滇中红层软弱围岩隧道变形开裂原因分析及处治措施研究

李小坤

(昆明铁路局，昆明 650011)

0 引言

随着我国基础建设事业的高速发展，我国的公路工程、铁路工程和地下工程迅猛发展，长大隧道也越来越多。在隧道施工过程中常会遇到软弱围岩，而围岩变形开裂是地下工程中危害极大的一种地质灾害。掌握软弱围岩隧道施工技术对变形的影响，展开切实可行的支护技术研究，对保证隧道工程的顺利施工有着非常重要的意义。关于隧道软弱变形的研究很多，文献［1－2］主要介绍了隧道软弱围岩变形的理论研究;文献［3－7］主要介绍了隧道穿越复杂条件下控制围岩稳定性的措施;文献［8－13］分别介绍了断层、千枚岩大变形、顺层偏压软岩、高地应力引起的变形等施工技术;但对隧道穿越滇中红层这一特殊地质条件下的变形研究不多，广昆线老东山隧道穿越典型的滇中红层地层，隧道在施工过程中多次出现了初期支护变形开裂现象，本文通过对施工过程中地质超前预报、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，在参考现有研究成果的基础上，有针对性地调整支护参数等，成功地解决了隧道施工中的变形开裂问题。

1 工程概况

根据区域性地质勘察报告，滇中红层分布于金沙江以南，哀牢山以东，禄丰董户村以西的云南大部分地区。该地区地处青藏高原边缘，新构造运动强烈，断层构造发育，地震活动极为频繁，加之降水集中，地质灾害频发。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，途经地质较为复杂的滇中红层地区。隧道全长7 578 m，其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩长度分别为3 120，2 700，1 758 m，隧道穿越老东山F4断层、官村至白云寺F2断层和哨村F1断层。隧道最大埋深约370 m，是广昆线的重点控制工程，隧道施工风险等级极高。

老东山隧道所处地层上台阶为灰黄、灰绿夹紫红色砂岩夹泥岩，薄至中厚层状，泥质、细粒结构，泥岩、砂岩均为泥质胶结，属软质岩，强风化与弱风化相间，砂岩以强风化为主(呈碎块状)，泥岩为全风化(呈土状);中下台阶岩体为灰黄夹紫红色泥岩、砂岩互层，薄至中厚层状，泥质胶结，属典型的滇中红层地层。

老东山隧道在历时近4 a的施工过程中，受异常复杂工程水文地质条件的影响，先后遭遇塌方1次，突水涌泥3次，变形、开裂30余次。

2 老东山隧道初期支护变形开裂特征与规律分析

老东山隧道在施工过程中初期支护出现了多次变形、开裂现象，针对开裂情况，通过分析施工过程中隧道周边变形监控量测数据及其与施工工序、施工时间的相互关系，归纳分析出老东山隧道围岩变形特征。隧道裂纹展开情况见图1。

图1 裂纹展开图Fig.1 Crack of the tunnel

2.1 围岩量测数据显示的5种关系

1)变形与工序的关系。上台阶开挖当天变形量为2～4cm，初期支护施工完毕后为1～2cm/d;下台阶开挖当天，水平收敛较大，达到3 cm左右，初期支护施工完毕后保持在1～2cm/d;仰拱开挖当天变形在3cm左右，仰拱混凝土施工完成后保持在5～8 mm/d。中下导坑落底对拱部的变形有较大影响。

2)变形与喷射混凝土的关系。变形量达15 cm时，喷射混凝土表面可见裂缝(中导坑最为明显)，20 cm时局部剥落，30 cm以上时大块剥落(见图2)。

3)变形与钢架的关系。使用单层I20b型钢钢架，变形量达23cm时，钢架局部变形;变形量达27cm时，钢架局部扭曲(见图3);变形量达43 cm以上时，钢架局部折断，墙部收敛值大于拱顶下沉值。使用单层I22b型钢钢架，变形量达25 cm时，钢架局部变形;变形量达30 cm时，钢架局部扭曲;变形量达46 cm以上时，钢架局部折断(见图4)。使用双层I22b型钢或单层H200型钢钢架支护，变形量达28 cm时，钢架局部变形凸起。目前为止，无钢架扭曲或折断现象。

