高地应力水平岩层隧道综合施工技术

陈浩

（中铁隧道集团二处有限公司，河北三河065201）

1 引言

随着我国铁路事业的快速发展，长大隧道数量剧增，并且穿越地区常常地质复杂，其中，高地应力情况屡见不鲜。高地应力隧道施工时，常出现拱顶下沉与隧底隆起现象，处理难度大、进度慢，导致工期滞后、造价增加。目前，一些学者与专家对隧道高地应力进行了大量研究，在多座高地应力隧道施工中采取了不同技术手段研究解决各种问题，积累了大量的施工经验。本文针对蒙华铁路段家坪隧道高地应力段落变形特征、处理过程、施工技术应用等进行总结和分析，旨在为在建渭武高速木寨岭隧道和即将开工的川藏铁路等类似工程提供参考和借鉴。

2 工程概述

段家坪隧道位于陕西省延安市宜川县境内，地处陕北黄土高原东南翼及黄龙山中低山区，起讫里程为：DK446+664.02～DK457+387，全长 10 722.98m，为双线单洞隧道，隧道最大埋深约450m。

2.1 地形地貌

隧址山坡自然坡度为25°～30°，地表植被茂密，冲沟发育，地形起伏较大，海拔为884.064～1323.163m，最大相对高差439.099m，地势总体呈西北低、东南高的特点，为黄土高原向黄龙山隆起的过渡段落。

2.2 地质构造

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两组，产状分别为190°∠90°和 78°∠89°，地表调查测量，节理间距 25~50cm，一般为密闭节理，地表局部地段节理呈张开状，岩体较破碎，泥岩为软弱夹层，呈薄层状，节理裂隙很发育。

2.3 水文地质特征

局部冲沟内有少量地表溪流，水量较小，为季节性流水，雨季水量变大，主要接受大气降水补给及倾向地下水补给。地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，基岩裂隙水主要接受大气降水补给。

3 高地应力现象

段家坪隧道2号斜井向小里程方向DK454+240～DK453+605段为Ⅱ、Ⅲ级围岩，隧道开挖过程中，拱顶和洞壁岩石松脱、剥离，成洞性差，岩芯常有“饼化”现象；掌子面响炮后（或在支护过程中）有“噼啪”响声，围岩内部发生闷响，偶有震感。增加格栅钢架加强支护，采用台阶法施工。支护完成5～40d后，隧道中线左、右各2m范围拱部初支混凝土出现剥落、掉块，格栅钢架局部向内扭曲，裂缝的前端一般距离掌子面40～70m，特殊情况距离掌子面1～20m[1]。初支开裂有一定的滞后性，多次调整支护参数，未能有效控制。

4 地应力对隧道结构的破坏形式

段家坪隧道2#斜井正洞小里程方向为高地应力范围。隧道初支结构采用Ⅳ～Ⅴ级支护参数施工：全环设置H130～H230格栅钢架，间距0.75～1.2m/榀；拱部设置φ42mm径向或超前导管释放围岩应力；仰拱及拱墙衬砌采用钢筋混凝土。

该段隧道施工完成后，初支及衬砌结构破坏，破坏形式主要有以下3种形式：（1）隧道拱顶初支混凝土脱壳开裂（见图1），钢架向内呈“S”形扭曲变形；（2）仰拱初支扭曲上拱（见图2），上拱高度10～20cm；（3）仰拱钢筋混凝土出现斜向平行裂缝。

图1 拱部初支脱壳开裂

图2 仰拱初支底鼓

5 监控量测变形规律分析

5.1 拱顶沉降特点

拱顶沉降特点包括：（1）初支结构拱顶沉降发生突变，距掌子面一般为1～2倍洞径，有2处突变开裂距掌子面分别为40m、80m，突变沉降速率范围 10～40mm/d；（2）有 3 种变形表现形式：一次急剧变形后趋于稳定；一次急剧变形后缓慢变形，再次急剧变形，变形后居于稳定；开挖后基本无变形，一段时间后急剧变形，之后趋于稳定；（3）拱顶沉降突变与初支结构是否封闭成环关系不大；（4）初支结构开裂段拱顶沉降稳定时较大累计值范围为7～10cm（见图3）。

5.2 周边收敛特点

周边收敛无突变发生，日变形量均在5mm以内，最大累计变形值均小于35mm。边墙稳定，未对初支结构整体稳定性产生不良影响。

图3 典型拱顶测点历时变化曲线

6 地应力来源分析

段家坪隧道位于如意背斜北翼，由北向南区域构造为依次：如意背斜，吉县断裂、铜川—韩城隆起、韩城断裂带、汾渭地堑（见图4）。经地应力测试和隧道开挖揭示的围岩地质情况分析，该区域主要存在构造应力，受韩城活动断裂挤压及压扭性的力的作用影响，段家坪隧道与如意背斜北翼处发育的一条小型向斜相交，在段家坪隧道1号、2号斜井之间的正洞形成构造应力集中区。

图4 区域地质构造图

7 地应力测试

根据地应力隧道结构的破坏形式、严重程度等对段家坪隧道进行了地应力测试。分别对DK454+330、DK453+830、DK452+650 3处进行钻孔测量了地应力（见表1），测试方法采用水压致裂法，测试结果证实段家坪隧道存在高地应力。

表1 段家坪隧道地应力测试结果

8 高地应力隧道施工技术

隧道拱部初支开裂、格栅钢架变形将大大降低初支承载能力，给施工带来较大安全隐患隧道衬砌结构开裂也将影响运营安全。现场运用了隔离层、阻尼器、锚杆+加筋底板等综合施工技术，并通过观察、检测、监测手段，分别对各施工技术效果进行了分析。

