挤压破碎带极高地应力隧道建造技术研究*

吴发展

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

兰渝铁路控制工程木寨岭隧道是极高地应力软岩大变形隧道，是全线唯一动态设计、动态施工的隧道[1]。为解决高地应力软岩隧道的围岩大变形问题，王小林等[2]对比瑞士圣哥达基线隧道，采用对比分析的方法，从大变形机制、围岩分级及变形控制方面研究工程技术措施；针对隧道穿越断层带的挤压性大变形问题，侯国强[3]从软岩大变形特征和施工技术入手，改进锚杆工艺，研究了长锚杆及其施工质量对大变形的控制效果；鲜国[4]根据隧道软岩段实际围岩条件和工程进度需要，提出带仰拱一次开挖的全断面(含仰拱)法，开挖方法是决定软岩隧道施工的关键因素；李国良等[5]结合隧道挤压性围岩的高地应力和地质特征,探讨按相对变形、初支裂损程度、断面大小等因素进行挤压性地层围岩级别分类的方法，提出挤压性围岩隧道的设计和大变形的系统治理技术。为解决木寨岭隧道挤压破碎带极高地应力软岩大变形施工难题，开展了应力释放、支护措施攻关等工作。

1 工程概况

木寨岭隧道为两座单线隧道，隧道左线全长19 095m，右线全长19 115m，隧道主要穿越断层挤压破碎带，洞身共发育11个断裂，穿过3个背斜及2个向斜构造[6]，水平地应力实测值为38.38MPa，属高地应力区；隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占全隧的46.53%，湿陷性黄土、山体滑坡、泥石流、岩堆、高地应力变形区等各类软岩段总计长约16.1km，软岩占全隧长度的84.5%。受高地应力的影响，围岩极不稳定，挤压大变形明显，变形大、变形快、地质流变性强、极易发生坍塌现象[7]，采用传统的支护体系软岩核心区最大变形量达4 306mm，平均变形量达1 500～2 000mm，大面积出现初期支护扭曲破坏等支护结构破坏现象，岭脊核心段初期变形速率一般在50～100mm/d，最高达932mm/d；变形持续时间长，一般需60～90d才能将变形速率控制在1～3mm/d，与国内判定变形稳定0.2mm/d的标准相差极大。围岩变形导致项目在施工中超挖严重、初期支护喷射混凝土开裂掉块、工字钢扭曲挫断、预留变形量控制难、混凝土用量大等一系列问题。

2 围岩变形机理

1)炭质板岩物理力学性质

现场取样室内试验，炭质板岩的天然含水率为0.45%～0.5%，天然密度为2.73g/cm3。炭质板岩经过D/max-2500 X射线衍射仪分析，其成分为：石英58%，蒙脱石8%，绿泥石13%，伊利石2%，菱铁矿7%，高岭石1%，黄铁矿7%，石墨6%。该岩石的主要成分为石英，其次是蒙脱石，再其次是绿泥石、伊利石、菱铁矿等矿物成分。由于石墨的存在，岩石会发生脆断，蒙脱石、伊利石黏土矿物的总含量为10%，使岩石具有一定的膨胀性，遇水后软化成泥状，与工程实际符合度较高。

炭质板岩单轴压缩试验在WDT-1500多功能材料试验机上进行，岩样1-2，2-12，2-11，3-3在达到峰值应力后，应力迅速丧失，表明岩样已经不能承担荷载，岩样完全破坏，这是由于该类岩样主要是在薄弱面上破坏。岩样2-6和2-1在达到峰值应力后，随着时间的增长，却仍能继续承担荷载，表现出残余强度，该类岩样内部裂隙分布较为均匀，无明显薄弱面，进入到应变软化阶段以后，形成较多的宏观断裂面，而这些断裂面之间可以依靠相互摩擦、咬合作用抵抗外力，承担荷载(见图1，2)。

图1 天然岩样应力-时间关系曲线

图2 饱和岩样应力-时间关系曲线

炭质板岩的成岩过程复杂，在高应力作用下流变特性比较明显，在多数应力水平下，瞬时应变占总变形量的80%～90%[8]。

2)高地应力作用

经地应力测试，大战沟斜井位置的最大水平主应力为14～17MPa，最小水平主应力为8～9MPa，用上覆岩层质量估算的垂直应力为4～5MPa，该孔三向主应力值的关系为SH>Sh>SV，表明该处岩层承受显著的构造应力作用，其地应力特征以水平构造应力为主导；该孔最大水平主应力方向为北东向。在水平构造应力作用下，隧道开挖引起围岩应力重分布，径向围岩压力小于起始膨胀压力，软岩和破碎带岩体发生塑性变形和剪切滑移破坏，挤压性围岩变形侵限导致初期支护破坏，影响工程安全。

