软弱围岩隧道大变形的产生原因及控制

李达昌，宋俊洁

（1.中铁三局集团有限公司，太原030001；2.山西大秦物流有限公司汽车物流分公司，太原030600）

1 工程概况

关西隧道全长4 843 m，采用单洞双线断面形式，三台阶法施工。隧道最大埋深约198 m，最浅埋深8 m。设斜井一处，斜井位于线路前进方向右侧，与隧道正洞交于DK108+950，斜井全长554 m，综合坡度为10.4%，采用无轨运输双车道断面。其中，关西隧道出口段位于浅埋段稀土采矿区，岩性主要为凝灰岩砂岩夹疑灰质页岩、干枚状板岩等，全～弱风化，全风化，受稀土矿草酸采矿工艺影响，原岩结构化学反应后基本破坏，节理裂隙较发育，受力复杂，易产生大变形。

2 软弱围岩隧道大变形的关键原因

采矿区浅埋段围岩受外部环境的影响较大，主要存在受草酸剥蚀的问题，隧道内围岩大幅度变形。基本特征及其成因主要有：

1）变形覆盖范围广、速度快。软岩在短时间内快速变化，水平收敛300～400 mm，拱顶下沉150～200 mm。局部板岩地段含丰富的炭质，且伴有较大流量的地下水，受自身特性以及水体侵蚀的双重作用，板岩存在明显的变形现象，具有持续发展的趋势。

2）变形的时间及分布较为特殊。围岩变形具有持续性，在长期的作用下将形成临空面，局部在施作二衬后依然有明显的变形。围岩变形无明显的分布规律，缺乏对称性，采取支护措施后，各段围岩的变形差异性较为显著。相比于拱顶下沉速度而言，早期围岩的破坏程度更深，无论是水平收敛速度还是变形速度均较大。

3）围岩变形具有重复性。在落实初期支护工作后，总体上围岩具有趋于稳定的变化趋势，但随着施工进度的持续推进，围岩依然存在变形现象，且以爆破施工场景下的围岩变形量最为明显，不利于支护的平衡性与稳定性。由此表明，隧道围岩的变形并非在完成支护作业后便停止，而是在后续施工中重复发生，由此加大变形的控制难度。

4）围岩性质不稳定，遇水软化。以炭质片岩较为明显，其在遇水后存在软化现象，地下水渗流区域的变形量显著加大。

鉴于上述所提的围岩变形特征，进一步探究其成因：隧道施工现场的软岩分布范围广、数量多，具有沿着片里面蠕动滑动的特性，期间伴有不同程度的软质岩流变化；且围岩构造的完整性不足，强度相对较低，导致其变形和流变现象持续发生；围岩的抗剪切强度低，遇爆破等施工振动后失稳现象进一步加剧；地质构造特殊，易发生扭曲变形现象，此过程中形成丰富的节理和摩擦镜面，再次破坏围岩的完整性。在多重因素的共同作用下，围岩持续变形且造成较大范围的不良影响。

3 软弱围岩隧道大变形的控制措施

以隧道围岩变形的特点及成因为立足点，结合工程质量要求以及现场施工条件，探讨软弱围岩大变形的控制措施。

3.1 浅埋稀土采矿区围岩大变形的控制

对于局部浅埋稀土采矿区围岩受草酸剥蚀的情况，技术人员从现场采集岩石及水样，转至实验室内展开试验，探寻在草酸剥蚀条件下的围岩受力特性，同时分析草酸在与混凝土接触后所产生的化学变化，作为混凝土质量控制的参考依据，由此确定围岩的变形控制方案，尽可能削弱草酸剥蚀。具体还可对施工场地的地质环境进行合理抽象并建立地质模型，采用有限差分软件建立相应数值模型，以此对围岩变形控制措施进行验证。

而对于泥灰质砂岩，考虑层面造成的横观各向同性，可采用遍布节理模型进行数值计算，并通过数据对比，计算出原设计支护条件下围岩的变形和采用控制措施后的围岩变形情况。而初期支护只能缓解围岩变形速率，不能控制变形的增长，反而二衬刚度较大，能有效控制变形持续发展，降低变形速率，在此情况下要及时施作二次衬砌。而围岩的长期强度值是影响围岩稳定性的关键因素，岩体自身强度会随着时间的变化而受到损害，再加之岩土体在蠕变过程中受力情况不一样，自身也会发生不同程度的变形现象。

3.2 斜井进正洞三岔口快速施工技术控制

3.2.1 挑顶施工

隧道斜井进入正洞挑顶施工为项目全流程中的重点内容，斜井与正洞所形成的交叉区域以Ⅳ级围岩居多，XDK0+030～XDK0+007段采用复合衬砌，XDK0+007～XDK0+000在施作衬砌的基础上，于初期支护钢架上施作仰拱。引入台阶法，有序组织斜井进正洞的施工作业。

