峡口隧道高地应力软岩段变形施工技术研究

李新亮

(中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 404100)

0 引言

随着隧道工程得到越来越广泛的应用，在地形、地貌及地质背景复杂的地区，修建穿越高地应力且地质环境恶劣的软弱围岩区的长大隧道工程不可避免［1］。在山岭深埋隧道建设过程中，除了需考虑松弛压力，还需考虑在高地应力作用下的软弱围岩蠕变压力，隧道在此状态下围岩自稳能力差，开挖易发生挤压变形，严重破坏隧道的支护结构，常规的施工技术无法有效遏制其变形的发展。由于隧道围岩软弱、地应力较高、变形大且持续时间较长，为高速公路长大隧道的设计和施工带来了重大的挑战［2］。目前我国在高地应力软岩隧道建设时，对隧道围岩变形和控制的理论缺乏系统研究，设计和施工的工程措施缺乏针对性，施工安全难以保证，工程投资难以有效控制［3］。

本文以峡口隧道高地应力软岩段为依托，开展施工技术系统研究，分析高地应力软岩隧道的地质条件、围岩及初期支护变形特征，运用超前地质预报技术手段，采用交叉中隔壁法开挖，采取喷射混凝土、锚杆、钢筋网和可伸缩性U形钢架等相结合的联合初期支护技术，并及时施作仰拱、二次衬砌等支护措施，有效地控制了峡口隧道进口段高地应力软岩大变形。对国内外同类工程施工具有很好的现实意义和借鉴价值。

1 工程概况

峡口隧道位于湖北省兴山县峡口镇境内，是宜巴高速公路重点控制性工程，具有“高地应力、软岩、顺层、断层、深埋、大变形”等特点，隧道区地层岩性主要为砂质粉砂质页岩、炭质页岩、砂质泥岩、粉质泥岩，围岩岩体较破碎、拱顶易顺层片落。地下水以基岩裂隙水为主，偶有线状渗水现象。隧道最大埋深约1 500 m，属深埋特长隧道。

隧道围岩内部存在着高地应力，隧道区的地应力场以水平应力为主导，水平地应力以构造应力为主;其中，最大水平主应力与隧道轴线的交角较大，对隧道围岩的稳定性不利;地应力量值中炭质页岩为极高应力。隧道现场断面测试结果［4］显示，洞身最大水平应力为13.06 MPa，横断面最大初始应力 σmax=12.37 MPa，对应岩体(炭质页岩、砂质页岩、砂质泥岩、粉质泥岩)的单轴抗压强度 Rc=2.5 MPa～8.7 MPa，Rc/σmax=0.2 ～0.7。根据《工程岩体分级标准》［5］，地应力等级为高、极高地应力，隧道极易产生大变形。

2 隧道变形特征

峡口隧道高地应力软岩段洞身围岩岩体比较破碎，拱顶易顺层片落，隧洞侧壁偶有掉块现象;洞室多呈干燥状，且局部裂隙滴状渗水，偶有线状渗水现象。隧洞掌子面揭露的围岩情况表明，该段围岩岩体节理、裂隙遍布，岩体非常破碎，岩层多呈薄层、交互状，开挖后围岩自稳能力差，易坍塌。

该洞在此段原设计采用台阶分部开挖法，初期支护施工实际采用Ⅰ16，Ⅰ18及Ⅰ20工字钢+喷锚支护，榀间距60 cm～100 cm，喷射混凝土厚度22 cm～30 cm不等，锚杆长度3 m～3.5 m，锚杆纵向间距与钢支撑间距一致，环向间距为1.2 m。隧道开挖支护完成后，围岩发生大变形，部分断面发生侵限现象。其中YK105+076～YK105+100段通过监测数据显示局部最大拱顶下沉量累计达到了64 cm，周边收敛最大11 cm，远大于初始预留变形量。

隧道初期支护衬砌裂缝先自拱脚部位产生，最初为羽状剪裂纹，随后向拱顶发展，最后形成贯穿裂缝，裂缝宽度达1 cm～2 cm。在高地应力软岩段，围岩变形强烈，而且持续时间长。在初期变形后，变形并没有停止，而是以等速继续发展，甚至加速发展，多呈不收敛的趋势，反映了高地应力作用下围岩具有软弱和显著的流变性特征。隧道围岩的持续变形，使初期支护变形过大而发生破坏，不得不进行拆换拱或套拱施工，对隧洞安全十分不利。

3 变形施工技术

在高地应力软岩隧道施工过程中，处于高地应力环境稳定状态岩体遭到破坏，引起围岩应力重分布和局部区域应力集中，引起围岩塑性和粘性流动，产生随时间增长的变形。另一方面，经常由于设计施工初期对高地应力软岩隧道认识不足，采用较弱的初期支护参数、不合理的开挖方法、未及时支护等，直接导致围岩变形发展快，造成变形超限，甚至引起坍塌失稳。

