高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研究

邹 翀，张民庆，李沿宗，张文新

(1.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳 471009;2.铁道部工管中心，北京 100844)

0 引言

伴随着我国铁路建设的大发展，隧道修建时穿越高地应力软岩地层已不可避免，如兰渝二期木寨岭铁路隧道。高地应力软岩隧道施工时，围岩易发生大变形，而开挖方法的选择是控制围岩变形的重要影响因素。工程经验表明，开挖方法选择不当极易导致软岩大变形的发生，甚至造成更为严重的后果。目前，国内外学者针对特定地质环境下围岩及隧道发生变形的机制、变形控制技术等方面已做了大量的研究工作。文献［1－3］就地下洞室开挖对围岩的扰动进行了理论分析及公式推导。文献［4－5］通过数值模拟方法对高地应力下隧道开挖围岩应力及位移演变进行了分析。文献［6－8］就不同高地应力软岩隧道施工变形控制进行了分析。文献［9－13］主要针对木寨岭铁路隧道施工情况总结了软弱围岩大变形的控制措施。目前，对于高地应力软岩大变形施工控制技术的研究已较成熟，但在高地应力软岩地层，通过现场试验的方法来进行超前导洞法与三台阶法的比选研究还不多见，基础数据比较缺乏，相关结论也较少。因此，本文在木寨岭隧道高地应力软岩地质环境下开展现场试验，分析研究超前导洞法与三台阶法的变形规律及变形控制效果具有重要意义，其结果可为木寨岭隧道及类似工程的修建提供技术指导，进一步完善地下工程修建技术。

1 工程概况

兰渝铁路木寨岭隧道位于甘肃省定西市，起于漳县大草滩镇止于岷县梅川镇，线路基本呈北南走向，坡度12.8‰，全长19 020 m。木寨岭隧道为双洞单线，正洞开挖面积80.77 m2。木寨岭隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占全隧的46.53%，全线Ⅳ级和Ⅴ级围岩占全隧84.5%以上。特殊不良地质段段落长大、影响面宽，木寨岭7#斜井洞内地应力测试结果表明，该处地应力高达14～17 MPa，且以水平构造应力为主，最大水平主应力方向为N29°～39°E，与隧道轴线方向(N35°E)呈小角度相交，属高地应力区，极易发生围岩大变形，施工难度很大，风险极高。

2 试验方案设计

2.1 试验段地质

为了分析超前导洞法与三台阶法施工在高地应力软岩环境下对变形的控制效果，分别选取木寨岭隧道正洞右线DYK187+996～DYK188+034段和DYK188+045～+075段进行现场试验。超前导洞法与三台阶法试验段地质均主要以二叠系下统板岩夹砂岩夹炭质板岩为主，薄层到中厚层，弱风化，破碎，地下水不发育，都属Ⅴ级软岩地层。

2.2 超前导洞法试验方案

超前导洞设置于隧道断面中部位置，距隧道拱顶开挖轮廓线200cm，超前导洞采用直墙断面，断面尺寸为450 cm×450 cm(宽×高)。

超前导洞法总体施工顺序为导洞挂洞门(明洞)—导洞开挖支护(长38 m)—导洞支护拆除—正洞扩挖—正洞支护。导洞采用全断面法开挖，正洞扩挖采用三台阶法施工，台阶长度为4～6 m，上、中、下台阶高度分别为 3.2，3.0，4.0 m，扩挖后及时对拱顶下沉，上、中、下台阶收敛进行监测，超前导洞与正洞位置尺寸关系及监测点布置如图1所示。

超前导洞支护情况:16 cm厚网喷C25混凝土+U型钢支撑。

正洞扩挖支护情况:全环H175型钢+格栅钢架，钢架间距0.5～0.8 m，预留40 cm 变形量;R32N自进式系统锚杆，拱部长 4.5 m、边墙长6 m，1.2 m ×1.0 m，R32N自进式锁脚锚杆16根，长6 m;C30早高强喷射混凝土厚33 cm，设φ22双层连接筋、φ8双层钢筋网。

2.3 三台阶法试验方案

采用三台阶法施工时，台阶长度为4～6 m，上、中、下台阶高度分别为 3.2，3.0，4.0 m，开挖后及时对拱顶下沉，上、中、下台阶收敛进行变形监测，台阶分布及监测点布置如图2所示。

