老东山隧道软弱围岩变形开裂控制技术研究*

帅建兵

(中铁十二局第二工程公司，山西太原 030032)

近年来，随着高速铁路、客运专线等国家重点工程的修建，长大隧道工程项目激增，而且这些隧道往往是整条线路的控制性工程。在隧道修建的过程中，软岩大变形问题日益凸现，造成工程建设过程中初支结构开裂、隧道侵限、塌方等严重灾害，不得不展开对大变形病害的整治，浪费资金、消耗资源，并且会严重影响整体项目的顺利进行。目前，大变形问题已引起科研部门、设计单位和施工单位的重视，并且开展了大量的研究工作。

赵旭峰［1］采用理论解析、数值模拟等手段，对隧道围岩稳定性及其大变形动态控制开展了相应的研究;张广泽［2］从区域大地构造、区域地质构造、活动断层、极高地应力、软弱围岩、支护措施、施工方法等方面分析了造成F7断层带隧道大变形的原因;孙伟亮［3］分别对顺层偏压地层和高地应力顺层偏压地层隧道施工力学行为分析，制定了“超前支护、初支加强、合理变形、先放后抗、先柔后刚、刚柔并济、及时封闭、底部加强、改善结构、地质预报”的快速施工原则和总体方案;李国良等［6］通过乌鞘岭隧道岭脊地段复杂应力条件下的变形控制技术研究，选择合理的断面形状、预留合理变形量、多重支护、适当提高衬砌刚度的柔性结构设计，短台阶或超短台阶快开挖、快支护、快封闭和衬砌适时施作的施工技术，成功控制了隧道大变形。本文针对广昆线老东山隧道构造挤压带段的围岩大变形问题，通过对监控量测数据、隧道初期支护变形开裂的规律和原因进行系统分析和试验，确定了控制围岩变形的具体支护参数和施工工艺。

1 工程概况

成昆线扩能改造工程广通至昆明段(简称广昆铁路)老东山隧道地处云贵高原西部，隧道全长7 578 m，其中Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩长度分别为730 m，2 988 m和3 860 m，隧道最大埋深约370 m，最大开挖跨度为15.36 m，其横断面设计图见图1，是广昆线的重点控制工程。

老东山隧道有1 800 m范围地处区域性3条逆冲断层(老东山断层(F4)、官村至白云寺断层(F2)、哨村断层(F1))夹持的构造挤压带中;其中哨村断层(F1)地表破碎带宽50～80 m，以断层角砾为主;施工揭示的掌子面岩体整体结构多样化，岩体较完整至破碎，但以块石夹碎石结构的岩体多见，如图2所示。沿断裂带发育有宽度不等的挤压带、片理化带、碎裂岩化带。

图1 隧道横断面图Fig.1 Cross－ sectional figure of Lao Dongshan tunnel

由于岩性以泥岩夹砂岩、泥灰岩，砂岩夹泥岩，泥岩、砂岩夹泥灰岩等组合形式交替出现，隧道岩体结构形式多样，致使地下水出露的形式较多，大部分沿节理面、层面呈股状流出，或从未及时喷射混凝土的拱顶呈大雨状流出，掌子面附近施工人员需穿雨衣作业，部分地段的地下水沿掌子面的残留炮眼呈股状流出。

图2 掌子面围岩状况Fig.2 Surrounding rock conditions of working face

2 老东山隧道初支变形开裂状况及原因分析

2.1 初支变形开裂状况

老东山隧道在历时近4年的施工过程中，受异常复杂工程水文地质条件的影响，在施工过程中多次出现了初期支护变形、开裂现象，造成喷射混凝土剥落，钢架局部变形、扭曲、直至折断。典型初期支护变形及钢架扭曲现象见图3。

图3 钢架局部折断Fig.3 Steel local broken

2.2 变形开裂原因分析

对于软弱围岩隧道施工发生的初期支护变形开裂问题，其产生的原因是多样的，综合分析老东山隧道所处的地层条件及变形的分布特征，可以确定其产生大变形的原因主要有以下几个方面。

2.2.1 岩性因素

老东山隧道以泥岩夹砂岩和泥灰岩为主，这一砂泥质岩组多钙泥质胶结，富含芒硝、石膏和岩盐，含可溶盐泥岩，遇水易崩解和湿陷，同时含盐泥岩夹层。该岩层具有一定的膨胀性，其膨胀变形率可达12%;特别是干湿交替频繁的环境下，岩体更易风化变形破坏，浸水后黏聚力和内摩擦角急剧下降，大变形扩容松动和水浸泡后的滑动带的黏聚力可衰减至0;在充水饱和后体积不变的条件下，膨胀压力可高达130 MPa。在这种膨胀压力的作用下，极易导致隧道初期支护变形开裂。