4)变形与时间的关系。初期支护完成后，若17 d内不及时施作二次衬砌，初期支护变形面积将随时间延长不断扩大，造成侵限，大多需要拆除重做。

5)变形与施工的关系。掌子面开挖对后方10～15 m范围的初期支护变形影响较大;下半断面拉槽开挖对初期支护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，初期支护变形量明显增加;已施工的部分段落在仰供和二次衬砌施作完成后，附近的初期支护仍然无法快速稳定(见图5)。

图5 二次衬砌完成后，端头附近初期支护开裂严重Fig.5 Serious crack of primary support

2.2 施工工序间衔接对变形的影响

1)上、下台阶间距对变形的影响。主要表现在能否及时将下台阶施工，以及能否及时将仰拱施工完毕后形成封闭的整体受力结构。

2)仰拱与下台阶间距对变形的影响。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1～2 cm/d减少到仰拱成环后的5～8mm/d。也就是说，如果提前1 d将仰拱封闭成环，则每天可将围岩初期支护的变形减少1/2(10 mm)左右。

3)二次衬砌与掌子面间距对变形的影响。距离越远，则变形时间越长，总变形量就越大;距离越短，则变形时间就越短，总变形量就越小。但是二次衬砌混凝土施工太早，二次衬砌混凝土承受的围岩压力较大，对二次衬砌结构的受力产生不利影响。

2.3 变形开裂的特征

1)变形量大。老东山隧道进口工区拱顶最大下沉量32 cm，边墙最大收敛量41 cm;平均下沉和边墙收敛均在15 cm以上的段落有166 m。2#斜井工区拱顶最大下沉量45cm，边墙最大收敛量65cm;平均下沉在15 cm以上的段落共227 m，边墙收敛在15 cm以上的段落共411 m。

2)变形开裂的段落长、比例高。老东山隧道进口2008年9月13日至2010年4月17日施工1 003 m，发生的变形开裂段落长达309 m，达31%;2#斜井自2009年3月17日至2010年5月13日施工576 m，发生的变形开裂段落长达196 m，达34%。

3)变形开裂出现时间早、持续时间长。老东山隧道2#斜井工区一般发生在初期支护完成2～3 d后，局部明显出现裂纹，持续时间达到16 d时，情况会较为严重，易出现侵限;进口工区一般在初期支护完成5～7 d后，变形速率较快且持续时间较长。

4)变形开裂部位较为集中。大部分变形开裂首先出现在线路右侧拱部或拱腰偏下处，呈纵向开裂;随着时间的推移，出现环向开裂并不断加剧。

5)安全距离要求高。仰拱和二次衬砌与掌子面之间的安全距离要严格控制在30～50 m，一旦拉大距离，出现变形开裂导致换拱的可能性就极大。

3 老东山隧道初期支护变形开裂原因分析

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。

3.1 岩性因素

滇中红层是一种软—半坚硬特殊性岩组，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。

3.2 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渗水的影响(见图6)。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，初期支护表面开始潮湿，伴随着变形开裂的发生，围岩量测数据显示，一般情况下，17 d内初期支护一旦无法成环，钢架将产生扭曲折断直至侵限甚至坍塌。

图6 变形开裂的前兆(初期支护表面大面积渗水)Fig.6 Portent of tunnel deformation and cracking:large area of water seeping on the surface of the primary support

老东山隧道以泥岩、砂岩和泥岩夹砂岩为主，各个掌子面的围岩对水的敏感性很强，遇水后强度衰减得很快，直接导致的结果是突水、涌泥或局部的溜塌。掌子面及初期支护表面出现的渗水主要为基岩裂隙水，由于滇中红层为软弱岩类，其孔隙比较大，黏结力差，地下水容易在其中产生渗流。隧道开挖后，在地下水渗流作用下，极易产生滑塌和因软岩强度降低造成的围岩变形，对隧道支护结构产生较大压力;而且地下水对结构面的软化、泥化和润滑作用，降低了结构面的抗剪强度，使围岩发生大范围的剪切破坏，或使岩体沿结构面发生剪切滑动，从而产生围岩大变形。由于无法探明地下水的来源，施工过程中对于水的处理存在较大的盲目性。

