两并行软岩大变形隧道变形特征及处置措施

姜 波

(中铁二院工程集团有限公司，四川成都 610031)

在我国西部地区,由于地形地貌、地质条件特别复杂,高地应力软岩大变形隧道越来越多,给建设工期及投资带来很大影响。因此,有必要研究软岩大变形隧道变形控制技术[1-3]。许多专家学者针对高地应力软岩大变形隧道[4-6]均提出了许多大变形的判定方法，并给出了相应的防治措施，但是对两并行软岩大变形隧道由于遭遇较少，因此研究相对较少，可借鉴成果不多。

成兰铁路茂县隧道是座全长9 925 m长大隧道，所在区域构造为龙门山华夏系构造体系之九顶山华夏系，其最大埋深达1 656 m，隧道洞身穿越龙门山后山活动断裂-茂汶断裂，段落埋深400～650 m，围岩软弱破碎，实测最大水平地应力27 MPa，为高地应力大变形段。由于采用双洞分修方案，两洞变形叠加，支护破坏严重，仰拱隆起达到74 cm，处置困难。本文采用现场实测及数值理论分析的方法探讨了双洞影响机理后给出了处置措施，实施效果较好。

1 现场施工情况及变形特征

1.1 施工概况

隧道开挖揭示围岩以绢云母千枚岩为主，呈粉末状，施工中采用了双层支护等措施先完成了左洞施工，监控量测反馈大部分断面在3个月左右整体支护变形趋于收敛稳定。

右线施工滞后于左线，2017年12月底发现邻近右线掌子面的左线部分仰拱存在上浮现象；2018年4月以后变形速率加剧，2018年7月以后拱墙的变形加剧，出现喷混凝土剥落，钢架扭曲并逐步发展为喷混凝土大面积破坏，钢架错断等严重变形破坏现象(图1)。

图1 现场开挖粉末状围岩

1.2 仰拱变形破坏情况

变形监测显示总645 m大变形段有270 m仰拱均存在不同程度上浮的现象，均发生严重变形段落(图2、图3)。

图2 仰拱变形情况

图3 仰拱变形示意

仰拱变形特征：

(1)左线存在仰拱隆起现象位于拱墙二次衬砌未施作段。

(2)仰拱上浮量值大。最大上浮74 cm，且近两年观测期内无明显衰减，国内罕见。

(3)中岩柱侧仰拱上浮突出。严重上浮的段落，洞身横断面呈右高左低即靠中岩柱侧隆现象突出。

(4)仰拱上浮为整体上抬。

(5)右线未发现明显仰拱上浮。

1.3 拱墙变形破坏情况

2018年7月左线多个断面围岩监控量测数据出现变形加速的现象，8月左线初支逐步出现剥落掉块，并逐步发展为钢架扭曲变形、侵限。截止2019年底，有164 m发生严重的支护破坏侵限。拱墙变形破坏特征(图4)：

图4 拱墙变形破坏情况

(1)拱墙变形加速发生仰拱变形后。

(2)在变形加速前，左线断面大部分均保持很长时间收敛，最长断面的稳定期超过800 d才发生加速。说明原支护措施在单洞时能对变形较好控制。

(3)大部分断面变形速率增加发生在7月，局部支护破坏后引起相邻段牵连破坏是主要原因。

(4)局部断面变形与右线施工存在明显相关。

2 两洞干扰的表现形式

从监控量测显示左线开挖三个月后支护已趋于稳定，但后行洞施工时，变形加剧。后行洞的先行洞主要有以下影响。

2.1 掌子面的空间效应影响

通过变形监控量测发现，后行洞掌子面在距离先行洞约30 m时，即造成了先行洞变形的加速，在两掌子面齐平时影响达到最大。而先行洞的由于变形支护破坏承载力降低，则进一步加剧了变形发展(图5)。