工程实践表明，工程扰动是产生隧道大变形的主要外部因素;而不合理的支护参数、开挖方法等是产生大变形的直接原因。峡口隧道高地应力软岩段施工过程中，采取深入分析围岩变形机理，采用结合超前地质预报技术，调整优化施工工艺、支护参数等综合施工技术措施，控制围岩变形的发展，使围岩重新处于新的平衡状态。

3.1 超前地质预报

目前国内外超前预报主要采用TSP超前预报系统、围岩地质素描和超前水平钻孔［6］等方式。在峡口隧道高地应力软岩段开挖前，为了解前方地质情况，主要采用TSP超前地质预报技术进行工作面前方地质预报，TSP超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。其中YK104+858～YK104+978范围TSP探测结果的工程地质评价如表1所示。

表1 TSP探测结果的工程地质评价

探测段YK104+858～YK104+978中，岩性为灰岩夹页岩、页岩;灰岩呈中厚层状，镶嵌碎裂结构;页岩呈中薄层状结构;整体上水量不大，呈潮湿或滴水状;炭岩段因岩性较硬且地层倾向掌子面前方，稳定性一般，仅局部易掉块;页岩段，岩体软弱，易大变形和坍塌，建议加强并及时进行初期支护。

3.2 超前支护加固

峡口高地应力软岩段隧道，因隧洞区围岩破碎、地应力高、开挖施工后不能自稳，为保持拱部围岩稳定。施工过程中在掌子面掘进前采用小导管注浆预加固技术。小导管制作采用的热轧无缝钢管外径为42 mm、壁厚为3.5 mm，小导管前端呈尖锥状，以减少入孔的阻力，注浆压力选择为0.5 MPa～1.0 MPa。在小导管2.9 m长度范围内的管壁四周钻6 mm压浆孔，呈梅花形布置。小导管间距为15 m，尾部有1 m不设压浆孔，焊上Φ6的箍筋。前后两循环小导管纵向搭接长度不小于1 m，以保证超前支护的连续性。施工时小导管与衬砌中线平行，以10°～15°仰角打入拱部围岩，并通过小导管将水泥浆强制注入至拱部岩石裂隙内，能够极大的提高隧洞开挖安全性，有效的防止了坍塌。

3.3 合理开挖方法

对于软弱围岩隧道采用台阶法施工，各施工工序间距太长，仰拱闭合滞后，无法及时形成封闭的支护结构体系，衬砌不能紧跟浇筑，致使初期支护的支护强度不足，易导致开挖大变形，甚至引起坍塌失稳，经常不得不进行初期支护拆换、隧洞扩挖等处理措施。

峡口隧道高地应力软岩段原设计施工采用环形台阶法开挖，出现围岩大变形后，改用为中隔壁交叉法开挖。中隔壁交叉法采用先开挖隧道一侧的一或二部分，并施作部分中隔壁和横隔板;再开挖隧道另一侧的一或二部分，完成横隔板施工;然后再开挖最先施工一侧的最后部分，并延长中隔壁，最后开挖剩余部分的施工方法。其将断面分块，减小开挖跨度和降低开挖高度，形成分部开挖，分块成环，及时封闭，环环相扣，形成全断面初期支护封闭结构。中隔壁交叉法可有效减缓围岩变形速率，承受围岩压力，对于控制围岩大变形，具有明显的效果。

3.4 强化初期支护

峡口隧道高地应力软岩段初期支护调整采用锚+喷+网联合支护结构，按照初喷混凝土、立U形钢架、打锚杆、挂钢筋网、复喷混凝土至衬砌设计厚度的顺序，紧跟隧道开挖面进行支护施工。其调整后参数为:喷射混凝土26 cm;全断面布置φ8钢筋网(25 cm×25 cm);钢拱架采用U29的型钢，其间距为1.2 m;型钢间采用φ22纵向连接筋连接成整体;锚杆采用长4 m的φ22砂浆锚杆，纵环向间距为120 cm×100 cm，梅花形布置。

3.5 适时二次衬砌

隧道二次衬砌施作时机对于控制高地应力软岩隧道变形具有重要作用，衬砌时机不当，易导致二次衬砌破坏，隧道净空被侵限。为保证隧道能够抵御巨大形变压力，峡口隧道高地应力软岩段二次衬砌应采用钢筋混凝土结构，混凝土最小厚度为45 cm，在围岩监控量测结果收敛后再进行施工。对于大变形隧道，具有变形量大、收敛速度慢的特点，隧道在远未达到规范要求的收敛变形速率时初期支护可能就已失稳破坏，合理的二次衬砌施作时机对于大变形隧道至关重要。峡口隧道高地应力软岩段变形速率小于1 mm/d～2 mm/d时，立即施作45 cm厚的钢筋混凝土二次衬砌，距离掌子面70 m～80 m左右，让衬砌承受部分形变压力，可有效控制大变形发展。这是软岩大变形控制中“先放后抗”的原则。