2.2.2 地质构造因素

柑橘缺钼症状：新梢成熟叶片出现近圆形或椭圆形黄色至鲜黄色斑块，俗称“黄斑病”，叶背斑驳部位呈棕褐色，并可能流胶形成褐色树脂，叶表面的病斑光滑，叶背面病斑处稍肿起，且满布胶质，严重时会引起落叶。有时叶尖和叶缘枯焦，嫩叶内卷略呈杯状，叶片上有明显的圆形黄点。缺钼现象较少见，只在酸性特别强的土壤上才会出现。

该隧道剩余的1570 m地处区域性3条逆冲断层夹持的构造挤压带中，地层岩性复杂，砂岩、泥岩混杂;小断层、褶曲、不整合面、顺层滑动面、岩脉等各种不利结构面交错发育，岩体结构复杂，各部位岩性和完整性差异大。隧道开挖后极易产生滑塌和因软岩强度降低所造成的围岩变形，对隧道支护结构产生较大压力。而且各种不利结构面交错发育的影响导致初期支护变形左右不对称，使得围岩变形更难以控制。

2.2.3 地下水因素

现场调查表明，几乎所有的初期支护变形开裂都伴随着有渗水的影响(见图4);其破坏过程是一个渐进的力学过程，总是从小变形开始，然后累积到一定的程度，在一处或者几处关键部位首先产生破坏，进而导致整个支护系统失稳、崩溃。已完成的初期支护段落在搁置大约7 d后，其背后的地下水开始活跃，初支表面开始潮湿，并伴随着变形开裂的发生［5］。

图4 初支表面大面积渗水Fig.4 Large area water seepage on primary support surface

3 变形控制措施的现场试验

3.1 施工对变形影响的试验测试

老东山隧道现场测试测线布置见图5，典型断面不同施工阶段的拱顶沉降及收敛变形时程曲线见图6。

图5 围岩测量基线图Fig.5 Baseline of surrounding rock measurement

(1)隧道施工过程中，上台阶开挖当天变形量为2～3 cm，初期支护施工完毕后为1～2 cm/d;中台阶开挖当天，水平收敛较大，达到3 cm左右，初期支护施工完毕后保持在1～2 cm/d;下台阶开挖当天变形在5 cm左右，仰拱混凝土完成后保持在5～8 mm/d;中下导坑落底对拱部的变形有较大影响。

(2)隧道初支完成后，若15 d内不及时施作二衬，初支变形面积将随时间延伸不断扩大，造成侵限，大多需要拆除重做。

(3)掌子面开挖对后方10～15 m范围的初支变形影响较大;下半断面拉槽开挖对初支变形的影响一般局限于拉槽开挖长度内;中下导坑落底或仰拱开挖施工时，初支变形量明显增加;已施工的部分段落在仰供和二衬施作完成后，附近的初期支护仍然无法快速稳定。

(4)仰拱与下台阶的施工间距对于围岩变形有重要影响。仰拱封闭成环后，初期支护形成整体受力结构，抵抗围岩变形的能力大大增强，由仰拱成环前的每天变形1～2 cm减少到仰拱成环后的每天5～8 mm。也就是说，如果提前一天将仰拱封闭成环，则每天可将围岩初期支护的变形减少一半(10 mm)左右。

图6 DK951+710断面变形时程曲线Fig.6 Deformation process curve of DK951+710 section

3.2 不同初支方案的变形试验

为便于进行对比分析，5种不同的支护方案均采用三台阶七步工法进行施工，且其施工参数完全相同，5种不同支护方案对现场隧道围岩变形的不同控制效果见表2，表中基线Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ，IIIIII分别为上、中、下台阶开挖后布置，距台阶开挖底面高度约为1 m。

表1 不同变形支护方案Table 1 Different deformation support schemes

表2 不同支护方案的变形控制效果Table 2 Deformation controlling effects of different support schemes

由表中试验结果可以看出:

