榴桐寨隧道高地应力软岩大变形施工控制技术研究

张振国

摘 要：成兰铁路榴桐寨隧道进口施工过程中，隧道洞身反复出现高地应力大变形。通过针对性地采取优化洞身断面、调整支护参数、合理加大预留变形量、自进式长锚杆、预留核心土微臺阶法等变形控制措施和施工技术，隧道大变形得到有效控制。该文深入分析了榴桐寨隧道高地应力软岩大变形的变形特征和机理，对高地应力软岩隧道施工控制技术进行了研究。

关键词：榴桐寨隧道 高地应力 软岩大变形 施工控制技术

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（b）-0020-03

Abstract：During the construction of the entrance of Liutong village tunnel on Chengdu-Lanzhou railway， it was observed that the tunnel had undergoing large deformation repeatedly due to high in-situ stress. A series of mitigation measures were proposed， including adopting an optimized tunnel section， adjusting parameters in supporting design， setting a larger deformation tolerance， using self-advancing long bolts system and using performed core-soil sidestep construction method. The proposed measures were effective in controlling the large deformation. The objective of this paper is to first investiage the characteristics and mechanics of the high in-situ stress and the assocaited large deformation at the Liutong village Tunnel and second to study the effective tunneling methods in the ground featured with high in-situ stress and large deformation.

Key Words：Liu-Tong zhai tunnel； High In-situ stress； Large deformation and soft rock； Construction controlling technique

随着我国铁路建设的不断发展，穿越复杂工程地质条件隧道将会越来越多，在围岩软弱、地质环境恶劣、高地应力的隧道中，施工成为了工程建设中的巨大挑战。高地应力软岩隧道施工期间，支护结构受力持续增加，围岩变形剧烈、持续时间长，会导致支护结构开裂、破坏，挤出面侵入限界，严重影响正常施工。

1 工程概况

成兰铁路榴桐寨隧道设计为单线双洞，左右线分修，隧道全长16 262 m，起讫里程D8K135+336～D8K151+598。全线占线路长度约70%的段落岩体为极软弱破碎的板岩、炭质板岩、千枚岩，隧道洞身穿越2个向斜、1个背斜和1个断层，受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，岩体褶皱，断裂发育，软弱破碎，层间结合差，强度低，软岩和破碎岩体开挖后自稳能力差，是成兰极高安全风险隧道。

隧道里程为YD8K136+410～YD8K136+660，实际围岩地质较原设计差，主要表现在：地质主要以灰黑色炭质千枚岩为主，强风化（无灰岩、砂岩夹层），节理裂隙异常发育，岩体较破碎，层间有构造错动，为光滑面，岩体有褶皱扭曲现象，岩石较软，开挖完毕后呈粉末状，掌子面大部分区域地质手捏可碎，剥落较严重，围岩完整性差。

岩体存在较多夹层和原生裂隙，对岩体整体承载能力有较大负面影响。施工期间初期支护出现环向裂纹，逐渐发展成环向贯通裂缝，喷射砼脱皮掉块现象严重，钢架也发生扭曲变形，对施工安全造成了很大的困扰。

2 软岩大变形施工情况

2015年4月1日，掌子面施工至YD8K136+436.4，发现YD8K136+410～420段初期支护局部存在细微裂缝（宽度约2～3 mm）。为确保下一步施工安全，对YD8K136+ 410～420施作6 m长自进式锚杆并注浆加固处理。

2015年4月7日，掌子面已施工至YD8K136+439处，初期支护拱部变形开裂趋势有所增加，现场情况如下：YD8K136+410～430拱顶初期支护形成一道纵向贯通裂缝，裂缝宽度2～10 mm不等，初支砼表面局部有剥皮现象（见图1）。

为确保下一步施工安全，调整支护参数，具体如下：YD8K136+410～439段增设6 m长自进式锚杆，加固开裂初支，并按Ⅳ级抗震衬砌钢筋施工参数，增设衬砌拱墙钢筋；YD8K136+439～457段将原设计的Ⅳ级复合加强式衬砌变更为Ⅴ级复合加强式衬砌。

