白云隧道深埋高应力段施工技术

何兴国，韩国令

(中铁隧道股份有限公司 河南郑州 450001)

随着我国综合国力及科技水平的日益提高，深埋长大隧道作为陆路交通、海峡通道、水利水电及跨流域调水等大型土木工程建设项目中的重要结构物，在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善线路运营质量等方面具有不可替代的作用。但长大深埋隧道往往工程地质条件和水文地质条件十分复杂，尤其在深埋隧道往往会存在高应力岩爆和高应力软岩地段。本文通过白云隧道施工的具体事例剖析深埋高应力岩爆和高应力软岩段落的机理及施工控制技术。

1 白云隧道高应力段落岩爆和软弱围岩变形简述

白云隧道全长7120m，最大埋深800m，其工程地质和水文地质条件非常复杂，集高水压、岩溶及地下涌突水（泥）、高地应力(岩爆与软弱围岩变形)、断层破碎带、有害气体等于一体。白云隧道左线ZK48+450～ZK48+330、右线K48+424～K48+360段，围岩为薄层状硬质灰岩，施工过程中发生岩爆，硬脆性围岩产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的现象，初期支护混凝土也出现严重开裂剥落现象。白云隧道左线在ZK48+622～ZK48+521、 右线在K48+610～K48+492段施工时，围岩挖开为泥质灰岩，稳定性差，尤其是拱部出现掉块、坍塌现象，特别是在高应力的作用下，变形较为严重。

2 深埋高应力段岩爆机理及其施工技术

岩爆是一种极为复杂的动力失稳现象，迄今为止，人们对其形成机理还无统一的认识。“岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因”，这是目前对岩爆机理给出的最为清晰的概述。对机理的另一种说法是，处于高地应力环境中的结构完整的硬脆性围岩，在隧道开挖后，切应力（σθ）达到或接近围岩的单轴抗压强度（UCS），在其它因素的诱发下，围岩便以岩爆的形式失稳，这可以被总结为岩爆形成机理的静荷载（静力学）理论，是广泛采用的岩爆预测依据——σθ/UCS的理论依据，其主要表现在地下工程开挖过程中硬脆性围岩产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。它直接威胁施工人员及设备安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一。

白云隧道主要采取以下施工措施处置左线ZK48+450～ZK48+330、右线K48+424～K48+360段的围岩岩爆，以确保施工进度和施工安全。

（1）爆破后通风排烟，立即向工作面及附近洞壁岩体喷洒高压水，以降低岩体强度，增强塑性，减弱岩体的脆性，降低岩爆的剧烈程度，同时可以起到降温除尘的作用。也可利用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水，以取得更佳效果。

（2）用MDK-5超前钻机在掌子面施做准75超前钻孔，进行应力解除。

（3）及时施作锚喷柔性支护结构，这种结构是使用许多小跨度的双曲钢筋网壳分片包围喷射混凝土，钢筋网壳的巧曲应力与喷射混凝土的剪应力相互削弱，因此这种支护结构具有较好的承载和可缩性能。其中最为突出的一点就是使隧道内的围岩应力转化为网壳的张应力，隧道二次衬砌基本不承受荷载。具体的施工工序如下：

隧道开挖→在工作面施喷30mm～50mm厚混凝土→施作锚杆→安装钢筋网→喷混凝土至设计厚度→施作防排水设施→施作二次衬砌。

在施工中，最为关键的工序就是锚杆的施作问题，钢筋网的受力支撑点就是锚杆，所以将锚杆的间距控制在100cm×100cm，确保隧道围岩的稳定性。

（4）合理的施工方法:白云隧道采取“短进尺、弱爆破”，并严格控制炮眼利用率，以降低岩爆的发生频率。

3 深埋高应力段落隧道围岩变形机理及其施工技术

1946年，Terzaghi首次提出了挤出性岩石和膨胀性岩石的概念。挤出性岩石是指侵入隧道（开挖轮廓面）后没有明显体积变化的岩石，发生挤出的先决条件是岩石中含有高含量的微观、亚微观云母状矿物颗粒或低膨胀能力的粘土矿物；膨胀性岩石则是指主要由于膨胀作用而侵入隧道的岩石。受到Terzaghi思想的影响，人们一般把大变形机制分为以下两大类：

一是开挖引起的应力重分布超过围岩强度，围岩因塑性化而产生大变形。如果介质变形缓慢，就属挤出；如果变形是立刻发生的，就是岩爆。

二是围岩中的某些矿物和水反应，而发生膨胀导致大变形。水及某些膨胀性矿物的存在，对于膨胀变形是必须的。

白云隧道施工过程中主要采取如下施工措施处置左线ZK48+622～ZK48+521、 右线K48+610～K48+492深埋高应力段落围岩变形，来确保施工进度和施工安全。