3)地下水影响

在构造力的作用下，隧道断层破碎带为地下水的贮存运移创造了条件，开挖过程中出现地下水加剧了变形的发展，岩石饱水后，岩石节理间的填充物湿化，水在岩石裂隙中流动，部分矿物质被溶解，这是强度降低的主要原因。

断层破碎带分布密集，破碎带及其附近影响区域围岩极破碎、自稳性极差，且围岩呈极发育，支护体系变形较大，因此，在断层破碎带地段施工，为确保施工安全，需进行必要的围岩支护体系加固工作，对挤压变形控制技术进行研究。

3 变形控制研究

木寨岭隧道岭脊一般段以二叠系炭质板岩、板岩为主，围岩破碎，稳定性差，开挖后易失稳坍塌，因此，依据隧道断面尺寸和围岩地质情况，确定开挖方法和支护参数，合理安排施工工序，主动控制高地应力软岩大变形问题[9]，加强支护措施、优化结构轮廓、尽量保护围岩[10]，确保隧道开挖掘进不受较大影响是施工的关键。

3.1 围岩主动加固(单层支护)

超前地质预报和超前探孔相结合(超前掌子面6m以上)，采用三台阶开挖法施工并预留核心土；辅助工法采用超前小导管和径向小导管注单液浆，小导管直径42mm，打设在拱部120°范围内，环向间距40cm，全环H175型钢拱架/0.6m。系统锚杆采用4.5m自进式中空锚杆支护并及时封闭仰拱。施工时总体遵循：“早预报、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的原则。施工时初期支护紧跟开挖面，仰供初期支护紧跟下台阶初期支护，以及时封闭减缓隧道变形。

DyK183+840—DyK183+890段围岩为二叠系下统板岩夹砂岩，薄层，节理裂隙较发育，岩体较破碎。预设计为Ⅳ级围岩，预留变形量为35cm，喷30cm厚C30混凝土厚。本段最大变形位于DyK183+875处，累计收敛达325mm，日收敛最大达25mm，初支表面开裂、剥落。对此现场采取了注浆补强、加强锁脚等措施，同时加快仰拱封闭，经加强后变形基本可控制在300mm之内。

3.2 加强初期支护刚度(双层支护+长锚杆)

采用三台阶双层支护+R32N自进式长锚杆并辅以系统注浆加固的方法，主要是先开挖上、中台阶，施作第1层支护，后开始施工R38N自进式长锚杆加强，及时进行上、中台阶径向注浆后，滞后第1层支护3～6榀钢架施作第2层支护，再开挖下台阶，施作1,2层支护及径向注浆的施工方法。施工顺序为：拱部超前支护→上、中、下台阶第1次开挖、支护→径向注浆加固→R32N自进式长锚杆加强支护→上、中、下台阶第2层支护→仰拱开挖、支护→仰拱、衬砌紧跟。

DyK180+935—DyK180+952段开挖揭示地层岩性为压碎岩，原岩为板岩夹炭质板岩夹砂岩，节理、裂隙发育，岩体破碎，石质软硬不均，局部可见石英团块呈粉末状。采用双层H175型钢拱架/0.7m、中台阶设临时仰拱为主的支护参数，该段净空收敛累积最大变形值1 248mm，最大收敛变形速率85mm/d，中台阶至起拱线位置不同程度侵限，临时仰拱破坏，对该段初支拱架及临时仰拱进行拆换处理后，变形得以控制。

3.3 早封闭初期支护(双层支护+临时仰拱)

岭脊核心段(DK180+800—DK181+800)，掌子面支护后相继发生较为严重的初期支护侧向挤出变形，变形快且时间长，基本上施工的所有段落都出现了拆换拱，部分地段二衬出现开裂，施工安全、进度受到很大影响，确定右线DyK180+935—DyK180+975段采取双层支护+临时仰拱方案。

