高地应力软岩隧道变形特征与控制技术研究

张绪和

(中铁十二局集团有限公司，山西太原 030024)

0 引言

云南地区位于欧亚板块和印度洋板块相互碰撞汇聚形成的青藏高原，地质构造复杂，新构造运动强烈，以活动断裂规模大，分布密集，地震活动频繁，震级大，地震破裂带长，位错量大为主要特征。受复杂的大地构造背景的影响，该地区隧道处于高地应力区，施工风险高、难度大，隧道施工过程中常出现较大变形和塌方等工程事故，严重制约隧道的施工安全和进度。位于该区域范围内的成昆线扩能改造工程广通—昆明段老东山隧道，施工过程中出现了严重的围岩大变形，洞身左右侧围岩变形呈不对称分布，初期支护喷射混凝土开裂、脱落，型钢屈服。

本文针对广昆线老东山隧道构造挤压带段的围岩大变形问题，通过对隧道初期支护变形特征和原因进行系统分析，确定了控制围岩变形的控制原则和具体控制措施。

1 隧道变形破坏特征与机理分析

1.1 水的影响大

初期支护变形开裂均受渗水或股水的影响，软岩遇水泥化，无自稳能力，并向开挖轮廓外延伸，作用于初支的压力增大，初支总是从小变形开始，然后累积到一定的程度，在一处或者几处关键部位首先产生破坏，进而导致整个支护系统失稳。

1.2 变形大、距离长、比例高

围岩下沉量大于收敛量，平均下沉量大于20 cm，最大下沉量可达45 cm，平均收敛量大于15 cm，最大收敛量可达40 cm;单次初期支护变形开裂最小距离均在15 m以上，变形开裂段落占施工段落比例超过35%，严重影响了施工安全和进度。

1.3 变形速度快

初期支护后下沉速率一般可达到30 mm/d、收敛速率一般可达到25 mm/d，特殊地质段下沉速率最大可达到70mm/d、收敛速率一般可达到48 mm/d，而且其变形速度降低缓慢。

1.4 突变几率高

由于隧道沉降收敛速度高，在短时间内，围岩强度降低，地压随时间增长，围岩变形破坏发展迅速，围岩与支护结构相互作用，导致薄弱环节发生的突变几率高。

1.5 破坏大

围岩变形的破坏力大，突变易造成初期支护钢架发生折曲，甚至折断，变形开裂主要出现在线路右拱腰处，呈纵向开裂，随时间推移出现环向开裂并不断加剧。目前2号斜井正洞掌子面由于强大的围岩应力，累计挤出位移4 m多，50 cm厚钢筋混凝土封堵墙被完全破坏。

2 变形控制措施研究

2.1 变形控制原则

隧道开挖支护的全过程实质上是一个应力重分布从而达到一个新的应力平衡的过程，在这个过程中，初始原岩应力一部分由未开挖的岩体承担，另一部分由支护结构承担。在新奥法理论中，强调采用柔性支护，以使围岩分担较大的荷载，从而减小作用于支护结构上的荷载，但其前提条件是围岩本身能够承受足够大的围岩压力，否则就有可能导致围岩塑性区不断扩大而最终失稳破坏。对于处于高地应力条件下的软岩隧道而言，一方面由于处于高地应力区，其初始原岩应力很大，另一方面岩体本身承载力极低，所能够分担的应力很小，单纯采用传统的“以放为主，先放后抗”的围岩变形控制原则，势必会导致围岩极快的达到其屈服强度而失稳破坏。

因此，对于高地应力软岩隧道，必须改变传统的“以放为主”的变形控制原则，采用“抗放结合，加强初支”变形控制原则，从提高围岩及支护结构的承载力等多方面进行控制，施工过程中采取“宁强勿弱，宁补勿拆、岩变我变、及时封闭”的支护理念，通过提高初期支护的强度和刚度来控制隧道围岩产生过大变形，同时通过预加固提高围岩的承载力，并根据围岩的变化特征及时动态调整支护参数，以达到对围岩变形的有效控制。