分阶段考虑，确定具体的施工方法：

1）斜井施工至XDK0+007处，设置I18钢架，共7榀。

2）斜井与正洞交叉口处，以正洞开挖轮廓线为参照基准，斜井紧贴该处设置，配套2榀I32a型钢钢架，于上、下两端分别安装锁脚锚杆用于支撑拖梁；参考正洞中心线，钢架与之呈平行布置的关系，高度与斜井开挖高度控制标准相同。型钢钢架主体结构成型后，焊接2榀I32a型钢横梁，通过横梁、锚杆的共同作用给正洞钢架提供落脚平台。为保证拖梁与支撑架的稳定性，用I18型钢斜撑加固，以免在施工期间发生失稳现象。

3）挑顶采用过渡导坑施工，喷锚网支护，宽6 m、高4 m，横梁处设置长度为3 m的φ22 mm砂浆锚杆。拱架成型后于拱顶处安装20 cm×20cm的φ8 mm钢筋网片和3 m长的φ22 mm砂浆锚杆，制备适量C25混凝土用于该处的喷射作业，厚度按12 cm控制。

3.2.2 正洞上台阶施工

施工断面尺寸为宽6 m、高4 m，先从右边墙开始施工，再逐步向左边墙推进，过渡到坑每循环进尺2 m，到达左边墙后正洞拱顶成型，设置正洞上台阶钢拱架，确保右边墙落脚在拖梁上，左边墙落脚在下台阶围岩上。

在完成正洞挑顶上台阶的施工后，按照间隔循环的方式有序向进口、出口处施工。以实际施工进度为准，跨过斜井断面6.2 m后，开始从斜井处向正洞处推进，目的在于形成中台阶工作面。施工期间，若中台阶达到8 m则转至下台阶施工环节，当其达到10 m后施作仰拱，在较短的时间内封闭支护体系，若无误则开始施工正洞。

3.3 软岩隧道快速施工及成套工装控制

软弱围岩的施工以台阶法为主导，以铣挖机为主要施工设备，在预留土多级反压的基础上确保下台阶可一次成型，由此缩短中途间隔时间，降低施工风险。

3.3.1 参数控制

上台阶：挖机作业半径、临时初支台架的尺寸均会对机械参数带来较显著的影响[1]，以该方面的情况为立足点，结合类似工程经验，从技术可行性的角度展开论证，将上台阶的长度设为5 m、高度设为3.5 m；

中台阶：结合湿喷机械手的基本特性（长7.8 m、高3.28 m）以及上台阶的参数选定结果，确定中台阶的基本参数，高度H中=4.1 m、长度L中＞7.5 m+10.5 m=18 m；

下台阶及仰拱：遵循一次开挖成型的原则，高度4.64 m、长度≤12 m。

3.3.2 施工方法

以前述确定的各台阶尺寸参数（包含长度、高度）为主要依据，为最大限度地降低围岩的受扰程度，采取预留土多级反压的方法。施工期间对各级台阶开挖面施加反向推力，目的在于提高该部分的稳定性。相较于超短台阶法，项目所设置的台阶长度可适当增加，通过此方式降低各台阶的扰动性影响；充分利用斜角反压土，经过修整后形成机械作业平台，采用高性能的机械设备，达到高效施工的效果。挖机优先对台阶中部开挖形成反压土，再协调好生产要素，确保下台阶及仰拱可一次开挖成型，若无误则及时喷射混凝土，尽早封闭成环。

3.4 软弱围岩变形的施工监测及动态化控制

软弱围岩隧道的施工环境错综复杂，加强监测很有必要，引入先进的信息技术，创建隧道监测信息平台，在现场合理布设测点，根据所得的监测数据判断围岩变形的发生机理以及具体表现，从而获得能较准确反映实际情况的沉降量-时间曲线图，以便用于预测在后续开挖过程中围岩的最终位移值和各阶段的变化速率及稳定情况，详见图1。

图1 监控测量下地表沉降拟合曲线变化示意图

为提高信息的流通效率，建立了反馈机制，打破信息沟通壁垒，以信息为工作指导，提高施工的可控性。表1为监测施工中的量测频率记录。

表1 量测频率

通过仪器检测，变形数值复合要求。因此，通过监测和记录对隧道的变形控制有极大的辅助作用。

4 结语

在软弱围岩地质条件下开展隧道项目时难度较大，软弱围岩自身的稳定性不足，加之施工的干扰，易出现大范围变形的情况。本文从软弱围岩的变形原因切入，探讨控制措施，希望所提措施的内容可为类似工程提供参考，以提高软弱围岩特殊环境中的隧道施工水平。