性，但上下台阶法、CD法有其明显优势，同时也能够在采取预加固措施后实现较大断面掘进。

合理加大预留变形量、支护参数先偏于保守设计是大断面软弱围岩隧道(洞)变形控制技术的先决条件。在现场试验段取得成果后再进行优化设计调整，即便变形未能够有效控制，但也有利于快速分析原因与进一步采取对策;同时还要从根本上重视各类量测及爆破与松动圈检测、断面复测工作，这是尽早发现变形和为支护优化、施工方案调整的基础。由于软岩地质条件更为复杂，设计参数一般采取动态设计原则，为此施工单位更应该对关键工序进行卡控，确保不削弱支护力，一旦有变形发生，才能为设计分析原因提供可靠依据。

大变形长达2个月都难以趋于稳定，遇极高地应力大变形地层，又特别强调开挖工法、安全步距，并把其列为铁路隧道建设“隧9条”的强制性规定中，因此本文介绍地应力50 MPa条件下(除本工程外，目前国内还没有其他案例)，工程软岩采取长台阶大断面开挖、控制变形采取锚索与锚筋桩等有效措施的观点，于铁路、公路工程而言尚有商榷之处。

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