2.2 变形控制措施

在总结经验教训的基础上，经过多次研究，以通过围岩量测和地应力测试为支撑，采用“刚性支护”作为控制变形的理念，坚持“快挖、快支、快闭合”的基本原则，并且配合多项针对性的辅助措施，对施工过程实施“动态管理”，实现变形开裂的长期有效可控。具体按“掌子面先行位移、掌子面挤出位移、掌子面后方位移、各台阶拱脚下沉和地下水对初期支护影响”等五个方面来进行控制。

2.2.1 掌子面先行位移控制

通过加密超前小导管纵、环向间距的方式控制掌子面先行位移，确保其位移值控制在总位移值的30%以内。小导管的长度和纵向间距由型钢钢架纵向间距确定，一般地段采用长度为3 m～3.5 m，1.2m ～1.8m 一环，环向间距30 cm ～40 cm;地质较差段落每循环施作超前小导管，小导管长度为3 m，1.2 m一环;地质差异较大时，加密地质较差侧的小导管环向间距，间距控制在25 cm～30 cm，此法的实施有效控制了掌子面的先行位移(见图1)。

2.2.2 掌子面挤出位移控制

通过采用环向开挖预留核心土的方式控制掌子面挤出位移，确保其位移值控制在70 mm～100 mm。当位移值超出70 mm时，通过对掌子面实施钢管支护和喷射混凝土封闭等方式控制挤出位移，具体采用 φ42注浆钢花管，2.5 m/根，间距 100 cm ×100 cm，梅花形布置，两循环打设一次，喷射10 cm厚C25混凝土封闭掌子面(见图2)。

图1 超前小导管控制先行位移

图2 注浆钢花管控制挤出位移

2.2.3 控制掌子面后方位移

通过采用大刚度钢支撑、增加预留沉落量、非爆开挖、提高喷射混凝土强度等方式控制掌子面后方位移，确保其位移速度控制在20 mm/d。根据现场施工实践，坚持按“快挖、快支、快闭合”的施工原则组织施工，尽可能缩短工序作业时间、减小作业循环总时间。

1)双层钢架支护法。

为有效控制初支变形开裂，经多次实践和综合比选，施工过程中，在地质差异大、挤压扭曲严重、受地下水影响较大的地段采用了“双层钢架支护法”对初期支护进行加强(见图3)。

“双层钢架支护法”是初期支护采用Ⅰ22b双层型钢钢架，即在80 cm开挖范围内设置两榀弧长不同的型钢钢架，使初期支护形成内外两层，既减小了钢架的间距又增加了喷射混凝土的厚度。该方法由于工程量较大、工序复杂，仅在老东山隧道2号斜井正洞围岩地质极为复杂、挤压扭曲严重、富水地段使用，对变形的控制效果非常明显。

2)大拱脚台阶法。

“大拱脚台阶法”是施工过程中通过分别在上、中台阶拱脚处设置扩大基础的方式加强初期支护刚度，有效控制初支沉降，同时根据实际揭示地质情况适时增设“临时仰拱”的一种施工方法。一般地段采用Ⅰ22型钢钢架，地质较差地段采用H175或Ⅰ22b型钢钢架，间距60 cm;将设计的单层连接筋调整为双层连接筋同时增大钢筋直径和加强锁脚。在老东山隧道进口试验段施工中，对于地下水影响较小的复杂地质地段抑制围岩及初支变形效果明显(见图4)。

图3 双层型钢钢架支护

图4 大拱脚台阶法斜撑设计图

3)液压式松土器配合欠挖式爆破开挖技术。

通过“欠挖式爆破”配合松土器开挖的方式逐步替代全爆破开挖法，减少了超挖，降低了爆破对围岩和支护结构的扰动;将喷射混凝土强度提高到C30，进一步增加了喷射混凝土的强度。通过上述施工工艺和支护参数的优化，有效地控制了掌子面后方位移，效果较为明显。目前14 d内支护闭合成环，掌子面与仰拱、二衬距离分别控制在30 m和60 m内(见图5)。

