浅析大变形隧道施工防治措施

王秋赞 刘朋宝

摘要：隧道施工过程中揭示的岩体节理、裂隙发育，岩面和隧道走向不利组合形成顺层偏压，经地下水加剧作用等因素形成大变形，经过对隧道变形情况及结合监控量测数据、洞内地应力等因素进行分析，并通过采用超前地质预报、加大预留变形量、周边围岩固结、加强初期支护、衬砌结构等施工措施，有效的控制了隧道施工变形，本文以某隧道进口工区围岩大变形段施工为依托，仅供借鉴参考。

关键词：极高风险隧道；变形侵限；施工措施；应用效果

隧道围岩大变形往往造成施工困难、工期延长、成本增加甚至危及作业人员安全，是困扰广大隧道建设者的最大难题。而隧道出现大变形现象的原因，一是膨胀性矿物成分遇水膨胀，使隧道周边产生较大的不均匀变形；二是软弱围岩在高应力作用下发生的挤压变形，由于应力复杂，岩石强度较低，在开挖后，周边将出现大范围的塑性破坏区，塑性破坏区内的岩体发生剪切和挤压作用，迫使围岩中的岩层向开挖空间进行移动，从而导致大变形的出现。

某隧道穿越龙门山山脉，紧邻龙门山前山断裂带，工程地质条件极为复杂，施工过程中存在不可遇见的地质条件引起的大变形，严重影响了隧道施工安全，而某隧道进口工区承受偏压，处于两个断层之间，因此，弄清楚某隧道进口工区变形原因，针对大变形段制定相关的工程技术措施，保证后续隧道施工安全，确保隧道工程质量，显得尤为重要。

1 工程概况

某隧道设计为极高风险隧道，線路单面上坡，左线隧道全长14.069km，进口端10.65km为单洞双线（合修），出口端3.419km为双洞单线（分修），辅助坑道采用“六横洞”方案，共分七个工区组织施工。其中进口工区承担的隧道施工任务穿越活动断裂及断层。

2 地质情况

进口工区D2K112km+077m～D2K112km+177m段沿河左岸傍河设隧道通过，属中低山构造侵蚀地貌，沟槽相间，由于构造侵蚀作用，地形波状起伏高差较大；地层岩性为三叠系上统须家河组（T3x）泥灰岩夹砂岩，以泥灰岩为主，夹有煤线，灰黑色，岩层软硬相间；该段紧邻龙门山前山断裂带，处于活动断裂带及断层之间；靠近活动断裂上盘，受断裂带影响，节理裂隙发育，岩体破碎，岩层扭曲变形较严重。地表水为山间沟水，地下水为基岩裂隙水和构造裂隙水，整体弱发育。

3 初期支护变形侵限情况

D2K112km+077m～D2K112km+177m段设计按V级复合式衬砌施工，采用三台阶施工工法。施工过程中初期支护发生变形，钢架扭曲折断，主要表现为上台阶左边墙先变形，随后右边墙变形，仰拱及填充施工后，下台阶两侧边墙开始变形。根据监控量测数据显示，拱顶下沉最大速率达到14.8mm/d，累计沉降量达到45cm；最大收敛速率18.1mm/d，累计收敛达到56cm。隧道支护措施调整后，变形曲线呈现“两陡两缓”特性，即上台阶和中台阶开挖支护过程中，变形速度较大，后经一段时间，变形趋缓，而下台阶开挖支护后，会再次使变形加速，再经一段时间后，变形趋于稳定。

4 变形侵限原因分析

4.1 隧道浅埋

本变形段埋深约60m，处于地表冲沟一侧下方，地形条件不利于地应力集中，高地应力引起变形的可能性较小。

4.2 顺层偏压

岩层产状NE20?～45°，与隧道走向夹角10?～30?，倾向NW（掌子面左侧），倾角约30?～50?，产状与隧道走向的不利组合形成洞内顺层现象，加之节理发育，隧道开挖后在左侧起拱线部位形成应力集中，造成岩体局部破坏，引起隧道左侧屈服变形；右侧在初期支护衬砌作用下，边墙部位顺层坍滑现象较少，引起变形量亦不大，但经左侧屈服变形后，岩石松动圈增大，牵引右侧变形。

4.3 岩体裂隙、微裂隙发育

本变形段处于两条断层之间，靠近活动断裂，构造极其发育，岩层挤压、挠曲现象很多，节理发育，岩体破碎；单纯从掌子面揭示的岩性情况看，岩体完整性一般，但从开挖的碴样看，块体很小，多呈角砾状，说明岩体内部的微裂隙较为发育，这就为岩体的破坏创造了必要的边界条件。

4.4 地下水作用

本变形段地势较低，且地下水较为丰富，地下水通过渗流作用渗入岩体结构面，降低层间结合力，弱化岩体稳定性，围岩中饱含的地下水，同时也增加了围岩的自重，从而加剧围岩变形。

综上，本变形段初期支护发生变形侵限是因岩体软硬相间，构造发育，岩体节理裂隙、微裂隙发育，层理发育，层面和隧道走向不利组合形成顺层偏压，经地下水加剧作用等因素综合造成的。

5 变形段施工措施

根据国内外比较成熟的治理大变形隧道的经验，采用“加固围岩，改善变形，先柔后刚，先放后抗，变形留构，底部加强”的原则，针对某隧道进口工区变形特征，主要采用以下施工措施。

5.1 超前地质预报

某隧道进口工区极为重视超前地质预报在隧道施工中的作用，并把若干种超前地质预报方法综合应用于隧道工程实践中，对掌子面前方的地质情况进行有效的预测预报。本工程采取以下几种超前地质预报方法：

5.1.1 超前水平钻探

在隧道开挖面布置超前水平钻孔，对前方及隧道周边短距离的地质进行预探，采用5孔超前钻孔，每个孔深约30m（因围岩类型、硬度等不同，需根据实际情况确定），每个循环搭接不小于5m。5孔布置在掌子面拱顶、两侧拱腰、两侧拱脚各距隧道周边20cm处，所有探孔均要探出开挖外边线约3m位置，根据水平钻机钻孔速度和探孔中取得的岩芯资料获取掌子面前方岩石的物理指标，也可以直观的判断钻孔所经过部位的地层岩性、节理裂隙发育程度、溶洞大小、有没有水和有害气体。超前探孔布置见图1。

图1 超前探孔布置图

5.1.2 地质素描

在隧道施工的每个循环过程中，掌子面岩性揭示后，记录围岩产状、岩性、节理裂隙、地下水情况等详细工程地质信息，并快速判断掌握掌子面围岩的稳定性，推测掌子面前方的地质情况，要求每一开挖循环都须派专业技术人员进行地质素描，确保分析判断的准确性。