3.3 地质构造因素

老东山隧道地处3条逆冲断层夹持的构造挤压带中，地层岩性复杂，砂岩和泥岩混杂，小断层、褶曲、不整合面、顺层滑动面和岩脉等各种不利结构面交错发育，各部位岩性和完整性差异大，隧道开挖后掌子面极易产生掉块和塌方。由于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，使得围岩变形更加难以控制。

3.4 其他因素

对变形开裂段进行现场调查分析后发现，老东山隧道变形还存在以下几个方面的问题。

1)对掌子面揭示的围岩状况认识不清，对滇中红层地质潜在的安全风险认识不足，由此导致施工方案针对性不强。

2)由于对滇中红层地质的认知不足，对初期支护参数的选择及支护结构的强度要求无法及时做出调整。

3)在施工工序安排上不够紧凑。

4 老东山隧道变形控制原则与控制措施

4.1 软弱围岩隧道大变形控制方法

随着软弱围岩大变形隧道的不断增多，对大变形隧道的认识也不断深化，提出了多种支护措施，在施工过程中采取的支护措施基本可以分为以下3大类。

1)刚性支护。这种支护措施的核心是通过加大支护结构的强度和刚度来抵抗巨大的围岩压力。支护材料一般为钢材或木材。

2)可缩支护。这种支护的理论依据是当开挖引起的围岩扩容(剪胀或遇水膨胀)不可避免时，允许围岩发生适度的变形，这样可以降低作用于结构上的支护压力，从而减少超挖量并降低支护强度。

3)锚、注、喷一体化支护系统。该系统技术要点可以概括为:①开挖后及时支护，充分利用围岩的自承能力。②初期锚喷支护应采用带止浆塞的(钻)锚、注一体化(自钻式)注浆锚杆;混凝土喷层可以是素混凝土，也可以是钢纤维混凝土，根据实际情况，还可以设置可缩式钢架支撑。③二次衬砌应设置足够强度的仰拱，并应为初期支护预留一定的变形量或在初期支护和二次衬砌之间设置变形层。

4.2 老东山隧道围岩变形控制具体措施

在进行充分的文献调研和理论分析的基础上，针对老东山隧道的工程特点，确定了“以支为主，以让为铺，支让结合”的支护设计原则。有针对性地采取一些控制措施，确保隧道变形开裂得到有效控制。

4.2.1 强化超前地质预报工作

老东山隧道地质条件复杂多变，为充分了解隧道工作面前方围岩的变化情况，实际施工中采取多种超前地质预报相结合的方法对老东山隧道的地质情况进行了探测。具体包括超前水平钻探20 000 m、地质雷达探测3 000 m、TSP超前地质预报5 200 m、高密度电法探测1 440 m，此外，地质素描、超前加深炮眼等按照循环作业同步进行。

4.2.2 加强超前预支护及注浆加固

现场调查表明，几乎所有的初期支护变形开裂都伴随着渗水的影响，因此，为控制围岩变形，保证施工安全，施工中加强了超前预支护及径向注浆加固(见图7)，尤其重视注浆的质量，对锚杆(管)的施工从机具到注锚工艺都给予重视。径向注浆范围为开挖轮廓线外5 m，注浆采用φ42钢花管，长度5.0 m，间距1.0 m，梅花形布置，压注水泥浆和水泥－水玻璃双液浆，注浆压力 0.5 ～1.2 MPa，水灰质量比为 1∶1;具体浆液配比和注浆压力可由现场试验确定。通过对隧道周边围岩进行注浆加固，一方面可提高围岩力学性能，另一方面可阻止地下水渗入隧道结构周边围岩区域，减少围岩膨胀产生的膨胀压力对支护结构的影响，从而减小围岩的变形。

