近水平砂岩隧道初期支护变形破坏分析及控制技术

秦 松

(中国铁路总公司 工程管理中心,北京 100844)

随着我国西北部山区铁路、公路隧道的大规模建设，高地应力、复杂围岩等不良地质环境带来的隧道支护问题愈发凸显，特殊变形破坏现象时常出现，严重影响隧道的施工及运营安全[1-2]。确定合理的初期支护体系对于控制围岩变形及确保安全施工具有重要意义。对于高地应力区隧道围岩变形控制的关键科学问题已有大量研究，文献[3-4]阐述了高地应力条件下软弱围岩隧道初期支护的受力特性与可让性支护原理，未讨论初期支护破坏问题；文献[5-8]论述了水平砂岩地质条件下围岩变形机理与稳定性、支护体系力学特性及变形破坏的原因，但未具体归纳总结结构的变形特点，也未提出针对性的变形控制措施，鉴于实践中围岩岩性、岩体结构、区域地质构造等的多样性，其研究结论有一定的局限性；文献[9-10]主要讨论与高地应力有关的地质问题及岩爆的判据、准则等，未涉及初期支护变形破坏特征及其控制技术方面的内容。

以上关于隧道初期支护的研究成果取得了一定的工程应用效果，但无法系统反映初期支护的变形破坏特征，且对于高地应力水平地层隧道初期支护设计尚缺乏研究。蒙华铁路段家坪隧道位于节理发育的水平砂岩地层，且赋存于高地应力环境，本文针对上述特定地质条件下隧道初期支护变形破坏特征及成因，通过工程地质调查、地应力测试等手段进行深入系统研究，提出针对性的变形控制技术方案，并对其实施效果进行验证及评价，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

蒙华铁路是国内最长运煤专线，线路全长 1 837 km，北起内蒙古浩勒报吉站，终点到达江西省吉安市。段家坪隧道位于陕西省宜川县境内，为单洞双线隧道，进口里程DK446+664.02，出口里程DK457+387.00，全长 10 722.98 m，隧道线间距设计为4 m，最大埋深约450 m，内轮廓断面尺寸为10.7 m×10.6 m。

图1 典型断面地质素描

段家坪隧道洞身围岩以三叠系上统厚层砂岩、粉砂岩夹薄层泥岩为主，岩层产状272°∠2°，砂岩、粉砂岩节理裂隙较发育～很发育。优势节理裂隙主要有2组，产状分别为190°∠90°和78°∠89°,砂岩、粉砂岩，灰白色，弱风化，砂质结构，中厚层～厚层层状构造，层厚10～100 cm，节理裂隙较发育～发育，岩体较完整，呈大块状。泥岩，灰黑色，弱风化，薄层状构造，层厚小于10 cm，岩体破碎，呈碎石状镶嵌结构，拱部、边墙局部及底板底部偶夹少量薄层泥岩。泥岩具弱膨胀性，遇水易软化，底板易开裂，典型断面地质素描见图1。地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，且水量较少，开挖揭露主要为点状水滴出，未成线。

该隧道DK454+230—DK453+400段拱部及仰拱初期支护破坏严重，环向初期支护承载力明显削弱，虽累计变形量较小，但严重影响施工质量与进度，极大威胁施工安全。

2 隧道开裂情况

隧道开挖过程中拱顶和洞壁岩石(块)松脱、剥离，拱部围岩自稳性差，开挖完成后成洞性差，超挖较大。掌子面响炮后(或在支护过程中)有“噼啪”响声，偶有震感。支护完成后，拱部开裂变形，初期支护混凝土局部脱皮掉落，拱架扭曲，监控量测数据超预警值。因上述原因，DK454+240—DK453+605段围岩级别由原设计Ⅱ,Ⅲ级调整为Ⅲ,Ⅳ级，并加强了初期支护、二次衬砌施工措施：拱墙初期支护采用H230～H130格栅钢架，间距0.75 m/榀～1.2 m/榀；仰拱初期支护钢架封闭成环；打设径向系统锚杆(管)释放围岩应力；拱墙和仰拱采用钢筋混凝土等。但隧道拱顶仍出现纵向开裂，初期支护混凝土脱壳开裂，钢架向内呈“S”形扭曲变形，部分段落仰拱初期支护钢架出现扭曲上拱。

