红桥关隧道软岩大变形地段施工技术研究

官继勇

摘 要：文章对成兰铁红桥关双线隧道高应力炭质板岩软弱隧道的变形原因进行了分析，依据综合探测及监控量测手段，实施动态设计。对隧道变形地段施工提出了分部、分层开挖的工法要求，并根据二次支护、联合支护及关键部位加强支护的要求制定了支护措施，对二次衬砌的时机提出了要求。同时，在监控量测的基础上，建立隧道变形坍塌风险预警体系，以确保工程安全。

关键词：软岩隧道；大变形地段；施工技术

中图分类号：U458 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0001-04

1 工程概况

成兰铁路CLZQ-13标红桥关双线隧道起讫里程D2K253+710.000～D1K256+890.000，全长3 169.33 m，隧道工程地质具有“四极三高”的显著特点：地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、地震效应极为显著；高地应力、高地震烈度、高地质灾害风险。其中，该隧道软质岩大变形预测段及可能发生大变形段共5段长1 480 m，约占隧道全长的47%，对隧道施工进度、成本及安全控制的影响极大，是全隧施工的关键。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌特征

红桥关隧道位于四川省阿坝州松潘县川主寺镇境内，隧址区属高中山剥蚀地貌，处于高原高寒区段。

岷江位于线路右侧，岷江河谷深切，两侧横向沟谷发育，地形起伏较大。

地面高程为2 950～3 510 m，地势左高右低，自然横坡10～60 ？觷局部稍陡，最大埋深410 m。

2.2 地层岩性

红桥关隧道地层岩性主要以板岩（碳质板岩）为主，局部段落夹砂岩、灰岩、页岩、（含煤层），零星分布花岗岩。其中，炭质板岩多呈灰、深灰、灰黑色，薄层状结构，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩质软，遇水易软化，易风化剥落，抗风化能力弱。砂岩呈夹层分布，呈灰白、灰色，粉细粒～细粒结构，质硬，层理清晰，呈中厚层状，钙质胶结为主。岩体较破碎处偶夹灰白色的石英脉，主要矿物成分为长石、石英。

2.3 地质构造

2.3.1 岷江断裂

在地表D2K254+565～D2K254+980段发育岷江断裂，被第四系掩盖，推测洞身段断裂带宽382 m，断层带岩性以灰质板岩为主，岩体挤压较破碎，岩质较软，构造节理发育，强风化带较厚。

2.3.2 川主寺1号推测断层

物探显示，在D1K256+092～D1K256+350.深孔DZ-HQG-02号孔揭示，157.2～166.3为断层角砾，断层挤压特征明显，多为泥质胶结，节理面夹炭质板岩，质软，手捏易碎，该断层对隧道围岩的影响范围为258 m。

2.4 水文地质特征

地表水：线路位于岷江水系，主要接受大气降水及少部分渗出的裂隙水补给，并向岷江排泄，地表水为当地居民水源。

地下水：线路内地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水为主。

孔隙水主要接受大气降水补给，并向低洼地带排泄，其动态变化大，径流途径短，在雨季尤其是大雨、暴雨之后，水位大幅增高，动水压力增大，旱季反之。

基岩裂隙水主要赋存与砂岩、板岩中，千枚岩地层为相对隔水层，由于裂隙发育，基岩裂隙水较丰富，但受岷江深度切割影响，山高谷底，浅部地下水径流途径短，循环交替迅速，基岩裂隙水多于沟谷下部沿裂隙面就近似滴水状、片状或小股排泄状，以岷江或临近沟谷为排泄基准面，因此地下水埋置相对较深。

基岩裂隙水受大气降水补给外，还受地表水的补给，地下水动态变化严格受降水制约，变幅较大。线路内局部发育镇坪肩状倒转复向斜，属储水构造，向斜及背斜核部岩体破碎，富水性强。

3 软岩变形的成因及特征

3.1 软岩变形的成因

软岩隧道稳定性主要取决于岩层结构特征、力学作用以及特征性矿物成分及分布等因素，每种变形力学机制有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点。

隧道在不同的受力环境和围岩结构下，其变形破坏特征和力学机制有所不同，其力学变形机制非常复杂，往往软岩巷道（隧道）变形并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的复合型变形力学机制。红桥关隧道软岩大变形的主要成因为：

①炭质板岩属于地质软岩范畴，为低级变质岩，岩层单轴抗压强度低，岩质软。在区域地质构造作用下，红桥关隧道炭质板岩节理裂隙发育，岩体较破碎，结构面之间结合差，内摩擦角值极低，岩体强度较低。而红桥关隧道外部荷载主要是山体重力，隧道最大埋深410 m，地应力较大，围岩比（地应力/单轴抗压强度）大。隧道开挖导致的应力重分布使隧道围岩产生较大的变形，当应力超过岩体强度时，则塑性变形易导致隧道失稳破坏。

