高地应力水平软岩隧道初期支护施工技术研究及应用

胡波

中铁十局集团西北工程有限公司 陕西西安 710000

新建蒙西至华中地区铁路煤运通道土建工程MHTJ-6标段一工区施工里程为 DK303+330～DK309+800，正线长度6.47km，合同总价为3.77亿元，主要工程量郝家坪隧道1184.59m/1座，乔坪村特大桥561.26m/1座，延安隧道进口4700m/1座，1号斜井辅助坑道532m/1座，桥隧过渡段路基12.15m。施工地点位于陕西省延安市安塞县建华镇境内[1]。

其中延安隧道在施工中经历了洞口浅埋偏压、土石界面、富水砂质新黄土等地质都顺利通过。但在进洞3745米后围岩地质逐渐变差，开挖揭示掌子面主要为泥岩、砂岩互层，薄～中厚层结构，岩层产状呈水平，节理较发育，层间结合力差，常见5-10cm薄夹层，裂隙发育明显，本段埋深在73-119m之间，为高地应力水平软岩不良地质。在施工中出现了初支变形、拆换等现象。严重影响施工工期并时时刻刻危及着现场施工人员的安全。本文就隧道通过此不良围岩地质所采用的施工技术进行研究及应用。

1 高地应力水平软岩变形机理

1.1 软岩的概述

软岩一般是软质岩石的通称，是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体，具有强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著等特点。多为泥岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度小于25 MPa的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。

1.2 水平软岩的变形机理

通过查阅资料及岩的蠕变试验，结合现场实际进行总结，当所施加的荷载小于某一荷载水平时，水平软岩处于稳定变形状态；当所施加的荷载大于临界荷载水平时，岩石出现明显的塑性变形加速现象，产生不稳定变形。

隧道开挖前岩体处于三向受压的高地应力环境，岩体具有一定的强度处于稳定平衡状态。开挖卸荷后原有天然应力状态破坏，卸荷导致围岩应力急剧变化，地应力以能量的形式一部分随开挖而释放，围岩发生瞬间回弹变形，切向应力增大而径向应力减小，并在洞壁达到极限；另一部分则向围岩深部转移，发生应力重新分布和局部区域应力集中，不断调整以后达到与当前环境相适应的新平衡状态，开挖使岩体所处的环境由高应力场的高围压状态变为低围压且高应力差的状态，虽然岩体的变形破坏是岩体结构的变形、改组和失稳，但在本质以及表现形式上与岩石的变形破坏是一致的，最直接的因素也是主应力差的大小和岩体自身强度，岩石在一定的临界围压下会出现屈服平台，呈现塑性流动现象，岩体由脆性向延性或者韧性转化。岩体的变形和破坏特征是岩体应力和岩体强度这一对矛盾体共同决定的。开挖卸荷使岩体应力场发生变化，应力场调整过程中，岩体产生相应的变形，变形使岩体机构面张开、滑移，由此使得岩体强度和模量随之显著降低，强度和模量的降低又反过来影响围岩应力的调整，如此这样地重复使得围岩塑性区不断扩展并向深部岩体逐层推进。岩体变形的不断发展就表现出了洞室边墙和拱顶塌落等。

高地应力软岩隧道围岩变形破坏机理与其原岩的高地应力状态想联系的。原岩应力较高，一旦开挖，内应力释放和回弹，引起相应的应力调整和变形，导致隧道破坏失稳。

1.3 水平软岩的变形类型

根据理论分析及大量实践，水平软岩变形力学机制主要有三大类，即物化膨胀类，应力扩容类，结构变形类。各类有根据引起的引起变形的严重程度有分为：A、B、C、D四个层级。此段水平软岩属结构变形类的层理形和软弱夹层形。

2 高地应力水平软岩的危害

根据施工情况观察，高地应力水平软岩造成危害的主要特点有：

（1）初期支护施工5-7d左右，距离掌子面25-50m之间，初支拱部2m范围内出现喷混裂缝脱皮现象[2-4]。随掌子面掘进，裂缝延伸发展，形成纵向裂缝。掌子面暂停施工时，裂缝纵向发展停止。

（2）开裂初期拱部喷混形成细小裂缝，纵向间断不连续，长度一般0.5～2m，宽度1～5mm，初期仅为初支砼裂缝起皮，随着变形量增大，砼表面剥落，格栅主筋外露，主筋有弯曲变形现象，呈V字形，并有侵限现象。

（3）监控量测情况。根据监测数据显示，除开裂部位外，拱部沉降、周边收敛值、速率值较小，均未达到预警值，无明显异常。初期1-4d变形速率较大，5-7d后速率减小，10-15d变形数值和速率趋于稳定。根据量测数据显示开裂部位拱部沉降数据大，但周边收敛较小（1-2cm之间）。