3.1 采用Ⅰ16工字钢构筑安全施工空间

采用Ⅰ16工字钢作为承载圈，工字钢间距@80cm，形成初期支护系统，以便较均匀地分散围岩应力，而不易产生局部变形破坏，使产生变形的松动圈得到控制，而不会迅速扩大。

3.2 准42 超前小导管及准22组合注浆锚杆加固围岩缩小松动圈

深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内在原因，尽管地应力是无法改变的，但可采取措施加强围岩，改善围岩条件。对高应力软弱围岩采用5m长的准42超前注浆小导管和3.5 m长的准22组合注浆锚杆，准42超前小导管注入水泥-水玻璃双液浆、准22组合锚杆注入30#水泥浆，以0.5～1.5MPa注浆压力，将浆液压入地层中，从而在管锚体周围一定范围内形成一个固结圈，改善软岩的整体性，提高围岩的自稳能力。

3.3 加大预留变形量

软弱围岩隧道一般都可能发生大变形，在确定开挖轮廓时必须预留足够的变形量，并掌握“宁超勿欠”的原则，防止变形后的初期支护侵入二次衬砌净空。施工时预留30cm的变形量，能够较大幅度地释放深埋高地应力条件下的围岩挤入变形，减少作用在二次衬砌上的地应力荷载，有利于隧道结构安全。

3.4 柔性初支及刚性钢筋混凝土二衬先柔后刚先放后抗

“先柔后刚”是指支护结构，即初期支护是柔性的，由钢筋网、喷射混凝土、高强度刚架和超前小导管及锚杆构成；而二次衬砌则是刚性的，由模注钢筋混凝土组成，承受地层残余形变压力。“先放后抗”是指采用柔性初期支护，允许围岩有一定程度的变形，释放围岩应力，待初期支护与围岩稳定之后，采用刚性二次衬砌，抵抗围岩的过度变形，保证围岩和支护结构的安全。

3.5 开挖减震爆破或不爆破控扰动

在开挖时，采用微震动爆破或不爆破开挖，以尽可能减少施工对围岩的扰动，从而控制围岩松动圈的进一步扩展。

3.6 增设底部仰拱支护为钢筋混凝土，防止底板隆起

3.7 “三快”施工工序保安全

在产生较大变形地段，在施工早期，要快速提供大刚度的初期支护结构，要快速形成支护体系，要快速形成支护强度，才能克服高应力软岩初期变形迅猛、后期变形持续时间长的特点。只有如此，才能为深埋高应力软岩隧道的快速掘进提供有力保证。

3.8 勤量测

深埋软岩地段必须加大监控量测力度，为施工和结构安全提供可靠的数据，同时为施工决策提供有力依据。

4 结论和建议

（1）围岩岩爆虽然是一种令人生畏、成因复杂的地质灾害，但是它的发生还是有一定的规律的，只要加强对岩爆的监测和预报，在施工过程中采用合适的施工措施，就可以把其危害降到最小。

（2）防止软岩变形的设计理念与施工原则

深埋高应力条件下的软弱围岩隧道应贯彻“以柔克刚”的设计理念及“加固围岩、控制变形、先柔后刚、先放后抗、变形留够、防侵净空、底部加强、抑制隆起”的施工原则。

（3）加强超前地质预报和围岩监控量测工作

长大深埋隧道地质条件复杂，在施工过程中不可预见因素较多，地质灾害的发生具有普遍性，因此进行超前地质预报和围岩监控量测工作非常必要。白云隧道在施工过程中，坚持采用TSP203探测仪进行远程（150～200m）宏观的地质预报，结合DK-5型超前水平钻机近距离（30～60m）微观验证的方式对掌子面前方的工程地质及水文地质情况进行预报，在过程中坚持对围岩进行监控量测，及时调整施工措施和支护参数，有效地保证了隧道按期优质安全建成。

参考资料：

[1]JTJ042－2004，公路隧道施工技术规范[S].

[2]谭以安.岩爆形成机理研究 [J].水文地质工程地质，1989，(1):34-38.

[3]李春杰.秦岭隧道岩爆特征与施工处理[J].世界隧道，1999，(1):36-41.

[4]张祉道.家竹箐隧道施工中支护大变形的整治[J].世界隧道，1997，(1):7-16.

[5]喻渝.挤压性围岩支护大变形的机理及判别方法[J].世界隧道，1999，(1):46-51