②炭质板岩遇水易软化，易风化剥落，抗风化能力弱。当隧道地下水沿裂隙、夹层渗入时，会大大降低岩石强度，导致强度应力比减小，易发生塑性破坏，而塑性破裂面又进一步为地下水提供渗流通道，循环往复，导致围岩强度进一步降低。

3.2 软岩变形的特征

软岩非线性大变形力学研究的岩土体介质已进入到塑性、粘塑性和流变形的阶段。

①软岩隧道变形具有变形速度快，持续时间长、塑性变形量大的特点。

②围岩变形具有很强的流变特征，具有很强的空间和时间效应，变形难以收敛。在外部荷载无变化的情况下，岩体变形随时间增长逐渐加大，甚至破坏垮塌。

③变形分布不均匀，呈各向异性的变形特征。各向异性是岩体变形的一个主要特征。对于软岩而言，软岩中包含有大量的沉积层面、软弱夹层、节理面、不连续裂隙面、微孔隙与微裂隙等，各向异性特征尤为显著。其次，由于围岩应力场的非对称，受构造应力或扰动应力的影响，巷道周边应力分布不均一，有不同的破坏特征，不能用均一的支护参数去支护隧道围岩。必须有区别性地采取支护措施，才能出现均匀塑性圈，使支架承受均匀荷载。

④软岩往往具有易扰性，对卸荷松动、施工震动等极为敏感，施工开挖方法、施工工序转化对围岩变形影响较大。

⑤变形破坏较大。隧道围岩变形易造成拱顶下沉，边墙收敛，钢架扭曲折断、初期支护开裂掉块、侵占二衬空间、隧道坍塌、衬砌破坏脱落等。

4 软岩段技术控制措施

4.1 坚持动态设计理念

对岷江活动断裂带动态设计范围D2K254+560～D2K255+040

段及软岩变形段落D1K256+020～+120段，D1K256+120～+260

段，D2K254+920～D1K255+200段，D1K255+300～D1K256+020段，D1K256+260～+405段实行动态设计管理。

4.1.1 加强超前预探及地质调查

综合采用TSP203地质预报系统、红外线探测仪、超前钻孔探测、地质调查等综合地质预报技术，重点对影响隧道稳定的主要因素（地层岩性、结构面特征、地下水、围岩应力）进行观测，对非可溶岩地段断层及其破碎带、活动断裂带及高压富水地段进行加强探测。针对高地应力软弱围岩地段，实时进行围岩级别判定与修正，掌握围岩级别变化趋势，为动态设计提供地质依据。

4.1.2 加强围岩监控量测

通过对隧道软岩变形监控量测数据分析，结合隧道围岩特征、围岩变形形态及规律进行分析，建立以极限位移或相对位移值为控制基准的围岩变形管理基准，依据实时监测所得的量测数据，作为隧道稳定性判别标准及动态设计的重要参考依据，以便及时修改和调整设计参数，指导现场施工。

4.2 隧道开挖

4.2.1 隧道开挖方式

软岩隧道开挖，应尽量选择台阶法、CRD、双侧壁导坑法等分部、分台阶开挖的方法，能尽量缩小开挖临空面，并有利于围岩变形压力的逐步释放，能较早地使初期支护闭合，便于控制沉降。针对本隧道岷江活动断裂带及Ⅴ级围岩破碎及富水段采用双侧壁导坑法，对于围岩结构较完整的Ⅳ、Ⅴ级围岩可采用短台阶法（设临时仰拱或横撑）。临时仰拱采用I18工字钢临时支护采用C20砼。

4.2.2 隧道开挖注意事项

①隧道开挖过程中，要结合量测分析数据，预留足够的变形量，以利于围岩应力的部分释放，吸收残余变形外力，并确保隧道衬砌轮廓不侵限。

②施工中要注意各工序对隧道稳定的影响。每次扰动，围岩应力都要进行重应分布。围岩经过多次扰动及应力释放，围岩强度进一步弱化或恶化，围岩塑性变形区会不断扩大。施工中要特别注意下台阶及仰拱开挖对隧道稳定性的影响。

③严格控制台阶长度和高度。各步台阶开挖长度不宜过长，可根据围岩条件进行调整，但必须满足相关规范及规定要求，台阶长度控制在一倍洞宽以内。隧道开挖应确保及仰拱紧跟，尽快封闭成环，隧道仰拱封闭位置距离掌子面不得大于35 m。

④严格控制开挖进尺，以便尽早封闭成环。上台阶每循环开挖支护进尺按1～2榀钢架间距控制，边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀钢架间距，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚，仰拱开挖每循环进尺不得大于3 m。

