高地应力软岩隧道施工方法

 

　　目前，国内外有关高地应力软岩隧道施工的记录有不少，例如我国宝中线的大寨岭隧道、老爷岭、老头沟隧道以及穿越煤系地层的家竹箐隧道。国外隧道如日本的惠那山公路隧道、新宇津隧道，奥地利的陶恩隧道。纵观各国高地应力软岩隧道施工面临的最大难题就是大变形，大变形会导致初期支护开裂破坏并严重侵入衬砌净空，甚至发生塌方，更为严重的是可能造成永久性支护的破坏。施工方法不当，不仅提高工程造价，对施工及运营安全也存在相当大的隐患。国内外许多专家也对高地应力软岩隧道修建技术进行了不断研究，分别从结构断面形状设计、支护参数的设置以及开挖方法等方面提出相应观点与解决办法，如：隧道断面设计接近于圆形；初期支护采用长锚杆、可缩刚架等；开挖方法采用台阶法。以上研究对于大变形都起到了一定的抑制作用，最终成功攻克了隧道大变形问题。本文通过对经历过的隧道大变形处治，在吸取前人经验的基础上，在高地应力软岩隧道施工方法上进行了一定的探索及总结。 

 

 

　　2.1 云岭隧道 

 

　　2.1.1 概况 隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路长大隧道，全长2180m。洞身最大埋深344m，一般埋深约200～300m。隧道进口有一古滑坡体。隧道围岩以强风化炭质千枚岩为主，岩体为深灰-灰黑色，主要矿物成份为云母、长石等，含炭量较高，变余泥质结构，千枚状构造，裂隙较发育，隧道内有涌水，设计围岩为Ⅴ级。 

 

　　2.1.2 大变形情况 

 

　　情况①：左洞进洞采取三台阶法施工，上台阶掘进10m，下台阶施工5m后，初期支护突然出现变形，监控量测发现拱顶下沉100mm，收敛150mm。初期支护有开裂，喷射混凝土有掉块现象发生。隧道停止掘进，采取加固措施，加长锚杆至5m。但收敛速度仍然很快，围岩仍不能稳定。由于担心成洞段落发生塌方，于是紧急采取施工二次衬砌的措施以抵抗围岩变形。随后改变开挖方法，采取双侧壁导坑施工，侧导坑采取台阶法，人工开挖。台阶处设临时支撑，施工约15m后，侧壁导坑发生大变形，侧壁拱架扭曲，主洞挤入洞内约500mm，如图1所示。 

 

　　情况②：隧道右洞施工过程中，前期围岩变形速度并不快，但初期支护也有开裂掉块现象，为了节约投资，加快施工进度，对于已破坏段落采取了拆除初支并置换拱架的方法，未施工段落调整支护参数，初期支护虽然采取了一定的加强措施，但围岩收敛沉降均未趋稳。在此情况下，实施了二次衬砌。二次衬砌完成数月后，仰拱中部发生了起鼓，具体情况如下：YK105+000～+220段中部起鼓约100mm，YK105+260～+300段仰拱起鼓较大，最大处达400mm，YK105+300～+530段起鼓约300mm，YK105+530～+580段起鼓最大处达450mm，YK105+580～+760段起鼓约300mm，YK105+760～+900起鼓约100mm。如图2所示。

 

　　2.1.3 原因分析

 

因加长锚杆方法、侧壁导坑方法均不能控制围岩变形，通过对大变形特点的分析，认为主要有以下几方面原因： 

 

　　a.地质结构分析。本隧道工程地质条件特殊，云岭隧道进口段与两郧断裂带Ⅰ级结构面相交，隧道开挖时，构造残余应力的短时间内释放，造成了隧道初期支护的大变形 

 

　　b. 围岩特点。该段围岩为强风化或全风化炭质千枚岩或风化土，岩面光滑，胶结性差，岩体抗压强度大部分小于1MPa。由于有绢云母的存在，造成一定的光滑面，抗剪强度低。地下水较发育，以线流或股状水形式出现。围岩遇水软化成泥，稳定性极差，无自稳能力，造成拱脚承载力降低。 

 

　　c. 滑坡体的影响。古滑坡体的复活是隧道发生大变形的又一大因素，通过监测数据表明，明洞的偏移方向与滑坡体的滑动方向基本一致，因此，滑坡体是造成隧道大变形的原因之一。 

 

　　d.外界因素的影响。由于隧道下穿郧漫公路，郧漫公路是连接陕西与湖北的省级公路，交通流量较大，重载车辆较多。公路路面距隧道拱顶的深度约12m，车辆的动载也有可能影响到隧道的稳定。 