初期支护情况:全环H175型钢+格栅钢架，钢架间距0.5～0.8 m，预留40 cm变形量，断面型式采用V级软岩断面，上半断面C30早高强混凝土封闭掌子面5cm;R32N自进式系统锚杆拱部长4.5m、边墙长6m，1.2×1.0 m，R32N自进式锁脚锚杆16根，长6 m;C30早高强喷射混凝土厚33cm，设φ22双层连接筋、φ8双层钢筋网。

3 试验结果分析

3.1 超前导洞法试验分析

试验段超前导洞于2010年9月3日开始施工，到2010年10月10日正洞扩挖支护结束，共耗时38d，导洞段施工如图3所示。

图3 超前导洞法施工图Fig.3 Pilot tunneling

超前导洞试验段监测断面累计变形值如表1所示。由表1可知:正洞下、中台阶水平收敛明显大于上台阶，水平收敛最大值约为150 mm，拱顶下沉最大值约为60 mm;通过对试验段各测点变形值进行平均后得出，试验段平均拱顶下沉值为35.59 mm，上、中、下台阶平均收敛值分别为 63.74，118.31，118.30 mm。各监测断面变形曲线如图4所示。由图4可看出:隧道各部分随着正洞扩挖的进行，上、中台阶变形趋势大多相对平缓，未出现变形突然增大现象，而下台阶变形速率随着仰拱的开挖出现增大，在仰拱开挖封闭后，各台阶变形速率明显减小，并趋于稳定。

表1 超前导洞法试验段监测断面累计变形值统计表Table 1 Deformation occurring in pilot tunneling mm

图4 各监测断面变形曲线Fig.4 Deformation curves of different monitoring cross-sections

3.2 三台阶法试验分析

试验段从2010年10月29日开始上台阶施工，到2010年12月4日下台阶施工完成，除去停工时间，实际施工27 d，三台阶法现场施工试验如图5所示。

图5 三台阶法施工Fig.5 Bench excavation method

3.2.1 三台阶法变形情况分析

三台阶法试验段监测断面变形值如表2所示。由表2可知:最大拱顶下沉为60～75 mm，平均值为67.94 mm;最大水平收敛值约为154 mm，上、中、下三台阶平均收敛值分别为126.89，139.05，103.47mm，与下台阶相比，上、中台阶收敛值相对较大。各监测断面变形曲线如图6所示。由图6可看出:上、中台阶初期变形速率较大，在仰拱初期支护完成后，其变形速率明显减小，变形基本趋于稳定。

表2 台阶法试验段监测断面变形值统计表Table 2 Deformation occurring in tunneling by bench excavation method mm

图6 各监测断面变形曲线Fig.6 Deformation curves of different monitoring cross-sections

3.2.2 三台阶法变形规律分析

根据三台阶法施工工序，各测点变形可以分为4部分，即:1)上台阶开挖到中台阶开挖前的变形值;2)中台阶开挖到下台阶开挖前的变形值;3)下台阶开挖到仰拱封闭前的变形值;4)仰拱封闭到施作二次衬砌前的变形值。为了分析三台阶法施工时各工序对隧道变形的影响，把测点变形数据分解开，如表3所示。

表4和图7为三台阶开挖各工序之间的围岩变形值占累计变形值的比例。由表4和图7可看出:三台阶法开挖时，对于拱顶下沉及上台阶收敛，上台阶开挖到中台阶开挖前和下台阶开挖到仰拱封闭前变形值较大，占累计变形值的80%左右，是发生变形的主要时间段;对于中台阶收敛，中台阶开挖到下台阶开挖前和下台阶开挖到仰拱封闭前均是变形发展的主要阶段，占累计变形值的95%左右;对于下台阶收敛，下台阶开挖到仰拱封闭前是变形发展的主要阶段，占累计变形值的95%左右;各台阶变形在仰拱封闭到二次衬砌施作前变形均很小，占累计变形值比例均在7%以下，说明隧道开挖后及早封闭对控制隧道变形极为有利，在可能的情况下，应尽量缩短各工序作业时间，及时使初期支护封闭成环是软岩变形控制的重要措施。

3.3 试验综合效果比较

3.3.1 变形控制效果

超前导洞法与三台阶法试验结果表明:采用这2种施工方法施工，隧道最大变形均为水平收敛，最大值均控制在180mm以下，且仰拱开挖封闭后变形均得到有效控制，并趋于收敛。由此说明，在木寨岭隧道高地应力软岩环境下，采用这2种施工方法均能有效控制围岩变形。