⑤隧道爆破开挖采用弱爆施工，施工中加强爆破振动监测。

4.3 超前支护施工

根据隧道围岩级别及工程地质及水文条件，分别采用超前Ф108大管棚、超前Ф89中管棚、Ф42超前小导管，对隧道掌子面前方进行预加固，改善岩层物理力学性能，加固围岩，提高围岩稳定能力，有效防止围岩松弛，超前施工支护措施、材质、布设情况以及设置范围见表1。

①为增强管棚导管的抗弯能力，导管内设置主筋为HRB335

Ф18 mm钢筋笼，钢筋笼由四肢筋和固定环组成，固定环采用5 cm长Ф42壁厚3.5 mm钢管，间距1 m。

②钢管上钻注浆孔，孔径10～16 mm，孔间距15～20 cm，注浆孔呈梅花型布置，尾部留不钻孔的止浆段。管棚预留止浆段100 cm，超前小导管预留30 cm。

③注浆采用1：1水泥（P.O 42.5）净浆。大管棚注浆压力控制在0.5～2.0 MPa，中管棚、超前小导管注浆压力控制为0.5～1.0 MPa。围岩破碎、地下水发育地段，可采用水泥-水玻璃双液浆，浆体强度不低于M10。

4.4 隧道支护

4.4.1 隧道支护形式的选择

对于软岩隧道支护形式选择，目前主要依据以下方面来考虑：

①应力适度适放。隧道开挖后，围岩应力在短时间内得以释放，从而产生初始的变形。此阶段围岩变形速度快，变形量大，且释放的变形压力大，如果隧道开挖后立即进行刚性支护，这时支护结构承受的围岩压力较大，支护结构是无法提供如此大的阻抗力。因此，可采用柔性初期支护的手段，力求有控制的产生一个合理厚度，有塑性圈，有约束地让围岩变形、释放地应力的目的。

②充分发挥和调动围岩的自承能力。现代岩石力学揭示，岩石破裂后具有残余强度，松动破裂仍有相当高的承载能力，围岩既是支护压力的根源，又是抵抗平衡原岩应力的承载体，而且是主要的承载结构体。对于软岩变形隧道，支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，控制围岩的塑性化程度，从而控制塑性圈范围，充分发挥和调动围岩的自承能力，并与围岩共同作用，形成承载结构。

③软弱围岩隧道变形不是单一的变形力学机制，而是集多种因素和多种变形力学机制于一体的复合型变形力学机制，应采取多种手段进行联合支护，确保结构稳定。

为此，红桥关隧道采取复合式衬砌结构型式，即二次支护结构。利用初期支护结构的及时性、粘贴性、柔韧性、密贴性等特点，及时封闭开挖后的围岩，充分发挥围岩自身的支护作用，以控制围岩的变形和应力的适度释放，进入一个相对稳定的阶段。再利用二次衬砌的钢筋混凝土结构和初期支护共同作用，进一步增加支护的强度和刚度，以承受来自围岩的流变压力，与围岩形成整体受力体系，最终达到控制围岩变形的目的。初期支护选择采用喷射混凝土+钢筋网+锚注+工字钢架+钢筋混凝土的联合支护结构形式，相关指标见表2。

4.4.2 二次支护施作时机选择

软岩隧道二衬施工的关键在于确定隧道二次衬砌施作时间。二次支护最佳时机是围岩应力、塑性区及变形速度趋于稳定，此时围岩的膨胀变形能得到了充分释放而围岩自身承载能力又没有太多的损失，也就是围岩等速蠕变阶段。此时，隧道开挖后经过初始蠕变的急剧变形后，围岩应力得到较大的释放，围岩变形量一般可达到总变形量的80%以上，围岩变形速率明显下降，此时，采用刚性的钢筋混凝土衬砌可有效抵抗围岩流变压力，确保结构稳定。

从隧道开挖的时空效应来理解，即在隧道开挖变形初期（初始蠕变阶段），隧道受空间效应作用，其在隧道横断面上表现为“圆环形”的约束，在纵断面上表现为“半圆弯形”的约束，这两种约束合在一起便使得围岩在毛洞无支护状态下得到短暂的稳定，此时可时及施作初期支护，有约束的让围岩变形，保护围岩。当隧道变形到了稳定蠕变阶段，这个时侯空间效应消失，隧道围岩转入流变阶段，此时及时施作刚性二次衬砌以抵抗岩体的后续流变变形，确保围岩稳定。二次支护施作时机的选择可以通过对隧道表面位移监测，当隧道表面位移速度由快到趋于平缓的拐点附近为二次支护的最佳支护时机。同时，在距离控制上，可按二次衬砌距掌子面约3～3.5 D来把握。此时隧道开挖后的空间效应已基本结束，逐步转入以时间效应为主的等速蠕变阶段。铁道部对于软弱围岩及不良地质铁路隧道的二次衬砌与掌子面距离作了严格规定，二次衬砌与掌子面的距离不得大于70 m。