(1)采用原设计的单层I20b型钢钢架进行支护时，累计最大变形量达到655 mm，钢架扭曲、折断，变形严重侵限，不得不进行换拱施工，严重危及施工安全。

(2)采用单层I22b型钢钢架方案进行支护时，累计最大变形量也达到601 mm，变形同样严重侵限，钢架也发生了扭曲、折断，同样不能满足施工要求。

(3)采用H175钢架方案进行支护时，隧道拱顶下沉和周边收敛有大幅度的降低，较原设计方案，I－I基线累计最大变形量仅为原最大变形的47%，累计平均变形量仅为原来的30%;Ⅱ－Ⅱ基线，Ш－Ш基线及拱顶测试的最大变形量及平均变形量均在原最大变形量和平均变形量的45%以内;除个别地段的个别测试基线累计最大变形量达到275 mm以外，其余地段测试得到的变形量均在200 mm以内，累计平均收敛值在125 mm以内，说明采用该方案基本能保证隧道的正常施工。

(4)采用H200钢架方案进行支护时，隧道拱顶下沉和周边收敛有进一步的减小，较原设计方案，I－I基线累计最大变形量仅为原最大变形的40%，累计平均变形量仅为原来的25%;Ⅱ－Ⅱ基线，Ш－Ш基线及拱顶测试的最大变形量及平均变形量均在原最大变形量和平均变形量的35%以内;所有地段的所有测线测试得到的变形量均在200 mm以内，累计最大变形量为181 mm，累计平均收敛值为93 mm，说明采用该方案有效控制了隧道的变形开裂，能够保证隧道的施工安全。

(5)采用双层I22b型钢钢架方案进行支护时，隧道拱顶下沉和周边收敛有更大幅度的降低，较原设计方案，I－I基线累计最大变形量仅为原最大变形的14%，累计平均变形量仅为原来的11%;Ⅱ－Ⅱ基线、Ш－Ш基线及拱顶测试的最大变形量及平均变形量均在原最大变形量和平均变形量的12%以内;所有地段的所有测线测试得到的变形量均在80 mm以内，累计最大变形量为76 mm，累计平均收敛值为51 mm，说明采用该方案能够完全控制隧道的变形开裂，进而保证隧道的施工安全。

此外，在初期支护的外观表现上，采用H175、H200或双层I22b型钢钢架支护施工时，只要间距合理，极少再未出现喷射混凝土剥落，钢支撑扭曲、变形或被剪断等现象;初期支护表面平整，未出现围岩应力集中造成的个别地方突出，侵入衬砌净空的现象;说明整个初期支护的结构强度满足围岩压力的要求，变形为整体收敛，变形量基本控制在预留的变形控制量内，预留量基本与围岩的变形量相吻合。

4 老东山隧道变形控制措施的确定

根据以上试验结果，不同支护参数控制围岩变形的效果存在极大差异。由于老东山隧道地质复杂，变化频繁，同一断面岩体岩性差异较大，风化差异明显;掌子面受不利结构面组合的影响，初期支护变形左右不对称、无明显规律;在施工过程中，必须遵循“宁强勿弱，宁补勿拆”的原则组织施工，采取动态施工的理念，做到“岩变我变”。施工方法仍采用“三台阶七步开挖法”;初期支护参数应根据现场实际揭示的围岩地质状况对应选择使用，仰拱和二衬应紧跟掌子面施工，确保有效的安全距离，实现“稳中求快”。

4.1 初期支护参数的选择

(1)当掌子面地质情况相对单一、掌子面不利组合面少且无水的状况下，可选择采用全环I20b型钢架支护(预留沉落量按照40 cm同时考虑支护补强空间)，钢架纵向间距0.8 m;拱部Φ42超前小导管加强支护，超前小导管每1.6 m一环，环向间距0.4 m，每环36 根，每根长3.0 m。

(2)当掌子面地质情况复杂、有小断层、褶曲、不整合面、顺层滑动面、岩脉(其中任意一种)等不利结构面交错发育且有少量裂隙水的影响时，可选择采用全环H200型钢钢架支护(预留沉落量按照20 cm考虑)，钢架纵向间距0.6 m，采用双层钢筋网片和Φ25纵向连接筋;上台阶采用扩大拱脚(增设斜撑);拱部Φ42超前小导管加强支护，超前小导管每1.6 m一环，环向间距0.4 m，每环36根，每根长3.0 m;每榀钢架设12根Φ76锁脚锚管，6 m/根;喷射砼厚度调整为 30 cm［4］［8］。