 

　　e.设计支护强度。隧道该段落设计拱架为18型工字钢（间距75cm），？准25中空注浆锚杆（长3m），从变形的表象来看，发生变形时，拱架发生扭曲及折断现象，说明拱架的强度不足；本段落为松散体，整个埋深范围基本为塑性区域，3m长锚杆不足以穿过塑性区，因此，锚杆的作用不明显。 

 

　　f.仰拱起鼓原因。该段落围岩为碳质千枚岩，其岩体抗压强度较低，在高应力作用下易发生较大的变形；千枚岩具有弱膨胀性，遇水易软化成泥，而施工现场地下水较多，易导致仰拱基础承载能力大幅削弱，从而结构下沉仰拱翘起；该段隧道埋深较大，地应力也相对较大，同时受两陨断裂的大地构造影响，隧道开挖后应力重分布、重平衡的过程复杂，时间漫长，导致出现结构暂时稳定的假象；该段衬砌的起鼓现象除与客观地质条件及设计的初期支护措施有关外，也与施工手段有关。该段仰拱施工主要是分左右半幅施工，左右半幅之间未设连接筋，削弱了仰拱的整体承载能力，导致了仰拱的中部隆起；该段结构设计仰拱均采用的是普通素混凝土结构，设计上对软弱围岩的特性认识不足，未采取更为强有力支护措施，也是仰拱破坏的原因。 

 

　　2.1.4 采取措施 针对变形特点及原因分析，根据量测过程掌握的数据，经过专家的多次研究论证，主要采取了以下施工措施： 

 

　　a. 开挖方法。采用超短三台阶留核心土开挖法，根据监控量测的结果，把开挖预留变形量放大至20cm，采取人工配合机械开挖方式，进尺控制在50cm。 

 

　　b. 支护参数。根据该段落围岩情况，塑性变形范围较大，极可能是整个覆盖层。因此，初期支护采用双层I18工字钢拱架，系统支护采用？准42钢花管并压注双液浆，上中台阶设置临时仰拱。施工工序如下：上台阶开挖——上台阶外层拱架支护——中台阶左右侧错开1m开挖——中台阶外层拱架支护——？准42钢花管打设并注浆——上中台阶内层拱架支护——核心土开挖——上中台阶临时仰拱支撑——下台阶及仰拱左右侧间隔开挖——下台阶双层拱架及仰拱拱架支护——拆除临时支撑——根据监控量测结果施工二次衬砌 

 

　　施工要点：①开挖前，先打设3m长钢花管并喷射混凝土稳定掌子面。上、中台阶拉开距离要短控制在3m以内，下台阶与中台阶拉开距离适当加长至6m左右（利于机械开挖核心土）。②上中下台阶拱脚加设纵向托梁并竖向打设钢管。便于拱架形成整体，增强初期支护强度，钢管托梁可以提高基底承载力。③仰拱施工完成后方可拆除临时支撑。④二次衬砌待围岩收敛减小到一定程度时，即可施工二衬。 

 

　　c. 监控量测。软岩隧道施工，监控量测必须非常重视，为了在一定程度上弄清楚，围岩变形规律，隧道在外层初期支护上的拱顶、上台阶、中台阶处设了三条基线，为了操作方便及不影响施工，量测时采用莱卡全站仪测坐标的方法实施。同时，为了初步了解围岩受力情况，在拱顶、上、中、下台阶压力最大处各安放了一个压力盒。通过以上手段收集到的数据，反馈给设计单位，便于对支护参数进行调整，做到动态设计、动态施工。监控量测过程必须严格按照规范执行。 

 

　　d. 处治效果。通过以上措施处治，通过监控量测发现，外层支护完成后初期支护有3-4天的较稳定期，收敛下沉速率一般，3-4天后，收敛下沉速率加快。内层初期支护完成后，收敛下沉速率有一定减小，临时仰拱支撑加固后，收敛下沉速率逐渐趋缓。待临时支撑拆除后，收敛下沉值有一定加大，2天以后，收敛下沉值开始减小，但是收敛下沉速率短时间内达不到规范要求的水平收敛速率小于0.2mm/d或拱顶位移速率小于0.15mm/d。经专家论证后，二次衬砌可以在变形量达到预留变形量之前施工。让二次衬砌承受一部分来自围岩的压力。通过后期的观察，二衬的稳定性较好。在此，不再描述监控量测的具体数据。 