图5 DBK127+930变形曲线

2.2 后行洞支护时机的影响

后行洞施工支护时机对变形影响也较为严重，由于后行洞存在较长时间停工现象，掌子面附近未能形成有效支护，附近段落变形严重。支护不及时段，松动圈不断增大，实测显示9个月内松动圈从8 m扩大到了12 m。

2.3 后行洞反坡施工的影响

后行洞的反坡施工也是影响变形的因素之一。上游地下水通过隧道洞内或松动围岩渗入变形段落，软化围岩降低其强度：围岩强度降低→围岩松动圈扩大→围岩松弛→地下水进一步下渗→围岩强度进一步降低→形成恶性循环，造成变形难以控制后果。该情况对基础弱化作用更明显(图6)。

图6 变形破坏段落与反坡施工的关系

2.4 数值理论分析

采用摩尔库伦模型对比地下水软化围岩、施工支护滞后等因素影响，对该段落进行了数值分析。分析结果见表1、监测点见图7。

图7 监测点布置

从表1可知，综合叠加不利因素后，相对单一因素对先行洞造成了叠加影响，位移增加了70 %，而单一工况则不超过5 %。

从图8可看出，正常状态下，单洞开挖塑性区分布主要在5～7 m；地基软化工况时，塑性区分布较大，9～12 m，左右线塑性区尚未连通。后行洞支护滞后工况，中部塑性区部分连通，左右线塑性区呈现左小右大的特征，与实测结果较吻合。综合两种不利条件，塑性区较单因素条件下，显著增加。

3 处置措施

经分析左线大变形段变形加剧及仰拱隆起的主要原因是高地应力条件下，地下水软化围岩、支护滞后、两洞相互影响等综合因素造成。因此针对仰拱隆起及支护破坏采取了堵水，加固松散区，锚固仰拱，锁定中岩柱，重构支护等措施。

3.1 高压注浆加固围岩

对未施作二次衬砌的段落，拱墙采取注浆措施，对上游来水进行封堵，对松动围岩进行加固，改善围岩力学性能，补强周边围岩及中岩柱，由于高地应力围岩紧密采用不小于2 MPa的压力进行注浆。

表1 主要测点变形值 cm

图8 各工况塑性区分布

3.2 锁定中岩柱

中岩柱的承载力是变形段支护开裂破坏及仰拱隆起的重要影响因素。根据中岩柱位移矢量图可知，中岩柱围岩变形主要中部挤入，拱腰处下挤的变形模式。因此为限制中岩柱位移，采用两侧对拉锚索支护的方式对中岩柱进行锁定(图9、图10)。

图9 中岩柱地层位移矢量

图10 中岩柱对拉锚索示意

3.3 锚固仰拱

仰拱上浮处理在当前国内是难点，通过现场试验，茂县隧道对隧底采用小直径微型约束桩(直径140mm)+斜向锚索锚固的方式进行加固，并将仰拱与仰拱填充结构合并为钢筋混凝土，将锚固系统锚固与结构内形成整体。

3.4 破坏段的支护重构

围岩加固后，对侵限及破坏严重的支护结构进行拆除并恢复原设计支护系统，使其恢复承载能力。

采用上述措施后，经过三个月的观测显示初支收敛、二衬稳定、仰拱未持续上浮，加固措施效果较好。

4 结论

在高地应力大变形段，相邻并行隧道在线间距较小情况下，极可能出现变形相互干扰叠加加剧的现象，给变形处置带来极大的困难。通过对茂县隧道并行隧道大变形的处理，形成了如下几点认识：

(1)大变形段落应尽量加大两洞线间距，从而减少两洞间的相互影响。

(2)并行大变形隧道，后行洞的变形控制尤为重要，其施工方向、支护参数及支护时机等均对先行洞有较大影响。

(3)并行大变形隧道，后行洞可能对先行洞中岩柱侧支护及仰拱造成较大的影响，因此应注重对先行洞中岩柱及仰拱的加固。