葡萄山隧道高地应力大变形施工对策及应用

匡小慧

（中铁十五局集团第六工程有限公司，河南 洛阳 471000)

1 引言

近年来，随着我国国民经济的快速稳定发展，交通基础设施建设日益增多，高等级公路和高速铁路蓬勃发展，隧道工程为其重要的组成部分，对于隧道及地下工程，由于地质条件比较复杂而且很难预测，尤其是不良地质，对隧道施工阶段结构的安全性影响较大，如果处理措施不完善，将会导致拱顶大变形、塌方等工程事故的发生，所以对于特殊地质段隧道施工，采取合理的施工对策，加强管理，不断优化施工方案具有重要的意义。

2 工程概况

葡萄山隧道位于酉阳土家族苗族自治县板溪乡，是渝湘高速公路洪安至酉阳段三大重点工程之一，为渝湘高速公路上第二长隧道。隧道双洞四车道，按上下行分离式形式布置，总长度达6290m，是全线的控制性工程。施工划分两个标段，标段分界里程为YK60+000(ZK59+995)。进口段工程情况为：左洞长3580m（ZK56+415～ZK59+995），右洞长 3560m（YK56+440～YK60+000）。围岩级别除 K56+415～K56+460、K58+420～K58+444段穿越断层为Ⅴ级围岩外，其余均为Ⅲ、Ⅳ级围岩软弱层、破碎体以及小规模的断层及破碎带之中，风化体等对洞身段围岩稳定较为不利，易出现拱顶大变形，塌方等现象。葡萄山隧道能否安全、顺利贯通直接影响到全线工程的施工进度。

3 存在问题及对策

隧道施工过程中，由于葡萄山隧道地质变化复杂，不良地质频繁出现（如高地应力、大变形等）；开挖后实际围岩级别与《工程地质详细勘察报告》偏差很大。

不良地质地段引起结构变异因素非常复杂，施工组织设计中所制定的施工方法和防范措施及对策，在某些特殊地段不符合实际情况。因此，在隧道施工过程中加强超前地质预报和监控量测工作，及时掌握前方围岩情况和初期支护的受力状态，同时及时优化施工方法和支护结构的设计参数，防止突然事故的发生，保证施工安全。施工中采用TSP203型超前预报仪、超前探孔和观察掌子面地质情况的方法综合进行地质超前预报，而监控量测主要为初期支护拱顶下沉监测、周边收敛监测以及初期支护和二次衬砌结构内力监测。

3.1 高地应力段

3.1.1 初支开裂，注浆加固处理

进口端掘进至2000m时地应力较高，里程YK58+440～YK58+520段开挖中由于对高地应力未足够重视，施工中虽未出现岩爆，但施工完成的初期支护结构拱顶出现开裂现象，于2007年11月25日～2007年12月2日分段进行了注浆加固（即 YK58+440～+475 、YK58+475～+486、YK58+486～+496）。

监控量测增加了量测频率，监测数据显示支护结构变形仍存在显著的异常变化，12月3日至4日拱顶下沉和水平收敛量值突然增大，拱顶下沉速率达17mm/d，位移累计量接近50mm，收敛变形速率达15mm/d，累计接近60mm，变形量已超出规范允许的临界值。

由于支护结构变形量较大，于2007年12月4日停止了掌子面掘进，对初支已开裂和变形段落（YK58+440～+495段）进行径向布设Φ42小导管，L=450cm，@100cm×100cm 梅花布置并按隧道施工规范要求补注水泥净浆，水灰比为0.8:1，压力0.5～1.0Mpa；通过连续8天注浆加固，该段已基本稳定，其中YK58+440～+495段是属二次补注浆。

3.1.2 调整设计支护参数，强支护效果不良

2007年12月13日，根据地质超前预报结果、复工令及工程变更会签，恢复了掌子面掘进，采取“短进尺、弱爆破、强支护”，以原设计Ⅳb型支护参数（格栅拱间距100 cm，Φ32超前锚杆环距0.4m，排距3.0m，单根长4.5m，＠100×100φ22砂浆锚杆，喷砼，仰拱，钢筋网支护）变更为Ⅴ型断面支护参数施工，即U型钢拱架，间距75cm，φ42超前小导管，环距0.35m，排距2.25m，＠80×75φ25中空锚杆，喷砼，仰拱，钢筋网等加强支护。但每进一循环，上一循环拱部就有裂纹。2007年12月21日,YK58+495～YK58+505段拱顶纵向开裂、混凝土剥落、钢拱架裸露现象明显，且YK58+490～YK58+495也受到不同程度影响，立即停止掌子面掘进，并对YK58+495～YK58+505段进行了注浆。

2007年12月30日，开挖支护到YK58+520时，YK58+490～YK58+520 段严重开裂，后确定对YK58+490～YK58+520段进行注浆加固，其中YK58+490～YK58+495段，是三次补注浆。

3.1.3 采取应力释放法施工

根据地质超前预报数据，高地应力围岩靠掌子面还有近60m。为确保安全及消除长期地质灾害隐患，采取应力释放法施工，即在对围岩变形进行严密监测的条件下，允许变形以一定的速率继续发展，以释放一部分能量，然后才对它施加限制。因此，初期的支护结构采用“开敞式”即先不设仰拱，而且在喷混凝土层中预留出许多纵向缝，待围岩变形速率较小后再进行第二次喷射混凝土施工，并进行仰拱封闭。通过以上施工方法，及时预测和处理了支护结构变异，确保了高地应力段安全施工。

