高地应力软岩大变形隧道施工技术分析

王亚鹏

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855）

1 引言

在建成兰铁路成都至川主寺试验段（简称“成川段”）位于四川省境内，全长275.8 km，是汶川大地震灾后重建项目，是我国又一条海拔3 000 m 以上的高原铁路，平原标以路基、桥梁为主，隧道标以长大隧道群为主，线路进入龙门山山脉后，首座隧道——跃龙门隧道在施工中遇到各类软岩大变形，工程地质呈现出典型的“四极三高”特征，即：地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著；高地壳应力、高地震烈度和高地质灾害风险叠加，不良地质恶化。截至2021 年4 月，开挖统计隧道范围内软岩大变形段落占比46.6%，工程建设难度好比在“冻豆腐”上修青藏铁路，在“软豆腐”上修宜万铁路。

2 软弱围岩变形的特点

围岩变形是评价隧道围岩稳定性的重要指标，也是隧道设计的基本准则之一。隧道开挖后，围岩变形稳定性大致经历3 个阶段：弹性变形阶段、弹性变形和塑性变形共存阶段、以流变为主，流变和塑性变形共存，同时围岩发生损伤、断裂、挤出及膨胀耦合作用阶段。硬围岩以弹性变形和塑性变形为主，而软弱围岩则以塑性变形和流变变形为主，其围岩变形主要有以下特点。

2.1 变形量大

隧道挖后，能够产生显著的塑性变形是软弱围岩最主要的显性特征，往往表现为初期支护严重破裂，如喷射混凝土开裂脱落、钢架扭曲，甚至引起二衬混凝土的开裂。

2.2 初期变形速度快

坚硬围岩在隧道开挖后，变形很快达到稳定状态，其变形速率很小。而软弱围岩隧道开挖后，变形速率较大。

2.3 变形持续时间长

软弱围岩不仅初期变形速度快，而且延续时间长，具有明显的流变特征。众多研究表明，软弱围岩隧道开挖后一段很长的时间内，支护或衬砌上的压力一直在变化，这可解释为软弱围岩蠕变的结果。

2.4 围岩破坏范围大

软弱围岩隧道周边的塑性区扩大，特别是支护不及时或结构刚度、强度不足时围岩破坏范围更大。

2.5 压力增长快

围岩压力随开挖时间而迅速增大，在很短的时间内，围岩即与支护结构接触产生较大的围岩压力。如果施工方法和支护措施得当，支护封闭后变形就应得到控制；反之，即使支护封闭后，变形还会发展，以致支护发生破坏。因此，掌握施工阶段大变形的发展规律和控制技术，是软弱围岩隧道施工的关键。

2.6 变形破坏形式多样

软弱围岩隧道的变形破坏形式一般表现为喷射混凝土严重开裂、初期支护变形侵限、钢架变形扭曲、隧底上鼓、拱顶掉块坍塌等。

3 工程概况

跃龙门隧道采用双洞分修，左线全长19 981 m，右线全长20 042 m，左右线间距为29.999～62.493 m，隧道正线与平导、外移平导（2+1+1）四线并行开挖，线路设计为单面上坡，坡度17.8‰，最大埋深1 445 m，最大地应力31.5 MPa，隧道突出特点为软岩大变形段落密集。

施工中为避免开挖后塑性区应变能集中、应力持续性扩展传递、有效改善围岩自承能力，结合兰渝铁路软弱大变形隧道建设经验及成兰铁路隧道工程前期勘察、测试数据，跃龙门隧道施工中采用大变形控制技术主要有：以“新奥法”光面爆破、锚喷支护、复合式衬砌、监控量测为核心支撑理论，以“主动控制、超报超支、变形观测、三维扫描、圆形轮廓、分步预留、尽早闭环、双层支护、长短锚杆、机械配套、径向注浆、衬砌时机、动态设计”为施工措施。

通过理论实践相结合，截至2021 年4 月30 日，左线暗洞剩余380 m，右线暗洞剩余1 400 m，平导暗洞剩余600 m，左线计划2021 年9 月贯通，右线计划2022 年12 月贯通。

4 跃龙门隧道软弱围岩大变形段施工技术

4.1 圆形断面开挖

借鉴兰渝铁路软弱大变形隧道以往建设经验，结合BIM、FLAC3D 数值模拟理论分析及成果总结，参考地质钻孔资料，跃龙门隧道对圆形、椭圆形、马蹄形断面进行工程模拟后发现圆形断面没有隅角，轮廓圆顺，能有效保证深埋软弱围岩、初支结构各方向上外部承压均衡，顶压、侧压、底部隆起压力能平均分配，通过跃龙门隧道10 年来开挖成果统计数据，软岩大变形隧道采用圆形断面与其他类型断面相比，具有最佳受力结构和施工安全性，同时配合双层初期支护设计，与普通铁路隧道一层初期支护相比，二支能更有效抵抗高地应力软岩一次支护后围岩变形持续发展，避免初支开裂、崩塌的风险。