图7 径向注浆加固Fig.7 Radial grouting

4.2.3 调整初期支护参数

为了预防各种初期支护变形开裂险情，结合现场实际地质状况，对原设计的初期支护参数做了如下调整:预留变形量由13 cm调整为25～50 cm、将I18b或I20b型钢钢架在地质较差地段调整为 I22b、I25b、H175或H200型钢钢架或4种类型钢架配套使用(见图8)、将单层网片调整为双层网片、将单层连接筋调整为双层连接筋同时增大连接筋的使用型号、实施扩大拱脚、将钢架的14 mm厚连接钢板调整为20～25 mm、实施φ76大锁脚注浆导管等。

图8 使用H200和I22b型钢钢架配套支护Fig.8 Installing H200 and I22b steel rib

4.2.4 改变开挖方式

在地质条件允许的情况下，对中、下导坑的爆破开挖使用液压锤代替(见图9)，减少了爆破振动，有效地控制了变形开裂的不断延伸，为后续仰拱和二次衬砌施工争取了相对充足的时间。对渗水严重的段落，中下导坑分次进行落底，有效地降低了安全风险。

图9 使用液压锤施工Fig.9 Excavation by hydraulic hammer

4.2.5 控制各工序的施工时间

软弱围岩隧道施工中，各工序施工所占时间的长短不仅对施工进度有影响，还对控制变形有相当大的影响，施工过程中对各道施工工序的时间安排如下。

1)开挖工序时间安排。开挖作为隧道施工的一道工序，它包括超前小导管的施工、钻眼、装药、连线和爆破，实际施工中，开挖一般需要4 h。

2)出碴工序时间安排。出碴包括上台阶扒碴和下台阶出碴2部分。为减轻人工劳动强度，上台阶扒碴采用挖掘机进行，因此，上台阶扒碴时掌子面是单工序作业;下台阶出碴时上台阶可以进行拱部型钢、钢筋网、锚杆的施工，下部出碴与上台阶初期支护同时进行，因此，下部出碴不占用循环时间。出碴时间(实际为上部扒碴时间)在整个工序循环中占用时间较少，一般为1 h。

3)初期支护时间安排。初期支护是软弱围岩隧道施工的关键工序，在整个工序循环时间中占有重要比例。实际施工中，由于喷混凝土量较大，初期支护一般为7 h左右。

4)仰拱施工时间安排。仰拱施工是通过搭设栈桥进行的，虽对掌子面的开挖工序有干扰和影响，但它不占用整个工序循环时间。如果仰拱开挖后不及时封闭，会使边墙型钢长时间暴露、悬空，产生较大的拱顶下沉和边墙收敛。因此，在施工中必须对仰拱施工的时间加以控制，一般情况下每循环仰拱施工时间控制在20 h左右(包括仰拱混凝土的灌注)。

5)二次衬砌施工时间安排。衬砌施工虽然不占用掘进工序的循环时间，但是，由于初期支护存在大变形，型钢钢架、喷锚网支护结构的刚度毕竟是有限的，不可能等到围岩基本趋于稳定后再进行混凝土衬砌。因此，施工中对混凝土衬砌仍然有施工时间的要求，这不仅是控制围岩变形的需要，同时也是满足施工进度要求的需要。一般情况下，完成一环(12 m)衬砌的施工时间为3 d(包括挂防水板、绑扎钢筋、台车对位、灌注混凝土、拆模等)。

4.2.6 控制各施工工序的间距

1)上、中、下台阶工序间距。间距的控制主要是根据在上台阶进行上部施工的安全距离要求决定的，并尽可能将上台阶缩短，以利于中、下部能尽快施工，在变形出现异常的情况下能及时将仰拱封闭形成整体受力结构。因此，上、中、下台阶工序的间距分别控制在5 m范围内，一方面保证上台阶施工时拱部有4～5 m的施工操作平台;另一方面，保证上台阶开挖后3 d左右能够施工中、下台阶，此时初期支护的变形量可控制在5～10 cm。