3.2 围岩大变形段

3.2.1 工程描述

YK59+762～YK59+930段隧道埋深865.00～447.00m，岩性为灰白至灰色薄至中厚层状微晶白云岩、含泥质微晶白云岩、黑色灰质页岩、水云母页岩，属硬质软质复合岩组。岩层走向与洞轴线夹角 85～89°，岩层倾角 5～8°，层间结合力一般，岩体发育二组节理，Jv一般5～11条/m3，岩体较破碎～较完整，为块碎状镶嵌结构与大块状砌体结构相间组合。拱部无支护时可产生小的坍塌，软硬岩结合部岩溶较发育，且易产生三角体塌方，侧壁基本稳定。为岩溶含水层富水段，隧道出水一般为滴水～淋水，局部有股状水流出，含水层隔水层接合部可能发生涌突水现象。平水期约为16253.9m/d，丰水期约为24380.9m/d。

经现场监控量测结果可知，确定该段为Ⅳ级大变形段。

3.2.2 施工对策

为确保初期支护结构安全避免塌方事故发生，现场采取台阶分部开挖施工法，开挖辅助措施为φ42超前小导管，环距0.35m，排距2.25m，单根长4.5m，见图1。初期支护为：C20喷射混凝土+径向Φ25中空锚杆+φ8钢筋网+U型钢支撑，C20喷射混凝土设计厚度为26cm，径向锚杆为Φ25中空锚杆（L=600，纵、环向间距均为0.8m，梅花型布置），钢筋网钢筋直径为φ8，U型钢拱作为初期支护的加强措施，间距为0.75m，留变形量为15cm，同时预留变形量可根据现场监控量测反馈信息进行调整，通过以上施工方法和设计参数，确保了围岩大变形段施工安全。

图1 小导管超前支护作业示意图

3.3 加强动态施工和设计管理

在葡萄山隧道的施工过程中，成立了由地质工程师、测量工程师、隧道工程师、试验工程师为主的动态施工小组。对采集的数据进行分析，采取“石变我变”的动态施工理念，以指导施工。针对隧道地质变化复杂，不良地质频繁出现，造成施工进展缓慢和工期压力大的问题，为解决该特殊地段施工难题，结合现场情况，采取每10m进行一次现场勘察分析、变更会签，及时调整施工方法，提高了功效，加快了施工进度。

(1)设计描述。里程YK59+290～YK59+330段原设计为Ⅲ级围岩，设计围岩描述：隧道埋深781.00～785.00m，岩性为浅灰色微晶云岩夹薄层页岩，主要为坚硬岩夹极软岩。岩层走向与洞轴线夹角85°，岩层倾角2～5°左右，层间结合由一般逐渐变差，本段处于桐麻岭背斜核部，主要发育节理三组，Jv一般10～14条/m3，岩体破碎～较完整，围岩呈块碎状镶嵌结构，岩层倾角平缓，拱部无支护时，可能出现大的坍塌，侧壁有时失稳。灰岩为岩溶含水层富水段，隧道出水一般为股状出水，核部可能发生涌突水现象。

原设计衬砌类型为Ⅲ级紧急停车带衬砌，初期支护为：C20喷射混凝土+@120cm×120cm梅花布置Φ22砂浆锚杆+φ8钢筋网。

(2)工程实际情况。该区段实地勘察定为Ⅳ级围岩，围岩为灰、深灰薄层粉砂质灰岩(层厚1～25cm),层理清楚，炭质页岩、分砂质灰岩互层，由于每个分层岩性差异，造成层间结合松驰,且地层产状平缓 140～195°∠4～8°。岩块沿裂隙剥落,拱顶脱层、掉块严重，局部垮塌成水平状。裂隙产状 310～350°∠70～80°，裂隙较发育，裂隙有自底延伸至拱顶，节理裂隙紊乱、密集，有呈凹型岩腔裂隙，裂隙中充填泥质物，裂隙互相切割破坏岩体，使岩体破碎，碎块结构，稳定性差。掌子面开挖后，拱顶脱层、掉块、垮塌较严重。

(3)施工对策。经业主、设计、监理、监控量测、施工单位五方代表现场勘察，采取了每10m进行一次现场勘察分析、变更会签，并采取拱顶范围内增设Φ32自进式超前锚杆。各段变更参数情况见表1。

表1 葡萄山隧道YK59+290～YK59+330段变更方案表

4 结论

隧道施工过程中经常遇到不良地层，此时围岩及支护结构的力学状态较复杂，引起支护结构变异，依据葡萄山隧道针对高地应力大变形段施工措施及现场应用情况，主要有以下几点体会：(1)加强监控量测和地质超前预报，尽力控制和调整结构的力学状态变化，利用反馈信息指导施工，并对设计参数及施工方案进行优化，分析对比开挖后的实际情况和预测结果，总结经验，逐步提高前方地质预报的准确性。（2）严格按照隧道施工规范以及规程进行施作,及时总结经验和教训,以确保隧道施工安全、顺利进行。（3）加强隧道工程动态设计和施工理念，及时判明地质情况、加强监控量测和严格控制工程质量，以设计指导施工，以优化施工方法和设计参数弥补原设计的不足，同时为其他类似工程的设计和施工提供参考依据。

[1]关宝树.隧道工程设计要点集[M].人民交通出版社，2003，1999.

[2]王梦恕.大瑶山隧道修建新技术.[M].广东科技出版社，1994.

[3]朱汉华,孙红月,杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术[M].科学出版社，2007.

[4]关宝树.隧道工程施工要点集[M].人民交通出版社，2003.