3 隧道区域高地应力测试

3.1 高地应力测试

段家坪隧道DK454+230—DK453+400段由于水平构造应力导致初期支护变形破坏，长830 m，总体埋深150～350 m。为探究构造地应力与初期支护变形破坏特征之间的内在关系，为后续研究提供基础数据，分别在隧道1#斜井大里程方向DK452+650、2#斜井小里程方向DK453+830、2#斜井大里程方向DK454+330处各施作1个竖向地应力测试钻孔，共计3个测孔，采用水压致裂法进行地应力测量[11]。在每个钻孔的下部完成4段 地应力测量和2段应力方向测量，测试结果见表1。

表1 段家坪隧道工程岩体强度应力比评估结果

注：SH为最大水平主应力；Sh为最小水平主应力；SV为垂直主应力；σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力；RC为岩石单轴饱和抗压强度，由室内试验测试确定。

3.2 隧址区初始地应力状态判定

隧道围岩属于坚硬岩～较硬岩，强度应力比为4～7。另外，地应力测试钻孔揭露岩芯时有饼化现象，根据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[12]可判定段家坪隧道钻孔附近围岩处于高初始地应力状态。

现场测量的隧道走向约为121°，地应力测量得到最大水平主应力SH方向约为N79°E，最大水平主应力方向与隧道轴线夹角约42°，该夹角显然偏大。段家坪隧道与区域构造位置关系，见图2。

图2 段家坪隧道与区域构造平面位置关系示意

4 初期支护变形破坏特征及成因分析

初期支护变形破坏具有如下特征：①2#斜井施工时随着地质构造应力释放，板状岩层折断，初期支护拱部与底板随之隆起、开裂；②正洞掌子面开挖时仍偶有岩体闷响，拱部岩体有剥离和掉块现象，形成“矩形拱”，同时受构造应力释放及爆破振动的影响，除可观察到的2组原生竖向节理外还将产生多组新生竖向节理，当初期支护破坏部位距掌子面10～20 m时，即开挖过后3～5 d，或距离掌子面更远还可能再次发生应力释放，此时伴随近水平岩层的原生与新生竖向节理面沿平行于隧道轴线方向及竖直方向迅速扩展、延伸、张开、错动，拱部混凝土龟裂、剥落，格栅钢架主筋侧向扭曲、向临空面挤出；③初期支护拱部、仰拱、边墙的变形机理不同。

4.1 初期支护变形特征

初期支护变形以拱部及仰拱竖向位移为主，净空收敛变化较小，其主要特征为：①初期支护距掌子面约10～20 m时，拱顶下沉易发生突变，幅值1～2 cm；②同一测点突变持续时间较短，一般仅1 d。突变后沉降速率一般不大于 5 mm/d，之后逐渐趋于稳定；③拱顶下沉突变与初期支护封闭成环不存在必然联系；④初 期支护开裂段拱顶下沉最大累计值受工法影响较大。台阶法累计值基本都在5 cm以内，三台阶法最大累计值约7 cm，全断面法最大累计值8～9 cm；⑤支护参数调整段拱顶下沉最大累计值未超过10 cm，其它试验段拱顶下沉累计值均未超过6 cm，见图3。

图3 2#斜井小里程方向高地应力段落沿隧道掘进方向拱顶下沉累计值空间分布

4.2 初期支护变形破坏形态及成因分析

初期支护变形破坏主要发生在拱部、仰拱部位，边墙净空收敛变化较小。

1)拱部及仰拱初期支护混凝土脱壳、开裂原因

在最大水平构造应力垂直于隧道轴线分量的作用下及爆破振动影响下，拱部及仰拱水平砂岩层间发生剥离，岩层内产生裂纹，紧贴初期支护的岩层会最先折断，同时竖向节理面张开并纵向错动，水平构造应力释放的能量随即作用在处于剪压受力状态的初期支护混凝土上，加速了混凝土的破坏。拱部及仰拱初期支护混凝土同时承受最大水平构造应力平行于隧道轴线的分量和垂直于隧道轴线的分量，易发生沿张开的竖向节理走向的剪压破坏，破坏部位主要位于隧道中线附近1.5 m范围内，见图4和图5。拱部及仰拱初期支护混凝土破坏后初期支护承载力严重削弱，将进一步加速围岩的破坏。因此，拱部及仰拱初期支护混凝土的脱壳、开裂与初期支护背后围岩的层间剥离、断裂，节理面张开及纵向错动紧密相关，周边围岩在初期支护破坏前已开始初步碎裂，当初期支护受力后两者的破坏将互为不利条件致使对方破坏加剧，并最终在构造应力基本释放完毕后趋于稳定。