4.2 平导外移

跃龙门隧道原设计为“左线、中部平导、右线”三线并行开挖，正线及平导围岩开挖揭示，洞内大变形段落围岩多为震旦系邱家河组（Zbq）硅质岩、页岩、炭质页岩夹灰岩、白云岩、夹辉绿岩（βμ）岩脉等岩石组成，其中，辉绿岩（βμ）岩脉侵入体变化较大且无规律，地层岩性及不良地质状况极其复杂，伴随高瓦斯、硫化氢、高地应力等不良地质效应的叠加，正线及平导各施工作业面均出现中等、严重大变形，大变形段落长、变形速率高、持续时间长、变形量大，出现围岩及初支破坏范围大、支护破坏形式多样、洞群影响敏感等显著特征，以PDK99+805 断面为例，竖直方向累积沉降变形220.4 cm，水平方向累积收敛122.9 cm，仰拱累积上浮140 cm，双层支护钢架扭曲、折断，相邻正洞施工后变形加剧，导致此处中部平导失去通行、通风、排水功能。

目前，右线施工掌子面还未施工到设计平导位置，如相邻右线正洞施工到此处势必会影响平导再次变形，加大正洞、平导变形控制难度，经施工单位多次组织专家评审、论证，提出优化平导平面位置，降低中间平导未施工段群洞效应的影响，采用中部平导外移至右线右侧70 m 处方案，整体上形成“2+1+1”四洞并行线路结构，对已施作平导分别采取如下措施：回填部分未稳定中间平导，加固部分中间平导中岩墙，外移开挖支护后续平导。根据监控量测数据显示，平导外移施工后，平导及对应已施作二衬均未出现大变形和混凝土破坏，最大程度上减少了“群洞效应”下初支、二衬变形破坏。

4.3 注浆堵水

山岭隧道衬砌承受水压极限值一般在0.6 MPa，超过此值衬砌混凝土难以抵抗周围水压力，必须采取措施降低水压值。跃龙门隧道正线下穿高川河区段共86 m，高川河为常年性流水河流。通过综合超前地质预报数据，下穿河道段围岩为灰岩且极度破碎，节理裂隙强烈发育，河水与隧道顶裂隙易连通，以构造裂隙水与岩溶裂隙水为主，属岩溶富水段，隧道整体埋深较浅，下穿段3#斜井为长度2 025 m、坡度103.78‰反坡，斜井高差200 m，存在严重突涌水及次生崩塌风险。通过专家评审及安全评估意见，下穿段采用“连续超前周边注浆+局部径向注浆”堵水方案，注浆加固后在开挖轮廓外形成隔水环封闭层，安全掘进通过高富水区域，解除大变形隧道穿越河流突涌水风险。

下穿施工中，根据位移控制基准、位移管理等级，当观测断面拱顶下沉或水平收敛速率为5 mm/d、累计100 mm 或数据突变时，立即暂停掘进并进行钻注一体机径向围岩钻孔注浆，钻孔深度1.5～5 m，注入水泥水玻璃双液浆填充变形裂隙，注浆压力1 MPa，在围岩外侧形成防水环、扩散拱结构加固周围岩体，并适当加大监控量测频率。

4.4 两台阶带仰拱（短台阶）开挖

传统软弱围岩多采用分部法开挖，有预留核心土环形开挖、三台阶七部开挖、（交叉）中隔壁等多种形式，跃龙门隧道岩体走向N40～60°E，倾向NW，岩层倾角65°～85°，穿越褶皱主要有大屋基倒转背斜，南东翼发育高川坪倒转向斜，根据隧道大变形段落地应力测试数据，最大值为31.5 MPa，通过现场开挖组合试验成果，跃龙门隧道采用两台阶施工，下台阶带仰拱一次性开挖，减少多次爆破对围岩频繁扰动，减少应力反复再分配，既不会过度损伤围岩，又保护围岩自稳性，带仰拱施工作业空间大，有利于大型机械设备施工，省时、省力、安全，辅以超前支护、超前注浆等措施后更能保证开挖安全、高效掘进[1]。

轻微、中等变形等级采用两台阶（下台阶带仰拱）工法，严重大变形段落根据需要采用两台阶（下台阶带仰拱）+临时仰拱+预留核心土，一支初支预留变形量15 ㎝、二支预留变形量25 ㎝，根据施工监控量测数据动态调整设计及支护参数，有效发挥一支、二支承载作用，提高二次衬砌施作安全系数。