采用三台阶法开挖，上台阶采用微台阶开挖，台阶长度4～6m，开挖高度3.6m，上台阶预留核心土；中台阶采用长台阶开挖，开挖高度3.8m；下台阶在临时仰拱拆除后开挖，开挖高度3.8m。首先进行超前支护，上、中台阶第1层开挖后及时完成1层支护，采取径向注浆加固，待上、中部1层支护超前3～5榀后，同时完成上、中台阶第2层支护，2层支护后施作临时仰拱，临时仰拱滞后中台阶开挖≤3m。在上、中部完成试验段后，向掌子面方向依次逐榀拆除中台阶临时仰拱，开挖下台阶完成第1层支护，采取径向注浆加固，施作下台阶第2层支护，最后完成仰拱、衬砌施工。

3.4 加强支护刚度(3层支护+长锚索)

对已施作双层支护+长锚索地段进行加固，设置第3层支护，加固松动圈，从而减小蠕动，达到围岩稳定的目的，保证后期结构安全。

2层支护后平均变形速率<10mm/d，基本稳定无异常情况发生。3层支护施工后，变形趋于稳定，最大变形速率6mm/d，平均变形速率<2mm/d，变形趋于稳定，但也存在一些异常情况。

3.5 应力释放小导洞

通过先行施作超前小导洞来释放部分围岩应力[11]，释放到一定程度进行扩挖施工，从而减少作用在最终成型的初期支护上的残余围岩应力，保证初期支护稳定和二次衬砌的结构安全。

1)导洞断面为7m×6.8m(宽×高)，底面与正洞底面平齐，采用两台阶法施工，仰拱封闭。

2)超前支护 导洞第1循环拱墙设置φ42超前注浆小导管，长3.0m，环向间距0.4m；第2循环开始拱部120°范围设φ42超前注浆小导管，长3.0m，环向间距0.4m；纵向每2榀钢架施作1循环。

3)超前应力释放导洞全环设H175型钢钢架，导洞开口处设置4榀钢架，间距0.5m，其他间距为0.7m；全环纵向连接采用φ22钢筋，环向间距1.0m；每榀钢架设12根φ22砂浆锚杆锁脚，长3m；拱墙设置φ8钢筋网片，网格间距20cm×20cm；拱墙喷C30混凝土，厚度33cm。

4)超前应力释放导洞仰拱采用C30混凝土，厚度103cm。

采用小导洞应力释放技术，围岩应力释放明显，导洞初期支护多处出现开裂掉块现象，拱架扭曲变形严重，在时间和空间上都得到了尽可能释放。超前导洞应力释放技术显著降低了正洞扩挖时变形速率，加快了围岩施工应力场的平衡趋势，从而达到控制变形的目的。

3.6 圆形断面导洞扩挖

圆形导洞扩挖段采用3层初支+二衬(33cm+25cm+40cm+70cm)的支护结构。隧道变形监测项目主要有隧道拱顶下沉和水平净空收敛。针对圆形开挖断面采用4层支护方案，对于第1层、第2层和第3层支护，沿隧道轴向每5m布置1个监测断面(见图3)，监测结果如表1所示。

表1 圆形扩挖段初支变形统计

图3 变形测点布置示意

对于隧道初支总位移，第1层初支分担60%左右，第2层初支分担25%～35%，第3层初支分担10%～15%。根据圆形扩挖段施工情况，确定贯通段长度50m(DYK181+100—DYK181+150)，贯通面里程为DYK181+130，变形速率在1mm/d[12]，有效控制了隧道大变形问题。

4 结语

1)围岩主动加固技术,通过优化拱架间距、增大预留变形量，增设径向注浆、衬砌厚度调整等措施，在非岭脊段前期施工中能有效控制变形。

2)木寨岭隧道岭脊核心段采用加强初期支护刚度技术，在第1层支护内层交错施作第2层支护，加设边墙长锚杆等措施，前期施工变形减小，但后期支护变形持续增大。

3)小导洞应力释放技术，围岩应力释放明显，导洞初期支护多处出现开裂掉块现象，拱架扭曲变形严重，在时间和空间上都得到尽可能的释放。超前导洞结合分台阶开挖、多重支护的地应力逐步释放技术，确保了隧道支护结构安全。

4)圆形导洞扩挖段仰拱施工完成后，变形速率虽暂未明显减小，但基本得到控制；施作第3层支护后，增强了支护刚度和强度，变形虽未完全收敛，但已基本稳定。

5)结合地质特点和隧道内围岩变形情况，采用独有的“小导洞应力释放+3层初期支护+长锚索+单层二次衬砌、圆形断面结构”的兰渝铁路“木寨岭模式”，有效控制了极高地应力软岩隧道大变形。