图4 掌子面竖向节理发育

图5 初期支护混凝土开裂掉块

另外，现场发现仰拱初期支护的变形与破坏一般均比对应的拱部初期支护破坏严重。其主要原因为：①拱部初期支护受施工工艺影响其背后不可避免地存在空洞或间隙，而仰拱初期支护在重力作用下其背后一般比较密实，地应力将直接作用于仰拱初期支护；②下台阶与仰拱一起开挖施作，仰拱初期支护施作完成后随即进行虚渣回填，不易觉察仰拱初期支护破坏，现场也未采取任何处理措施。

2)仰拱填充层表面裂缝成因

若仰拱填充施作完成后水平构造应力尚未释放完毕，后续释放的应力会使仰拱填充表面沿大体平行于最大水平主应力方向形成剪切裂缝[13]，见图6。

图6 高地应力段仰拱填充层表面典型裂缝(平面)

3)拱部及仰拱初期支护格栅钢架主筋失稳机理

拱部及仰拱初期支护格栅钢架主筋失稳表现为向洞内临空面突起并侧向扭曲。原因为：①初期支护混凝土脱壳、开裂后失去了对主筋的握裹力在最大水平构造应力垂直于隧道轴线分量作用下格栅钢架主筋受压失稳。②洞周竖向节理发育，其在最大水平构造应力平行隧道轴线分量作用下节理面持续扩展延伸并错动，格栅钢架主筋受剪切发生侧移破坏。

5 支护结构变形破坏控制技术

5.1 支护参数调整

段家坪隧道高地应力段(DK454+230—DK454+160)原设计施工参数见表2。

DK454+160—DK453+605段支护参数根据地质情况及围岩量测结果进行了多次调整(表3)，但均未能有效控制初期支护开裂，大部分情况为短期稳定，之后支护结构距离掌子面10～20 m时即出现开裂。

表2 段家坪隧道支护原设计施工参数

表3 段家坪隧道支护调整段施工参数

5.2 初期支护背后增设缓冲层

DK453+595—DK453+560段拱部及边墙背后采用缓冲层施工技术，见图7。本段采用台阶法施工，其中上台阶长度为8 m，高度为6.5 m；下台阶与仰拱同时开挖，同时施作初期支护。

图7 初期支护背后土工布+高密度海绵敷设

施工方法如下：

1)拱墙采用H180格栅钢架，间距0.75 m/榀，拱墙喷射C25混凝土，厚度为25 cm；仰拱采用H230格栅钢架，间距0.75 m/榀，喷射C25混凝土，厚度为30 cm；拱部120°增设φ42超前小导管，壁厚3.5 mm，长4 m，环向间距40 cm，每3榀打设一环；全环采用纵向φ6×环向φ8双层钢筋网片，间距25 cm×25 cm。

2)初期支护背后拱墙设缓冲层，材料采用土工布+高密度海绵，厚度5～10 cm。

3)初期支护变形量测断面间距5 m，每个断面拱顶下沉测点1个，净空收敛变化测线3组(边墙底上1 m、初期支护拱顶下2 m、最大跨处，测绝对坐标)，同断面监测仰拱初期支护变形。在DK453+590,DK453+580,DK453+570设3个断面，埋设土压力盒、钢筋计、混凝土应变计，测试围岩压力与初期支护内力。

5.3 初期支护加装阻尼器

隧道DK453+452—DK453+385段采用加装阻尼器施工技术[14]。

本段采用台阶法施工，其中上台阶长度为8 m，高度为6.5 m；下台阶与仰拱同时开挖，同时施作初期支护。施工方法如下：

1)拱墙采用H180格栅钢架，间距0.75 m/榀，喷射混凝土厚度为25 cm；仰拱采用H230格栅钢架，间距0.75 m/榀，喷射混凝土厚度为30 cm；全环采用纵向φ6×环向φ8双层钢筋网片，间距25 cm×25 cm；隧道拱顶和仰拱初期支护钢架中心设置纵向阻尼器。钢板型阻尼器竖板厚度为8 mm，高度为30 cm，间距为10～15 cm。可提供8.0～12.0 MPa限阻峰值，1.0～1.5 MPa 恒阻值和20 cm恒阻变形量。