 

　　e. 仰拱起鼓处治。处置措施：①分段落间隔置换仰拱，仰拱曲率加大，厚度加厚，采用钢筋混凝土结构。仰拱整体浇筑，提高仰拱抗变形能力。②清除基底软化围岩，开挖至新鲜岩面，对于地下水出露点，采取封堵及引排处理。同时基底采用钢花管注浆加固。③仰拱与原二衬拱墙基础采用60cm长Φ22连接钢筋连接，以加强仰拱和整个衬砌的连接强度。④拱墙与仰拱之间施工缝采用注浆填充。 

 

　　通过以上处治措施，仰拱再无发现明显变形现象，二衬表面裂缝也无发展趋势。 

 

　　2.2 金竹山隧道 

 

　　2.2.1 隧道概况 隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路长大瓦斯隧道，全长2712m。其中Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道的89%以上。隧址受固军坝复式背斜、黄金口背斜、梧桐坪背斜和付家湾向斜影响，隧道穿越F1～F6共6条大断层和多条次级断层，地质条件极其复杂。穿越地层岩性包括灰岩、泥灰岩、盐溶角砾岩，砂岩、泥岩夹薄煤层及煤透镜体（厚度0.2—1.5m）。隧道内地下水发育，设计最大涌水量达14000m3/d，局部段落存在突水涌泥。

 

　　2.2.2 大变形情况 金竹山隧道出口左洞LK64+825～+785为紧急停车带，处于F4断层破碎带中，地质构造复杂，半幅软弱强风化泥质粉砂岩，碳质泥岩；半幅硬质砂岩，薄煤层不均匀分布，裂隙发育，有地下水渗出。采用三台阶开挖法，施工过程中，因该种地质情况比较复杂，有意加大了预留变形量至30cm，上中台阶施工后8m后，无明显变化，但在落底过程中，变形速度加快，初期支护出现开裂掉块。通过设计变更，只调整了拱架间距，拱架型号及系统均未加强。施工方对已施工段落增设了内层拱架，并打设了钢花管注浆，后期段落仍按变更设计施工。加宽段施工完成后，监控量测反映：LK64+817～+785段初支发生不同程度的变形，最大变形量17cm，除去预留变形量，初支侵入二衬最大7cm。而LK64+825～+817段落采取的双层拱架支护，初支未观察到明显破坏，变形量也较小。行车横洞开挖完成后，围岩变形量加剧，围岩监控量测反

映：LK64+817～+785最大变形量49cm（LK64+800断面），且变形仍在继续发展。破坏情况如图3。 

 

　　2.2.3 原因分析 

 

　　a.地质结构分析。该加宽段处于F4断层构造挤压破碎带内，隧道开挖后，构造残余应力释放，围岩应力重新分布过程中，围岩作用在初期支护上的形变压力随时间推移越来越大，当压力达到一定程度时，初期支护便发生挤压变形，造成了隧道初期支护的大变形。 

 

　　b. 围岩特点。该段围岩为软硬强度不均，一半为强风化泥质粉砂岩，碳质泥岩；一半为中等风化砂岩，且有煤线分布。裂隙发育，岩体松散，抗剪强度低。地下水滴水状渗出，围岩遇水软化成泥，半幅稳定性极差。从变形特点可以看出，围岩差的一侧变形大，围岩好的一侧变形较小。 

 

　　c. 交叉口施工的影响。变形最大部位位于主洞与行车横洞交叉口前后，说明行车横洞的开挖，造成围岩应力的又一次重新分布，也是变形加剧的主因。 

 

　　d.设计支护强度。隧道该段落设计拱架为I18型工字钢（60cm/榀），？准25中空注浆锚杆（长3.5m），从变形的表象来看，发生变形时，拱架发生扭曲现象，说明拱架的强度不足；本段落为破碎带发育，围岩塑性区域大，3.5m长锚杆不足以穿过塑性区，因此，锚杆的作用不明显。 

 

　　e. 断面形状。该断面加宽加高，断面矢跨比较其它段落小，初期支护承压能力减弱。 

 

　　2.2.4 采取措施 ①对LK64+810～+791变形较大段落增设I18临时拱架。②临时拱架加固完成后，对变形段进行径向？准42钢花管注浆：导管长450cm，浆液采用双液浆。③变形段落采取拱架代换的措施，凿除变形拱架，重新架立I20b工字钢，预留变形量不小于15cm。④二次衬砌采用钢筋混凝土，根据监控量测情况，尽早施工二次衬砌。 

 

 

　　虽然国内外针对高地应力软岩隧道大变形有多种措施及方法，但因隧道的地质条件的千差万别，高地应力软岩隧道施工还应当因地制宜，针对出现问题的特征，找出原因，以最有效、最节约的方法处理。通过对以上隧道对大变形的处理，总结出以下几条对大变形处理的几条建议： 

 