4.5 主动控制

软弱围岩施工多先探后挖，采用超前地质预报与超前支护相结合，跃龙门隧道因局部构造严重扭曲，节理裂隙发育，围岩极度破碎，普通砂浆锚杆钻孔完成后极易塌孔、缩孔，通过可操作性、工效对比，中空锚杆最适合软岩大变形段落锚杆体系，能有效发挥锚杆支撑、悬吊、组合梁、加固作用，辅以专业锚杆钻机，能快速提高围岩自承能力、抗剪强度、屈服后残余强度，有效改善围岩连续性、抵抗高地应力软岩短期及长期大变形，通过地质雷达、声波测试法探明松动区，动态优化锚杆参数及施作位置[2]。

两层初期支护均采用锚杆进行主动加固，1 支φ22 mm 短锚杆，长4 m，2 支φ32 mm 长锚杆，长6～8 m，长短锚杆相结合，先短后长形成群锚效应，轻微变形段落采用4 m+6 m 锚杆组合方式，使围岩松弛得到短锚杆锚固而减速，控制塑性区扩展和初期变形，中等、严重大变形段落采用4 m+（6~8）m 锚杆组合方式，对围岩深层松动圈进行加固，进一步减缓围岩和初支变形，有效控制软岩大变形，施工中长锚杆施工步距按滞后上台阶10 m，滞后下台阶5 m 控制，在双线大变形Ⅲ型特殊衬砌段落，仰拱增加φ32 mm，长8 m 自进式锚杆，采用全环锚杆支护结构。

长短锚杆交错梅花形布置，纵横间距1.2 m×1.0 m～1.2 m×1.2 m（环×纵），钻孔与初支面基本垂直，采用有压注浆，压力0.3～0.5 MPa，快凝早强无收缩注浆料60 min 内强度可达到20 MPa，安装垫板及紧固螺母后，要求螺母极限载荷不小于190 kN[3]。

图1 采用长短锚杆群锚组合

以跃龙门隧道右线YD2K99+685～YD2K100+570 大变形段长短锚杆施作效果为例，施作后，初支变形得到有效控制，具体数据见表1。

表1 围岩级别及设计施工方法

采用全站仪自由设站观测方式进行非接触量测，测点采用膜片式反射片作为标靶，间隔5 m 设置一个监测断面，此段内变形较大断面共计139 个，其中，拱部沉降最大断面为YD2K100+190，累计拱顶沉降值298.1 mm，其余断面累计拱顶沉降值在25.2～285.2 mm；其中，水平收敛最大断面为YD2K100+180，累积收敛值为326.3 mm，其余断面累计收敛值在14.6～319.2 mm，通过收敛曲线和回归分析时态曲线分析，长短锚杆组合能控制围岩、初支持续变形，初支施作使得围岩荷载效应传递给周边围岩，初期支护仅承担少部分荷载，随着浅层围岩松动荷载和深层围岩形变荷载被锚喷支护体系主动干预，发挥围岩自承能力，减少初支及衬砌被动受力破坏，为后续工序安全施工提供保证。

4.6 衬砌施作时机

跃龙门隧道因四线并行开挖，衬砌施作时机至关重要，群洞效应下太早施作衬砌易产生变形，太晚施作衬砌既不安全又使工效降低，通过量测数据及理论计算，衬砌施作时机必须同时满足初支变形稳定、安全步距、后行洞初支封闭成环且收敛3 个要求，此时施作隧道衬砌既能满足建筑限界和内轮廓要求，又能满足运营阶段安全储备和极限条件下预留30 ㎝套衬施作可能性[4]。

群洞效应下要保证二次衬砌结构安全，先行洞二支必须在后行洞掌子面开挖至先行洞一支时，再施作先行洞第二层支护，在左右线初期支护全部收敛后再及时施工二次衬砌，有效避免左右线相互扰动、避免后行洞施工对先行洞造成影响，二衬安全步距阈值为300 m，对于高地应力大变形隧道段落初支变形长时间未收敛，施工中需采用动态设计及时补强措施，二衬安全步距可适当调整，最大限度地满足衬砌结构混凝土密实性、水密性、强度充分，无潜在裂缝、冷缝、脱空（空洞）、不密实、掉块、渗漏水等质量缺陷隐患。

5 结语

软岩大变形隧道施工，最基本作业工序为开挖和支护，开挖扰动地层围岩后，通过施作初支、二衬结构，控制隧道周边围岩力学动态，构筑长期稳定隧道构造物，完成围岩、地下水及周边环境再次平衡，实现“预设计—施工—变更设计—施工—竣工”动态、信息化过程。采取“先控制、后释放”软岩控制方法，既能满足隧道使用功能，又能保证隧道耐久及可维修性，通过超前地质预报、监控量测、超前预加固等措施，让隧道开挖及支护结构既针对又灵活。以软岩大变形隧道工程案例为经验资料，结合数字化、信息化技术，在施工中不断总结和探索，保证软岩大变形隧道施工安全、科学、有效。