软岩大变形隧道的施工技术研究

陈凯

（福建省路桥建设集团有限公司，福建福州350000）

0 引言

木寨岭隧道穿越大型活动断裂带，部分隧道段存在软岩，遇水易软化，导致围岩变形明显增加。针对软岩隧道段的围岩支护，需做好围岩结构变形监测，根据监测数据选择符合其变形规律的初期支护方法，以有效保证软岩大变形隧道段的施工安全及施工质量。

1 工程概况

木寨岭隧道工程穿越的活动断裂带长519m，其中核心断裂带长404m，隧道左线长15.231km，右线长15.163km。岩体软弱破碎，遇水易软化，以碳质千枚岩、软质炭质板岩为主，在断裂带的长期作用下产生软岩大变形，隧道围岩受挤压破碎，结构不稳定，安全风险大。该隧道工程的施工方案频繁调整，工序复杂，在施工过程中流变效应导致施工难度大大增加。

2 隧道软岩塑性变形区域大小及开挖方案

2.1 隧道软岩塑性变形区域大小

在应力复杂、地应力高等负面因素的长期作用下，木寨岭隧道工程结构形成遇水易软化的破碎软岩段。该隧道段的最大特征是岩体软弱松散，变形显著，施工时面临变形控制难、初支易失稳等问题。为有效保证施工安全，应根据围岩地质条件及结构特征，通过钻芯取样检测，明确隧道软岩塑性区大小，制定合理的开挖、支护施工方案，以达到控制软岩大变形段隧道变形的目的[1]。

以隧道围岩波速最大或最小值处测点深度作为确定松动圈的范围关键点，采用超前钻探方式对比分析V 级围岩断层破碎带K215+900 岩性，孔深18m，孔径φ8cm。由于坍塌堵孔的影响，孔深实际为11m。隧道围岩波速与孔深之间的关系如图1 所示。

图1 K215+900 处围岩波速测试波形图

根据测点数据信息可知，围岩波速峰值出现在孔深10～11m 处，深度10m 以上的围岩整体破碎，波速仅有1.48km/s，12m 后的围岩波速显著减小。根据孔深12m 以上的隧道围岩波速特征，可知整体围岩的波速特征，推断出隧道围岩松动圈边界为12m。

2.2 开挖施工方法

对于软岩隧道可采用短台阶施工方案，先比较分析两台阶施工方案、三台阶施工方案的优劣。结果显示隧道仰拱均有隆起，主要原因在于仰拱弯矩处承受拉力作用，节点轴承受压力作用，而采用三台阶施工法时隧道的仰拱弯矩更小[2]。

根据受力分析可知，采用三台阶预留核心土施工方案效果最好。为确保受力分析结果的准确性，在施工材料、力学参数不变的前提下，分别计算分析7m 长台阶、13m 长台阶、19m 长台阶采用三台阶施工方案的实际施工效果，重点计算分析隧道断面的各关键节点的位置变化、应力等力学参数，计算结果表明，采用三台阶预留核心土施工方案时，台阶的理想长度为7m。

3 软岩大变形多层支护方案

3.1 试验段辅洞正做

在工程实践中，常用柔性支护控制方法处理软岩大变形段隧道变形问题，核心原理是允许适当的围岩变形，抑制过度变形。选取该隧道1#斜井试验段开展支护方案实际应用试验，待选方案主体包括双层H175 型钢拱架、双层支护（格栅+Ⅰ20b 型钢）、双层支护（双层Ⅰ20b)，通过试验计算分析得到以下结论：

其一，初期支护结构接触压力稳定越早，受力越均匀，初期支护结构成环越快，整体稳定性越好。三种支护方案对应的围岩接触压力收敛时间分别为60d、50d、40d。

其二，如支护结构刚度不够，则围岩结构早期变形明显，整体稳定性差，但围岩应力释放比较充分，二次支护结构的受力更均匀，同时整体受力小。

其三，初期支护时，需及早布设短锚杆，不但可以充分发挥隧道洞口附近围岩的承重潜能，且有助于减轻支护结构受力。

其四，围岩变形、初期支护结构的受力与围岩流变特性有直接关系，而支护结构的强度及次数与围岩流变效应的调节有直接关系。

根据上述分析可知，针对变形明显的隧道正洞软岩段应采用双层H175 型钢拱架初支+长短锚杆的支护方案。

3.2 锚杆作用机理及参数设定

隧道支护施工实践表明，长锚杆对于较大埋深隧道软岩变形的控制效果好，实际施工时为提高围岩变形的控制效果，需先分析大变形段锚杆加固作用原理和相关施工参数设置，以确保施工效果。为提高计算结果的可比性，需将施工材料、围岩受力设置为同等条件，再研究三台阶预留核心土施工方案的实际应用。