初期支护拱部变形开裂，随着隧道掌子面的开挖掘进继续向前延伸，并形成贯通趋势，表面砼局部有剥落现象。于2015年4月21日掌子面施工至YD8K136+457处，2015年5月1日掌子面施工至YD8K136+485处，调整并加强支护措施。

2015年4月21日，变更核实纪要如下：YD8K136+439～ 454段增设6 m长、间距1.2 m×0.8 m（环×纵）自进式锚杆加固开裂初支；YD8K136+457～485段将原设计的Ⅳ级复合加强式衬砌变更为Ⅴ级复合加强式衬砌。

2015年5月1日，变更核实纪要如下：YD8K136+454～ 485段增设6m长、间距1.0 m×0.8 m（环×纵）自进式锚杆加固开裂初支；YD8K136+485～515段将原设计Ⅳ级复合加强式衬砌变更为Ⅴ级复合加强式衬砌。

2015年5月18日，掌子面已施工至YD8K136+515，初期支护拱部变形开裂段落持续延伸，现场情况如下：YD8K136+450～490拱顶初期支护形成一道纵向贯通裂缝，裂缝宽度2～10 mm不等，并发现在已施工完毕的仰拱端头前后，分别于YD8K136+455、YD8K136+461处左侧边墙出现两道环向裂缝，裂缝宽度约8 mm，并在矮边墙上2 m左右有纵向裂缝出现。同时初支砼表面局部剥皮现象较为严重。

3 软岩大变形机理

3.1 地应力

隧道埋深较大，区域应力场较高，最大水平主应力对隧道围岩的变形和破环有一定的影响，在YD8K136+200处进行地质力学测试，水平主应力的方向为N51.8°W～ N88.3°W之间，最大水平主应力方向平均值与隧道轴线夹角约为27°，对围岩变形产生不利影响，最大水平主应力平均值为23.09 MPa，该段区域构造应力高，围岩强度应力比小于4，属极高地应力状态，且由于水平应力与隧道轴线夹角较小，围岩挤压紧密的影响范围较大，可能发生软岩大变形，硬质岩段落可能会发生岩爆。

3.2 岩体强度特征

该段围岩地质主要以灰、黑色千枚岩为主，强风化，节理裂隙异常发育，岩体破碎，泥质结构，不同岩层相间的岩体受层间构造错动，形成断层破碎带，从而破坏了岩体的完整性，使得围岩凝聚强度c值较低，内摩擦角φ值很小，单轴抗压强度较低。隧道开挖导致围岩应力状态重新分布，同时伴有地下水渗流和软化作用，改变岩体强度，围岩自身强度不能抵抗地应力的释放，从而导致岩体产生流塑性变形。

3.3 初期支护不合理

现场地质揭示与原设计地质描述存在偏差，实际围岩地质较原设计差，在隧道开挖后隧道不能自稳而产生较大的流塑性变形，设计采用的支护参数较弱，锚杆设计长度不足不能控制围岩流塑形变形，导致锚杆支护效果差，钢架强度不够、间距过大，无法有效地抵抗围岩的压力。预留变形量小导致围岩作用在支护结构的力变大，使初支收敛加速，初支结构逐步出现贯通裂缝，喷射砼出现脱皮掉块现象，钢架发生扭曲变形。开挖后无法及时封闭成环，仰拱和二次衬砌距掌子面距离过长，致使初期支护在无约束下产生无限制性的变形，对围岩变形有很大影响。

3.4 工程扰动

隧道洞室开挖后，破坏了围岩原有的三向应力平衡，围岩应力在洞室周围重新分布，开挖引起环向应力增大，径向应力减小，造成应力集中现象，超过局部岩体的强度，使部分区域的围岩进入塑性状态或受拉而破坏，应力不断调整变形不断发展来达到新的平衡状态，设计的初期支护结构不能支撑由开挖空间和扰动释放的地应力，形成拱顶沉降和边墙收敛，造成初期支护开裂。同时采用台阶法光面爆破施工，对围岩的扰动较大，加剧了围岩的变形速率。