（4）仰拱开挖时拱部初支变化明显，往往会加剧初支变形掉块情况，量测速率增大。

3 高地应力水平软岩的方案研究

3.1 试验段方案研究

高地应力水平软岩隧道施工可借鉴的经验少，施工过程存在盲目性，主要原因是对其变形力学机制不清楚，不同的软岩在其特定的地质力学环境中所表现出的变形机制不同。

对于此种围岩，在施工中截取小段落采用以下两种试验方案：

（1）加强支护方案，调整支护参数，抵抗围岩应力。DK309+135～DK309+165段采用加强支护试验段，围岩由Ⅲ级变Ⅳ级，采用Ⅳb复合式衬砌，初支采用H180格栅钢架，间距0.75m，全环布置，仰拱初支H130格栅钢架隔榀成环。

（2）限阻器方案，初支拱部增加限阻器，吸收应力产生变形，延缓应力释放。DK309+165～DK309+195段采用限阻器试验段围岩由Ⅲ级变更为Ⅳ级，采用Ⅳb复合式衬砌，初支钢架采用H150格栅钢架，间距1m，拱部增加H150钢板型限阻器。

3.2 效果对比分析

（1）加强试验段。DK309+135～DK309+165段30米按照Ⅳ级围岩，Ⅴb支护参数施工。

试验结果：经观察对比，采用Vb加强支护（H180格栅钢架）与Ⅳb支护（H150格栅钢架）参数相比，拱部裂缝明显减少，但5-10d内DK309+135～DK309+145段先后有多处拱部砼剥皮掉块，随着掌子面掘进，后续初支拱部砼仍然有不同程度掉块脱落，形成纵向裂缝，长度0.3-2m，主筋受压弯曲变形，裂缝延伸至DK309+158处未发展。

试验结论：水平岩层高地应力段落初支采用Ⅴb支护对裂缝发展有一定遏制作用，但拱部混凝土受压破坏后，应力调整分布格栅主筋继续受力至弯曲变形，说明围岩水平应力作用明显，Vb加强支护不能彻底阻止裂缝产生发展。

（2）限阻器施工段。DK309+165～DK309+195试验段初支拱部增加H150钢板型环向限阻器，监控量测点按照间距5m加密布置。

试验结果：第一循环限阻器隔板出现弯曲变形，试验段结束后，初支拱部有25米限阻器隔板受压弯曲变形，一般为1～2.5cm，最大变形量（横向4cm），弯曲变形出现在施工完成后5d-7d，说明水平应力作用明显，但拱部喷混无开裂现象。

试验结论：根据试验段结果，继续采用H150钢板型限阻器方案施工解掘进60米，限阻器隔板变形值较小（＜4cm），初支稳定，监控量测稳定无异常，拱部喷混无开裂现象，取得了预期效果。

4 隧道初支限阻器施工技术

根据初支拱部混凝土破坏形态，钢筋弯曲状态，水平围岩隧道开挖后存在水平应力释放作用，导致混凝土受压破坏，钢筋变形。限阻器结构采用钢板焊接成均有一定刚度和柔性的钢构件，拱部纵向刚度加强，与格栅钢架承担围岩水平作用力，在应力释放下，横向隔板首先受压力弯曲变形，水平变形收敛后，利用C25喷混填塞空腔，确保后期钢架、混凝土共同受力工作。该方法是一种柔性支护措施，容许围岩变形、释放地应力、降低支护压力，同时又对围岩松弛和过分变形进行约束，能确保围岩的稳定性。

4.1 施工步骤及质量控制要点

（1）施工步骤如下：下料→限阻器焊接制作→格栅钢架加工→限阻器连接安装→立架固定→隔板空腔填塞土工布→喷射混凝土→清理、注浆→下一循环。

（2）质量控制要点：①限阻器及格栅钢架必须在加工场统一制作安装，确保各单元加工质量，同时节约现场拼装时间。②限阻器焊接质量合格，采用二保焊工艺，钢板、连接件焊缝饱满，无明显焊接质量缺陷。③加强测量控制，立架时确保其纵向在隧顶同一中心线上，上下循环连接牢靠，限阻器与钢架采用M20螺栓栓接，以便共同受力。④喷浆作业前作业成品保护，隔板空腔必须采用土工布填充包裹，避免喷射混凝土进入。⑤限阻器变形稳定后二衬施做前，及时对空腔采用C25喷混填充处理，初支与围岩之间空隙采用埋管注浆（1：1水泥浆）封闭。

4.2 限阻器施工结构图及照片

H150钢板型限阻器设计结构图

5 结语

延安隧道高地应力水平岩层段落，初支拱部受围岩高地应力作用，导致初支混凝土受挤压开裂，采用普通的支护加强措施无法解决砼开裂和裂缝发展问题。根据现场改进的限阻器方案，通过在初支拱部增加限阻器构件，应力释放期间能有效地吸收应力而产生一定变形，延缓了应力释放对初支结构的破坏，通过加强试验段、限阻器试验段应用效果对比，该方案有效的解决了水平岩层段落高地应力初支破坏受损的难题，保证了初支工程质量；避免了初支砼脱落掉块，实现了安全施工，为后续此类地质围岩施工提供了借鉴。