以7m 长台阶为例，计算采用双层H175 型钢拱架作为初期支护时，在锚杆长度不同的情况下，施工隧道断面各个点的锚杆轴力、位移、塑性区范围、应力峰值等施工参数，比较分析隧道拱顶、拱脚、边墙等重要节点的计算结果，确定最合理的锚杆长度。

基于该隧道试验路段，通过施工试验比选高强度预应力锚杆、树脂锚杆、自进式长锚杆。试验结果显示，自进式长锚杆、树脂锚杆可有效抑制软岩变形。基于试验数据可知隧道支护结构边墙处的锚杆轴力远高于拱顶、拱肩处的锚杆轴力，且和锚杆深度成反比，长短结合锚杆轴力6m+3m 最大，10m+3m 次之，8m+3m 最小。

该隧道软岩大变形段围岩松动圈位于孔深12m处，按照多种组合方式的锚杆轴力计算结果以及围岩松动圈特性，确定采用11m+3m 长锚杆+短锚杆组合的方案，其中，短锚杆由树脂制造，长锚杆为中空型，其他如塌孔和缩孔的锚杆则为自进式，构建长锚杆+后注浆的围岩变支护体系，有效约束围岩变形。设置短锚杆快速控制围岩变形，同时通过长锚杆实现长期稳定控制围岩变形的目的，长短锚杆交错设置可产生群锚效应。

根据隧道围岩自身稳定性差以及开挖后的围岩变形快速增加的特点，在开挖上台阶后及时在其拱部132°范围内设置短锚杆；在围岩上采用钢拱架+锚杆组合建立加固组合拱结构，有效控制变形初期的破裂面发展及变形，提高围岩结构的整体稳定性。在初期支护喷射混凝土后，设置长锚杆作为控制中后期围岩挤压变形的有效手段。

3.3 变形量预测及设置

为了更好地反映隧道拱顶的沉降和隧道里程的相互影响，结合斜井的相关检测结果进行图形分析，分析结果如图2 所示，相互之间的影响分析如图3 所示。其中，中台阶预留的变形量值为收敛值的一半，变形值取其两侧的收敛值总和。

图2 拱顶下沉和里程相关关系散点分析图

根据图2、图3 可知，如边墙预留变形量为245mm，保证率为90%，如边墙预留变形量为370mm，保证率为95%；如拱顶预留变形量为350mm，保证率为90%，如拱顶预留变形量为370mm，保证率为95%。由此可得，隧道软岩大变形段的预留变形量为40～50cm。由于隧道支护结构强度不同，在施工实践中取预留变形量为40cm，该隧道大变形段预留变形量见表1。

图3 边墙位移和里程变化相互关系散点分析图

表1 木寨岭隧道大变形段预留变形量

4 大变形段双层支护的施工方案分析

结合隧道的受力分析，采用了对应的大变形段双层支护方案措施，以有效控制软岩大变形段隧道施工质量。

4.1 一次初期支护

施工初期，对于上台阶采取预留核心土施工方案，配备对应的掌子面超前支护，然后进行上导坑的施工，其中，预留核心土的长度控制在3～5m 之间，宽度为隧道宽度的1/4～1/3。开挖作业结束后，马上开始喷射混凝土、架设钢拱架，设置挂网以及锚杆。

分前后顺序依次开挖中台阶两侧，循环进尺为2榀钢架，左侧比右侧早开挖3～4m，开挖作业结束后马上喷射混凝土，安装钢架，开展喷锚支护[3]。

下台阶的施工方法和中台阶基本一致，一旦隧道开始施工，很快就开展下台阶施工，采取施作仰拱初期支护措施，将其封闭成环的距离控制在25～30m之间。

4.2 二次初期支护

一次初期支护完成后及时开展二次初期支护。由于开挖后围岩初始应力快速释放，进行二次初期支护也不能抵消高地应力的挤压作用。按照隧道软岩大变形段的受力特点，开展对应的支护措施。

结合施工时采集的相关数据和信息，将二次初期支护的变形速率控制在1.6mm/d 以内，并将累计变形量70% 作为控制二次初期支护施工效果的关键指标。

完成二次初期支护3d 后，将围岩的变形速率控制在0.4～1.2mm/d 之间，总体施工效果稳定，没有出现瑕疵和变形等现象，无须拆换初期支护的钢拱架。

5 结语

综上所述，根据木寨岭隧道软岩大变形段施工研究，提出双层H175 型钢拱架+长短锚杆组合的支护方案，通过长短不等的锚杆交错组合的方式形成聚合的群锚效应，控制裂缝的形成和发展，降低变形的概率。按照分部、分工、平衡、限时的原则完成双层初期支护施作，有效解决初期支护结构破坏后需拆换钢拱架的问题；以变形速率不超过1.6mm/d、累计变形量70%作为评价二次初期支护效果的关键指标，有效确保软岩大变形段隧道的施工质量，极大减少隧道围岩的变形情况，相关结果有效证明了双层初期支护措施对控制软岩大变形起到积极的控制作用。