8.1 隔离缓冲层施工技术

在初支背后采用土工布+高密度海绵作为隔离缓冲层，缓冲层厚度5～10cm。

8.1.1 隔离层性能参数

隔离层性能参数如表2所示。

表2 高密度海绵性能参数

8.1.2 施工方法

隧道采用台阶法钻爆施工。隧道初支与围岩间设隔离缓冲层，隔离材料采用高密度海绵（见图5），拱部铺设厚度10cm，边墙铺设厚度5cm。布设监测断面，每个断面拱顶下沉测点1个，水平收敛测线3组。

图5 高密度海绵施工情况图

8.1.3 施做效果

初支结构未发现开裂现象，监测断面距掌子面65m、历时1个月时，收敛变形速率开始减小，逐步趋于稳定。距离掌子面90m、历时2个月时，监测断面变形开始趋于稳定（见图6）。

8.2 阻尼器施工技术

8.2.1 支护参数

拱墙采用H180格栅钢架，间距0.75m/榀；仰拱采用H230格栅钢架，间距0.75m/榀；拱部120°设φ42mm超前小导管，壁厚3.5mm，长4m，环向间距40cm。隧道拱顶和仰拱初支钢架中心设置纵向钢板型限阻器，施工效果如图7所示。

图6 量测变形曲线图

图7 阻尼器安装情况图

8.2.2 施工方法

隧道采用台阶法钻爆施工，阻尼器与初支拱架一同安装。初支变形稳定后，喷射混凝土封闭阻尼器，并对阻尼器背后注浆回填密实。

8.2.3 施作效果

拱部中心阻尼器发生扭曲变形，阻尼器旁初支混凝土面偶发纵向轻微、较短细小裂纹。监测断面距离掌子面40m、历时20d，水平收敛历时曲线出现拐点，速率减小；距掌子面100m、历时近50d，该断面变形开始趋于稳定（见图8）。

图8 断面量测曲线图

8.3 涨壳式预应力锚杆+加筋底板施工技术

8.3.1 支护参数

支护参数为：（1）全环采用H230格栅钢架，间距0.75m/榀；全环采用纵φ6mm×环φ8mm双层钢筋网片，间距25cm×25cm；在隧道底部设置C25喷射混凝土加筋底板，厚度100cm；（2）拱部120°范围及仰拱加筋底板部位打设φ25mm涨壳式中空锚杆，长度L=6m，间距0.8m×0.8m（环×纵）；拱脚以上3m范围打设中空锚杆3根，长度L=3m，间距1.0m×1.0m（环×纵）；（3）调整仰拱矢跨比为 1∶6。

8.3.2 施工方法

涨壳式锚杆采用金属楔形涨壳锚头，锚杆孔施工采用钻神ZSL-120C-D型履带式钻机、ZY-20式锚杆张拉器对锚杆实施预应力张拉，施工效果如图9所示。

图9 涨壳式预应力锚杆施工情况

8.3.3 施作效果

拱部初支轻微脱壳开裂，隧道初支变形较未采用锚杆段明显减小，掌子面距离本断面100m、历时45d，本断面变形稳定（见图10）。

图1 0 断面量测曲线图

9 效果评价

9.1 隔离层

优点：设置隔离层后，初期支护未发生开裂现象，同时，围岩应力得到了释放，保证了隧道结构稳定，确保了施工安全，且成本低，施工简单。

缺点：围岩与初支之间不连续接触，背后相应区域围岩失去约束，自由变形使松弛区不断扩大、积累，导致不连续接触边界附近初支承受更大荷载。初支背后预留空间不能完全挤压填充，初支背后空洞需要进行注浆处理。隧道底部不能设置隔离层，拱墙背后围岩不能对初支形成下压力，仍存在底鼓风险。

9.2 阻尼器

优点：安装阻尼器后，初期支护开裂得到明显控制，拱顶阻尼器部位钢筋（钢板）变形，围岩应力得到了充分释放，初支结构局部开裂，一定程度上保证了隧道初支结构的完整和稳定。

缺点：安装阻尼器后一定程度减弱了初支结构的强度和刚度；在围岩变形结束后，需对阻尼器部位喷射混凝土和注浆。

9.3 涨壳式预应力锚杆+加筋底板

优点：涨壳式预应力锚杆试验段施工完成后，隧道拱部初支发生脱壳，不能完全防止隧道开裂，但能够控制初支变形，隧道变形值明显减小；加筋底板能够很好地传递水平应力，阻止仰拱底鼓和开裂。

缺点：长锚杆施工需投入大型设备才能保证锚杆施工工艺，设备投入较大；加筋底板工序多，施工进度慢，工效较低，造价高。

10 建议与总结

通过实践与总结，得出以下建议：

1）在硬岩、极硬岩等围岩自稳能力较强的条件下，建议采用缓冲层进行支护，拱架参数根据实际情况调整，并预留注浆孔，在变形稳定后对初支背后进行回填注浆处理；

2）在较硬、较软岩等围岩自稳能力一般的条件下，建议采用阻尼器进行支护，拱架参数根据实际情况调整，通过阻尼器的变形让地应力得到逐步释放；

3）在软岩等围岩自稳能力较差的条件下，建议采用涨壳式预应力锚杆+加筋底板与阻尼器进行组合支护，拱架参数及加筋底板参数根据实际情况调整。