(3)当掌子面地质情况复杂、岩性差异大，各种不利结构组合面交错发育，且有较大裂隙水时，可选择采用全环I22b+H200型钢钢架支护交错使用(预留沉落量按照20 cm考虑)，钢架纵向间距0.6 m，采用双层钢筋网片和Φ25纵向连接筋;上台阶采用扩大拱脚(增设斜撑);拱部Φ76(89)大管棚加强支护，管棚按照每25 m一环，环向间距0.4 m，每环30根，每根长30 m;每榀钢架设12根Φ76锁脚锚管，6 m/根;喷射砼厚度调整为30 cm。

4.2 施工控制措施

(1)施工中结合现场地质情况选择了拱架类型后，严格控制拱架的纵向间距，同时要做好钢架的纵向连接，必要时可采取一定的加强措施(I18工字钢或不等边角钢或增设连接筋数量等方式)，确保连接质量，每一循环要进行技术交底［4］［9］。

(2)按要求做好超前支护和锁脚锚管，务必结合实际揭示围岩的岩层产状确定锁脚锚管的角度，同时提高安装焊接的质量。

(3)当采用双层钢筋网片时，要特别注意安装步骤，先在紧贴围岩表层安装一层网片，待锚杆施作完成后进行第1次喷射砼，砼厚度为10 cm，然后安装第2层钢筋网片，再喷射第2层砼;另外，加强网片之间的搭接质量，喷射砼时要控制好喷射距离和角度，严禁出现空洞，对于初支背后的空洞应采用砼垫块或工字钢边角料进行填塞［9］。

(4)按要求严格控制掌子面与仰拱和二衬之间的距离，掌子面与仰拱的距离应小于30 m，掌子面与二衬之间的距离应小于40 m，及时调整工序，实现均衡施工、流水作业。

(5)在开挖后及时预埋围岩量测点，加大观测频率，增加测点密度，及时绘制位移时态曲线并进行分析，掌握拱顶下沉及周边收敛的规律，发现异常立即采取加固措施，同时要根据量测数据分析成果及时调整预留沉落量。

(6)对掌子面潮湿段落及时埋设Φ42小导管作为注浆管，必要时埋设盲管，以将地下渗水集中排出。

(7)施工过程中，严格控制开挖进尺，减少超挖，各施工工序之间的时间、距离应尽量缩短，并尽快地使全断面衬砌封闭，以减少岩层的暴露时间。

通过一系列的研究、试验，对施工方法、施工工艺、施工组织进行了改进、加强，使得老东山隧道初期支护的变形开裂问题得到了有效的控制，大大降低了隧道现场的施工风险。

5 结论

(1)导致隧道围岩产生大变形的因素很多，必须充分了解隧道产生大变形的主要原因，才能采取有针对性的控制措施;对于处于构造挤压带中的老东山隧道，其大变形是在岩性、地质构造和地下水综合作用下，因开挖卸荷和围岩膨胀所导致的。

(2)不同的支护方案的围岩变形控制效果差异极大，采用单层I20b型钢钢架或单层I22b型钢钢架方案时，累计最大变形量达到600 mm以上，钢架扭曲、折断，变形严重侵限;H175钢架和H200钢架方案能将最大变形量控制在300 mm以内，平均变形量控制在200 mm以内，基本能够保证施工安全;双层I22b型钢钢架方案能将最大变形量控制在80 mm以内，完全满足施工要求。

(3)针对老东山隧道，当掌子面地质情况相对单一时，可选择采用全环I20b型钢架支护;当掌子面地质情况复杂、有小断层、褶曲等不利结构面交错发育且有少量裂隙水的影响时，可选择采用全环H200型钢钢架支护;当掌子面地质情况复杂、岩性差异大，各种不利结构组合面交错发育，且有较大裂隙水时，可选择采用全环I22b+H200型钢钢架支护交错使用。

(4)隧道施工过程中，拱顶下沉和收敛变形受台阶开挖影响明显，上中下台阶开挖后变形出现显著的台阶形增加，随后变形速率有所减少;软弱围岩隧道施工应严格控制好开挖进尺及施工步距，各施工工序之间的时间、距离应尽量缩短，安全距离任何时候不能超标，初支完成后应及时封闭成环，以有效的减少初支变形;掌子面开挖后要确保二衬适当紧跟掌子面施工，防止变形进一步扩展，维护围岩稳定。

［1］赵旭峰.挤压性围岩隧道施工时空效应及其大变形控制研究［D］.上海:同济大学，2007.ZHAO Xu-feng.The temporal and spatial effect in construction and control of large deformation of tunnels in squeezing Ground［D］.Shanghai:Tongji University，2007.

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