2)拱墙衬砌厚度为45 cm，仰拱衬砌厚度为50 cm，矢跨比调整为1∶6，根据监测数据分析确定衬砌配筋参数。

3)初期支护变形量测断面间距为5 m。每个断面拱顶下沉测点1个，净空收敛变化测线3组(边墙底上1 m、初期支护拱顶下2 m、最大跨处，测绝对坐标)。在DK453+550,DK453+540,DK453+530,DK453+385设4个断面，埋设土压力盒、钢筋计、混凝土应变计，测试围岩压力与初期支护内力。

6 变形控制效果与评价

各种支护形式下的变形、开裂情况见表4。可见，各试验段的累计变形值都在变形允许值以内；各试验段拱架钢筋应力都在设计值的30%以内，初期支护混凝土则出现局部应力集中，个别部位混凝土应力超过了设计值和极限值，混凝土局部破坏。综合判断结构整体基本安全。

注：1)表中变形与应力监测数据均为各支护措施段的最大值，其他数据为大概率事件数据。2)拱顶仅在增设缓冲层段出现上升，应与以水平应力为主的高初始地应力作用下初期支护的整体抬升有关。

基于支护原理及变形控制效果的横向对比分析，各种支护形式下变形控制效果与评价详述如下：

1)调整支护参数段变形最大，开裂最严重，且开裂部位距离掌子面最近，说明不宜单独采用调整支护参数来控制水平构造应力为主因的初期支护变形破坏。

2)调整支护参数、增设缓冲层、加装阻尼器试验段均在距离掌子面100 m左右趋于稳定，说明竖向节理发育的水平砂岩夹泥岩地层构造应力空间影响范围基本相同，但由于不同支护形式作用机理不同，水平构造应力释放的剧烈程度有所差异。

3)增设缓冲层段提供了水平构造应力的释放空间，允许初期支护背后围岩适量位移，为初期支护混凝土强度提高争取时间，初期支护承受经前期释放后剩余的高地应力时强度、刚度较大，因此其受力最大，也未开裂。若围岩属于硬岩、极硬岩现场宜采用缓冲层来保护初期支护免遭破坏。

4)加装阻尼器段的开裂部位均位于拱部，阻尼器使环向初期支护未完全封闭，在拱顶形成塑性铰，水平构造应力在拱顶塑性铰部位沿环向与纵向集中释放，有效保护除拱顶塑性铰部位外的其余初期支护。因此，初期支护变形较大，受力较小，开裂控制效果较好，在较硬、较软岩围岩条件下应用效果较好。

7 结论

通过对初始高地应力条件下缓倾砂岩夹泥岩隧道初期支护变形破坏特征、成因的分析以及不同支护形式变形控制效果的评价，得到主要结论如下：

1)段家坪隧道围岩主要为硬质砂岩，隧址区处于高初始地应力状态，最大水平主应力与隧道轴线夹角偏大，且大于垂直主应力，不利于隧道的稳定。

2)采用“强支硬顶”的支护方案难以解决高地应力水平砂岩地层隧道变形问题。拱部及仰拱初期支护混凝土发生剪压破坏，拱部格栅钢架主筋受压失稳、侧移。拱部及仰拱初期支护破坏与其背后岩体的层间剥离、断裂，节理面张开及纵向错动紧密相关。周边围岩在初期支护破坏前已开始初步碎裂，当初期支护受力破坏后，两者互为不利条件致使对方破坏加剧，并最终在构造应力基本释放完毕后趋于稳定。

3)高地应力隧道宜采用缓冲层作为地应力释放空间，可明显减少对初期支护结构的破坏，拱架参数应根据实际情况调整，并预留注浆孔，在变形稳定后对初期支护背后空隙进行注浆填充处理，对施作缓冲层的初期支护结构安全性的系统评价可作为今后的研究重点。

4)对于高地应力水平地层隧道，阻尼器作为环向初期支护拱部的塑性铰，是地应力释放和变形的集中点。整体来看，虽然初期支护变形较大，但受力较小，初期支护开裂控制效果较好。深入开展阻尼器在初始高地应力隧道中的应用研究将具有重要的现实意义。