4.4.3 隧道支护施工的注意事项

①开挖后，立即组织混凝土初喷，初喷厚度3～5 cm，及早封闭围岩。待布设锚杆、钢筋网及钢架后进行复喷砼施工。复喷砼分层施作。湿喷混凝土一次喷层厚度，拱部为7 cm，边墙为10 cm以上。

②所有系统锚杆均应设置钢垫板。钢垫板尽量和钢筋网、钢架焊接连成整体。

③注意钢架接头处理。钢架接头尽量避开同一截面钢架拱部节点受力较薄弱。在台阶法施工中，要考虑上下台阶围岩收敛变形不一致对钢架接头安装的影响。

④注重各向异性，抓住关键部位补强。对软弱围岩隧道的破坏是一个渐进的力学特征，总是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳。隧道开挖后必须认真加强隧道地质观察与分析，有效判定控制岩体变形破坏的主要因素以及隧道应力集中部位，对重要部位进行适当加强支护。

⑤高度重视隧道注浆工作。注浆加固，可有效封堵围岩裂隙，阻断渗水通道，同时可提高压注地层的物理力学性能，大大提高围岩整体抗拉剪强度，对活动断裂带可采取帷幕注浆手段进行围岩堵水加固。

⑥加强隧道出口段反坡施工排水，避免墙脚被长期浸泡而发生底鼓。

4.5 监控量测与风险预警

4.5.1 隧道监控量测设计

监控量测设计关键在于选测项目的选取上。对于软岩变形隧道，选测项目体现以下几个方面的内容：

①地应力的监测。

②内部位移值的监测。

③各结构承受变形压力情况。

软岩变形段监控量测选测项目见表3。

4.5.2 软岩隧道大变形坍塌风险预警

围岩和支护结构变形是围岩稳定性和支护结构承载能力和安全性的最直观反映，不论何种机制的围岩大变形，围岩的坍塌和支护系统的破坏都是变形发展的一定程度的必然结果。围岩稳定状态体现为隧道围岩变形速率呈递减趋势并逐渐趋于零，而失稳状态则表现为围岩变形速率呈递增趋势，最终累计位移超过极限位移而失稳。

因此围岩变形预警可将净空变化、拱顶下沉观测等可直观反映隧道稳定与变形情况的位移量测项目作为变形预警首选监控项目，根据日常监控量测结果，绘制位移时态曲线，对各时刻的总位移量、位移速度及位移加速度的变化趋势加以分析，从而对围岩的变形状况进行动态趋势预测，建立最大日变形量和累计变形量的风险预警机制。同时也可选取围岩内部位移、锚杆杆体应力、钢架受力、二次衬砌接触受力等监测项目，作为监控量测的拓展和补充，一并纳入监控预警项，预警管理见表4。

5 结 语

红桥关隧道隧址区为三叠系上统新都桥组炭质板岩夹板岩、砂岩；侏倭组板岩、砂岩夹炭质板岩及断层角砾岩，该隧址区地质条件极其复杂且最大埋深为410 m，隧道易发生大变形，需重点加以防范。

①坚持动态设计理念，加强综合探测和监控量测，实时进行围岩分级判定和修正，建立以极限位移或相对位移值为控制基准的围岩变形管理基准。

②根据工程地质条件，优先选用双侧壁导坑法和短台阶法组织施工，实行分部、分台阶开挖，尽快封闭围岩，确保围岩稳定。

③采用喷射混凝土+钢筋网+锚注+工字钢架+钢筋混凝土的联合支护结构形式，对关键部位必须加强支护。

④加强注浆工作。认真做好超前管棚、导管注浆及隧道径向锚杆注浆，加固围岩，封堵裂隙。

⑤根据隧道的实际情况，建立日常监控量测管理体系，在必测项目的基础上，加强地应力、内部位移及各结构受力监测。

⑥选择可直观反映隧道稳定与变形情况的位移量测项目作为变形预警首选监控项目，建立最大日变形量和累计变形量的风险预警机制。

参考文献：

[1] 徐则民，黄润秋.深埋特长隧道及其施工地质灾害（第1版）[M].四川：西南交通大学出版社，2000.

[2] 朱汉华，孙红月，杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术（第1版）[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程（第1版）[M].北京：科学出版社，2002.

[4] 何满潮.软岩的概念、分类及支护对策[J].峰煤科技，1992，（2）.

[5] 铁建设[2008]105号，铁路隧道超前地质预报技术指南[S].

[6] TB 10121-2007/J721-2007，铁路隧道监控量测技术规程[S].

[7] TZ 2004-2008，铁路隧道工程施工技术指南[S].

[8] 铁建设[2010]120号，关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知[S].