2)仰拱与下台阶间距。间距的控制主要是考虑下部施工要有一个操作空间和仰拱施工时能将挖掘机停放在下台阶平台上，同时还必须考虑在仰拱施工前初期支护的总变形量不能太大。因此，仰拱与下台阶的间距控制在15 m范围内，一方面保证下台阶施工时有15 m的施工操作平台;另一方面，保证下台阶开挖后在7 d左右能够施工仰拱，此时初期支护的总变形量可控制在15～20 cm。

3)二次衬砌与掌子面间距。正常情况下，二次衬砌与掌子面安全距离应保持在30～50 m，一方面是保证仰拱施工掌子面到衬砌端头有15 m左右的距离，可以充分利用这个空间进行防水板和二次衬砌钢筋绑扎的施工;另一方面，保证上台阶在开挖后15～17 d能够施工二次衬砌钢筋混凝土，此时初期支护的总变形量可控制在25～30cm。特殊情况下，二次衬砌与掌子面的距离可阶段性保持在15～30 m，为此需要拆除防水板铺挂台车。实践证明在隧道变形发展到一定阶段，适时施作二次衬砌对于控制围岩变形是有效的。

通过对施工方法、施工工艺、施工组织进行改进，变形量得到了有效控制。

4.3 实施效果

1)调整初期支护辅助措施的应用效果。通过拱脚基础扩大、调整纵向I14连接钢架、“L”形锁脚连接钢筋和“U”形锁脚连接卡以及“人”字形斜撑的使用，不仅加强钢架间的纵向连接刚度，而且经过改造后还可以加强锁脚与钢架间的连接，较好地控制了施工变形问题。通过对监控量测资料的对比分析，调整后最大变形量为28 cm，解决了变形侵限问题。

2)对二次衬砌台车进行改造的应用效果。通过对二次衬砌台车与前方用于铺挂防水板和施作二次衬砌钢筋工作台车进行“二合一”改造，为及时施作仰拱和二次衬砌创造了空间条件，实现了“各道工序长期保持均衡作业”的目的，有效地控制了隧道变形开裂二次衬砌问题，大大减少了施工中的安全风险。

通过对施工完毕的隧道二次衬砌结构进行长期的监控量测，均未观测到变形，表明初期支护参数调整后隧道结构是安全可靠的。

5 结论与讨论

1)软弱围岩隧道施工中，首先要做到“五到位”，即:认识到位，措施到位，管理到位，人员到位，设备到位。同时应严格按照“先预报、管超前、控爆破、短进尺、早支护、快封闭、勤量测”的21字方针组织施工，它是软弱围岩隧道施工成败的关键。

2)软弱围岩隧道地质复杂、变化频繁，只有做好超前地质预报工作，准确掌握地质情况，才能正确地选择施工方案。

3)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。对于处于滇中红层中的老东山隧道，其大变形是在岩性、地下水和地质构造综合作用下，因开挖卸荷和围岩膨胀所导致的，因此注浆堵水对控制变形会产生良好的效果。

4)对于支护系统，要确保其有效性。应严格控制好钢架的纵向间距，加强钢架的纵向连接;按要求做好超前支护和锁脚锚杆(管)，结合实际揭示围岩的岩层产状确定锁脚锚杆(管)的角度，同时提高安装焊接的质量。喷射混凝土时要控制好喷射距离和角度，严防出现空洞;总之要确保支护系统的有效性。

5)无论采用哪种施工方法，软弱围岩隧道施工都应严格控制好施工步距，仰拱施工必须先行，要确保二次衬砌适当紧跟掌子面施工，安全距离任何时候不能超标。

6)不同的时空条件、外部环境、生产要素和管理能力，其所采取的变形控制方法是不同的。在软弱围岩隧道施工的过程中，只要对出现的各类问题采取有针对性的措施，才能够确保隧道初期支护的变形开裂长期处于受控状态，避免出现换拱和塌方事故。

7)建议针对滇中红层地质的独特性，开展专项地质勘察及研究，为工程设计、施工提供理论依据，对处于滇中红层的各类工程(如桥梁基础、高路堑边坡防护等)有针对性地采取工程技术措施，确保施工及工程竣工后的安全。

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