2.2.4 各台阶拱脚下沉控制

通过调整钢架连接板厚度、设置大拱脚、大锁脚锚管、在拱脚处设置纵向连接系统等方式控制各台阶拱脚下沉，确保其下沉值小于拱顶下沉值。钢架连接板厚度由14 mm调整为20 cm～25 cm，增加连接刚度强度;上、中台阶钢架增设大拱脚，分散上部荷载;设置φ76锁脚锚管，加大锁脚的承载力;在钢架拱脚设置Ⅰ14连接型钢，加强了钢架间的纵向连接。通过以上措施的综合作用，增强了初期支护的整体抵抗作用，有效的控制了各台阶拱脚的下沉(见图6)。

图5 松土器配合开挖

图6 实施大管棚锁脚和纵向托梁加强支护

2.2.5 对地下水影响的控制

施工实践证明，软弱围岩的强度受地下水的影响十分敏感，围岩遇水后会发生显著的软化和泥化，主要表现在突发性和后发性两个方面。根据专家意见，现场采取了预防为主的方式进行处理，对于突发性水的影响，主要采取定期进行水平钻孔放水引流的方式处理;对于后发性水的影响，主要采取初期支护预埋钢花管排水的方式处理;对地下水丰富的段落，中、下台阶采取分次落底的方式，有效降低了地下水对施工和支护结构的影响。

3 变形控制效果分析

针对老东山典型高地应力软岩隧道，采用以上综合动态控制技术，对老东山隧道大变形段从掌子面先行位移、掌子面挤出位移、掌子面后方位移和各台阶拱脚下沉等方面采取控制措施，取得了较好的变形控制效果。

围岩变形值及变形速率。在变形控制技术实施前，老东山隧道进口典型地质地段的拱顶下沉和边墙收敛曲线分别如图7，图8所示，采取措施后的拱顶下沉和边墙收敛曲线分别如图9，图10所示。

图7 采取措施前拱顶下沉—时间曲线

对比分析隧道进口典型地质段拱顶下沉及水平收敛数据可知，变形控制技术实施前，隧道拱顶最大下沉速率为70 mm/d，最大收敛速率48 mm/d，累计下沉和收敛分别为42 cm，30 cm;变形控制技术实施后，拱顶最大下沉速率减为36 mm/d，最大收敛速率减为30mm/d，累计下沉和收敛分别减为24 cm，18 cm。通过对施工方案和变形控制措施的优化，隧道围岩及初支变形得到了有效的控制，虽然在施作仰拱和渗水段围岩变形仍会有一定的波动，但围岩变形在可控范围内。

4 结语

1)通过高地应力软岩隧道变形特征的分析，确定了其变形机理，高地应力软岩隧道产生大变形的主要原因是由于高地应力作用下软弱围岩超过其屈服强度而产生塑性挤出引起的，而地下水的存在又进一步降低了软岩的屈服强度。

图8 采取措施前周边收敛—时间曲线

图9 采取措施后拱顶下沉—时间曲线

图10 采取措施后周边收敛—时间曲线

2)高地应力软岩隧道应采用“抗放结合、宁强勿弱、宁补勿拆、岩变我变、及时封闭”的支护理念，通过提高初期支护的强度和刚度来控制隧道围岩产生过大变形，以达到对围岩变形的有效控制。

3)提出了超前加固，封闭掌子面，采用双层初支，扩大拱脚等具体变形控制措施，较好的控制了隧道围岩的变形，保证了隧道的施工安全，在老东山隧道工程实践中取得了良好的变形控制效果，保证了隧道的施工安全。

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