4 大变形控制措施

针对榴桐寨隧道高地应力软岩大变形的情况，认真观察围岩变形及初支开裂规律，分析围岩量测资料，并及时进行变形段落围岩地质应力测试。对此进行综合分析，查找洞身围岩变形及初支开裂的原因，以优化洞型，确定合理断面，初支应坚持“以抗为主，抗让结合，适度释放地应力”的原则进行优化，加强初期支护刚度，以组织现场施工。确定软岩开挖之后的松动圈范围，以合理加长锚杆长度，对围岩的松动圈进行加固。短台阶开挖，短进尺，控制爆破装药量，减少开挖对围岩的扰动。初支及时封闭成环，仰拱紧跟，待初支沉降、收敛稳定后，及时施作二次衬砌。

4.1 加强监控量测与超前地质预报

在掌子面开挖后进行了周边收敛、拱顶下沉、地表沉陷、锚杆拉拔试验等不同方面的量测，运用回归统计分析和数值模拟分析的方法，对监测数据进行快速的处理和分析，对围岩的稳定性做出稳定性判断，并及时反馈指导设计和施工，以便根据实际情况调整施工方法和支护方案。

由于缺乏详细的地质勘测资料，设计时支护参数出现偏差，施工方法使用不当，将地质素描法、超前钻孔探测法、超前炮眼探测法、地质雷达、红外线超前探水等几种预报手段优化组合、综合运用，提高地质超前预报的精度与准确率，弥补地质勘测信息的不足，从理论上补充围岩的特征，从而进行支护优化，能够很大程度上避免工程事故，改善作业环境，保障施工安全，提高工作效率，节约成本。

4.2 优化洞型、确定合理断面

根据设计隧道断面采用的马蹄形衬砌结构，对于拱墙处发生应力集中产生大变形的区域，采取轮廓近似圆形的衬砌断面形式，改善受力性能，并加大预留变形量30 cm，避免支护变形过大侵限。

4.3 以抗为主，抗让结合，适度释放地应力

在围岩释放压力的同时，要及时跟进支护措施来控制围岩的变形。初期锚喷支护可以做成柔性结构来适应围岩变形，起到维护围岩和支护结构稳定的作用。

4.4 合理加强支护参数

通过现场试验，确定软岩开挖之后的松动圈范围约3.5 m，合理加长锚杆长度，对围岩的松动圈进行加固。将在拱墙原设计基础上增设6 m长（φ22，纵向间距为1 m，环向间距为0.8 m）自进式锚杆，并注浆加固处理，消除岩体结构效应，在围岩内形成组合拱，同时锚杆对围岩施加压力，使处于二向应力状态的围岩保持三向应力状态。同时将原设计的I18型钢支护变更为I25型钢支护，提高支护系统的强度来约束围岩的松弛变形，保证隧道的稳定与安全。

4.5 短台阶法开挖

严格控制上台阶循环进尺1 m，控制爆破装药量，初期支护紧跟掌子面施工，减少对围岩的扰动性，短台阶法可使围岩尽快封闭成环，发挥围岩自承能力，同时有利于仰拱紧跟，待监控量测初支沉降、收敛稳定后，及时施作二次衬砌，提高衬砌的安全性，保证围岩的稳定性。

5 结论

（1）高地应力、围岩自身强度低，自稳能力差，最大水平应力大且与隧道夹角过小，这都是隧道发生大变形的主要因素，地质勘测信息的不足造成支护设计参数强度不足以及施工方法不当，直接影响了隧道的变形程度。

（2）初期支护破坏形式主要是出现贯通裂缝，喷射砼出现脱皮掉块现象，钢架发生扭曲变形。通过对隧道断面优化，合理加大预留变形量，加强对初期支护的刚度，是控制软岩大变形的重要手段。

（3）为减少工程扰动对围岩的不利因素，隧道开挖采用预留核心土微台阶法，严格控制循环进尺和爆破用药量，缩短各工序之间的距离，有利于尽早初期支护及封闭成环，更好地控制围岩的变形。

（4）加強围岩的监控量测，对监测数据进行快速的处理和分析，并及时进行地质预报和现场试验，为隧道施工设计提供指导性信息。

参考文献

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