表3 三台阶法各工序之间的围岩变形值Table 3 Deformation occurring at different steps of bench excavation method mm

表4 三台阶开挖各工序之间的围岩变形值占累计变形值的比例Table 4 Ratio of deformation occurring at different steps of bench excavation to the total %

图7 三台阶开挖各工序之间的围岩变形值占累计变形值的比例Fig.7 Ratio of deformation occurring at different steps of bench excavation to the total

从变形控制效果方面看，超前导洞法与三台阶法对隧道变形的实际控制效果有不同之处:前者中、下台阶变形速率相对较大，上台阶变形速率较小，而后者体现出上、中台阶变形速率相对较大，下台阶变形速率较小。试验结果表明，2种施工方法下，中台阶处变形值均比较大，是变形控制的重点阶段，因此，取中台阶处变形平均值来进行比较分析(如表5所示)，超前导洞法由于前期导洞对应力进行了调整和释放，正洞扩挖后变形有一定程度地减小。

表5 超前导洞法与三台阶法软岩段变形控制效果对比Table 5 Comparison and contrast between deformation controlling effect of pilot tunneling method and that of bench excavation method mm

3.3.2 施工效率

从施工效率方面看，超前导洞法由于要进行超前导洞的施工，施工效率略低于三台阶法，如表6所示。采用超前导洞法扩挖施工时，施工进尺约为1.0 m/d，采用三台阶法施工时，施工进尺约为1.3 m/d，施工效率可提高30%。

综上所述，从变形控制效果方面看，木寨岭隧道高地应力软岩段采用超前导洞法与三台阶法相差不大;从施工效率看，三台阶法要略优于超前导洞法。总之，木寨岭隧道高地应力软岩段采用超前导洞法与三台阶法施工时，最大变形值均控制在180 mm以下，且均在仰拱封闭后趋于稳定，说明超前导洞法与三台阶法均是高地应力软岩环境下有利于变形控制的施工方法。

表6 超前导洞法与三台阶法软岩段施工效率对比Table 6 Comparison and contrast between tunneling efficiency of pi lot tunneling method and that of bench excavation method

4 结论与讨论

通过对兰渝二期木寨岭隧道高地应力软岩段进行现场试验，得出如下主要结论。

1)在本文所述初期支护参数情况下，木寨岭隧道高地应力软岩段采用超前导洞法和三台阶法施工时，前者体现中、下台阶变形速率较大，后者体现上、中台阶变形速率较大，都表现出边墙中部围岩变形最大，隧道边墙中部是施工变形控制的重点。

2)木寨岭隧道高地应力软岩段采用超前导洞法和三台阶法施工时，最大变形值均控制在180 mm以下，且围岩变形均在仰拱封闭后趋于稳定，这说明两者均是高地应力软岩环境下有利于变形控制的施工方法。

3)木寨岭隧道高地应力软岩段采用超前导洞法与三台阶法施工相比，两者施工变形控制效果程度相近，但超前导洞法在施工效率方面略低于三台阶法;同时，也说明在高地应力区域，最大主应力方向与隧道轴线成较小夹角时，采用三台阶法施工，既达到变形控制效果，也能加快施工进度。

4)木寨岭隧道高地应力软岩段三台阶法施工时各工序阶段的变形规律表明:在最大主应力方向与隧道轴线成较小夹角情况下，隧道变形总体可控;隧道开挖后及早施作仰拱对隧道变形控制极为有利，在可能的情况下，应尽量缩短各工序作业时间，及时使初期支护封闭成环是软岩变形控制的重要措施。

由于客观条件的局限性，本文仅在木寨岭隧道高地应力软岩段做了超前导洞法与三台阶法施工现场试验，其试验结果能真实地反映2种施工方法在木寨岭隧道高地应力软岩段的变形控制情况，可为木寨岭隧道高地应力软岩段的快速通过提供指导，同时也可为类似工程建设提供技术参考。在有条件的情况下还应在其他类似的隧道开展更多现场试验，尤其是最大主应力方向与隧道轴线成大角度相交的情况，获取更多的试验数据来揭示和补充2种施工方法在高地应力软岩环境下的施工变形规律，使研究成果更加具有普遍意义，为高地应力软岩隧道施工提供技术支持和指导。

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