4 围岩监控量测

峡口隧道高地应力软岩段围岩监控量测项目包括支护结构受力量测和围岩变形量量测。

4.1 支护结构受力量测

为掌握峡口隧道高地应力软岩段隧洞开挖后围岩压力分布特点，以及初衬、二衬施作后受力随时间的变化规律，研究隧洞在现有施工技术下的变形控制效果。开展现场支护结构受力监控量测。采用埋设压力盒和钢筋应力计进行量测，根据隧道现场情况，选定某些典型断面进行现场监测。分别在断面拱顶、两侧拱腰和拱脚位置布设土压力盒和钢拱架表面应变计。其中YK105+122断面监测结果如图1，图2所示。

图1 YK105+122断面接触压力监测曲线

图2 YK105+122断面钢拱架应变监测曲线

YK105+122断面在埋设监测元件前，隧洞初衬已产生贯通性裂缝，并对拱顶进行了清理和换拱工作，使得围岩压力得到进一步的释放。

根据围岩接触压力监测结果图1可知，在监测时段内，该断面围岩与结构接触压力具有不断增加趋势，最大应力达100 kPa左右。钢拱架表面应变计监测结果如图2所示，其显示断面换拱后钢拱架受力持续增加，两拱腰与拱顶处受力最大，其中右拱腰最大应力为223.5 MPa。虽然该断面目前仍处于非稳定受力状态，但均处在安全范围，且随时间变化其应力增加缓慢。说明断面受高地应力作用，围岩岩性较差，不断向洞内挤压变形，后期伴随高地应力的完全释放、二次衬砌施作，围岩将重新达到稳定状态，钢拱架受力将趋于稳定。

4.2 围岩变形量量测

隧道围岩变形量量测包括拱顶下沉量量测和水平位移量量测。围岩变形量量测是隧道围岩应力状态变化最直观的反映，为判断隧道空间的稳定性提供可靠的数据，可根据变形速度判断隧道围岩的稳定程度。主要用于指导施工，判断施工技术效果，能够及时掌握隧道整体的稳定情况。

拱顶下沉与水平位移量测点布设为同一断面，采用隧道周边、拱顶位置埋设测点进行拱顶变形量测。隧道拱顶下沉采用精密水准仪、收敛计和挂钩钢尺量测，并配以拱顶点挂钩吊挂;水平收敛量测采用数显式收敛计进行监测。洞内每隔5 m～20 m设置一处观察断面，尽可能靠近开挖工作面埋设，一般为0.5 m～2 m。初读数在开挖后12 h内读取，最迟不超过24 h，而且在下一循环开挖前，完成初期变形值读数。其中YK105+240断面围岩变形量测结果如图3，图4所示。

图3 YK105+240断面拱顶累计沉降量与沉降速率

图3显示，监测断面 YK105+240拱顶累计沉降量达－116.4 mm;拱顶沉降变形较大，支护初期沉降速率较大，围岩变形发展较快。

图4表明，监测断面YK105+240累计水平收敛66.64 mm;显示断面开挖卸荷后水平收敛速率较大，水平位移快速增长。说明该段隧洞围岩岩性较差，初始地应力水平高，隧洞开挖后围岩产生挤压大变形，围岩自稳能力差。但伴随高地应力软岩隧道变形施工技术的相关施工措施实施，围岩变形速率明显得到很好的控制，拱顶位移缓慢增长、下沉量不再增长，水平位移增长缓慢，围岩趋于稳定。

图4 YK105+240断面周边收敛量与收敛速率

5 结语

1)高地应力软岩隧道具有围岩变形强烈，且持续时间长。通过采用超前地质预报探明掌子面前方地质情况，对施工可能诱发的地质灾害建立预警系统，进行动态化施工，是高地应力软岩隧道变形施工技术有效的手段。

2)峡口隧道高地应力软岩段采用的小导管注浆预加固，交叉中隔壁法开挖，锚、喷、网联合支护结构，适时二次衬砌等综合变形施工技术，是保证隧道围岩变形稳定和支护结构安全的重要技术措施。

3)隧道围岩支护结构受力量测和净空变形量测结果显示，峡口隧道高地应力软岩段伴随变形施工技术的相关施工措施实施，围岩变形速率明显得到很好控制，位移增长缓慢，围岩趋于稳定。表明峡口隧道高地应力软岩段变形施工技术是科学的、合理的，对国内外类似工程建设具有很好的借鉴意义。

［1］刘 高，张帆宇，李新召，等.木寨岭隧道大变形特征及机理分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(S2)：5521-5526.

［2］李鸿博，戴永浩，宋继宏，等.峡口高地应力软岩隧道施工监测及支护对策研究［J］.岩土力学，2011(S2)：496-501.

［3］房 倩.高速铁路隧道支护与围岩作用关系研究［D］.北京：北京交通大学博士学位论文，2010.

［4］陈卫忠，李海波，黄理兴，等.湖北省宜巴高速公路17标段峡口隧道地应力测试报告［R］.武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2012.

［5］GB 50218-94，工程岩体分级标准［S］.

［6］赵天熙.超前地质预报技术在西格二线关角隧道的应用［J］.铁道建筑，2010(2)：34-37.