　　3.1 隧道大变形的主要特征是：断面减小，拱腰开裂，基脚下沉，基底起鼓。 

 

　　3.2 隧道产生大变形的主要因素：①高地应力的存在。②岩体自身的强度。③支护参数的强度。④施工方法不当。⑤其它因素：如滑坡体、外力作用、三通交叉口地段等。 

 

　　3.3 预防或处治大变形的措施 软岩隧道施工过程中，高地应力是客观存在的实事，是很难人为改变的因素，因此，我们只能尽量找到其规律、以便改变施工方法，修改支护参数指导施工。 

 

　　3.3.1 隧道高地应力是一个复杂的岩石力学与工程问题，在国内外专家与学者的不断研究与探索过程中，一定会越来越清晰明了。但我们必须认识到：并非只有埋深大的隧道地应力才高，埋深小的隧道一样会产生高地应力。当前我们施工人员要做的就是本着科学的态度尽量掌握真实可靠的数据，反馈给设计人员。 

 

　　3.3.2 “加固围岩、处治不良地质”，产生大变形地段一般构造复杂，围岩软弱破碎，因此，需要我们对不良地质及围岩进行超前预报，以便于提前采取相应措施对围岩及不良地质进行加固处理。目前，加固围岩的手段主要是注浆、长锚杆、长管棚。需要我们施工人员做的就是加强超前地质预报的准确性，提高自身的地质方面的能力，积累经验。 

 

　　3.3.3 初期支护的原则是“留足预留、先放后抗、强腰固基、量测要勤”。需要我们做到：a.加强监控量测，找出围岩变化规律，及初支受力特点。在高精度测量仪器普遍运用的今天，完全利用可以仪器制定适合于自己隧道施工的量测方法。b.隧道开挖后，围岩有一个应力重新分布过程，因此，初期支护在“先放后抗”的柔性支护原则下，留足预留变形量，适当加强初支刚度，快封闭、早成环。先让围岩适当变形，然后再通过支护阻止其变形。如上面所提到的长锚杆方法、双层拱架支护方法。c.强腰固基，因初期支护破坏时，往往先在拱腰及基脚的地方发生，说明这两个部位受力比较大，但却是初支强度薄弱部位，因此，初支拱脚和基脚要特别加强，上面提到的纵向托梁，竖向钢管，锁脚锚杆都是加强这两个部位的。d.系统锚杆支护很重要，由于隧道开挖后会产生塑性变形区，如何确定这个塑性变形区的范围是比较困难的，我们可以通过地质雷达或探孔法找到岩石临界面，然后系统锚杆最好进入基岩一定深度，效果会更好。 

 

　　3.3.4 软岩隧道施工中，开挖要在“少扰动围岩、稳定掌子面”的原则下，尽量采取分台阶、短进尺、机械挖的方法。稳定掌子面可以采取喷砼、锚杆挂网、注浆固结等方法。 

 

　　3.3.5 要及时修改断面形状，改善隧道受力，使隧道尽可能达到受力最合理的形状。如前面提到的仰拱起鼓的问题，处理时采用了调整仰拱曲率的办法，就是调整了断面形状。 

 

　　3.3.6 二次衬砌及仰拱要坚决采用钢筋混凝土结构，提高二衬的抗压能力，同时，二次衬砌施作时机要选择合适，在高地应力软岩隧道施工中，不可拘泥于规范中所要求的数据，个人认为，围岩累计变形量达到预估值，变形速度显著减小即可施工，当然每条隧道的特点不同，这需要在施工过程中通过详细的数据分析制定二衬施工时机。 

 

　　3.3.7 软岩隧道施工时，遇到“三通”地段，要特别注意，该地段施工工序多，围岩扰动次数多，受力特别复杂，初期支护宁强勿弱，如金竹山隧道采用了双层拱架施工的段落，变形就很小。施工顺序安排时也要注意，最好是打完加宽段的二次衬砌后再开挖横洞，以确保施工安全。 

 

　　本文基于高地应力软岩隧道施工多次失败与成功的教训，在处理大变形的问题上，总结了一些常规的处理措施及一些需注意的事项，难免有主观性及认识上的偏颇，要想更好的掌握高地应力条件下的软岩变形与隧道初期支护、预留变形量、二次衬砌施作时机的关系，还需要大量的工程实践以及更深入的探索和研究。 

 

　　参考文献： 

 

　　[1]关宝树.隧道工程施工要点集.北京：人民交通出版社，2003. 

　　[2]金竹山隧道两阶段施工设计图，2008. 

　　[3]云岭隧道两阶段施工设计图，2004. 

　　[4]公路隧道设计规范.北京：人民交通出版社，2003.