木寨岭隧道高地应力软岩地段大变形控制技术

王瑛楠，肖本利

（中国中铁隧道股份有限公司，河南郑州475001）

木寨岭隧道高地应力软岩地段大变形控制技术

王瑛楠*，肖本利

（中国中铁隧道股份有限公司，河南郑州475001）

由于兰渝铁路木寨岭隧道受高地应力软弱围岩及断层带地质的影响，施工过程中围岩挤压变形显著，空间移位较大，变形周期长。为杜绝变形带来的有害因素，确保隧道长久安全性，迫切需要对高地应力软岩地段大变形控制技术进行详细阐述，并形成有效控变形理念。通过借助以往软弱围岩隧道施工控变形成功经验，以兰渝铁路木寨岭隧道施工变形情况为例，采用新奥法施工原则，并按小工作面施工法、先柔后刚、应力释放、分阶段加强支护、多层支护等设计理念有效的控制了围岩大变形。

高地应力软弱围岩；大变形；新奥法施工；控变形理念

随着国内科学技术的发展，我国铁路行业也在突飞猛进，铁路隧道施工更是日新月异，针对不同地质情况下的重难点隧道我们都在努力去克服，特别是对于一些软弱围岩隧道的施工，经过多年的研究和实践，各方面也都取得了巨大的成就，已经积累了相当丰富的经验和理论方法，逐渐形成了具有中国特色的软弱围岩隧道施工方法体系，并在推广和应用中，先后在乌鞘岭特长隧道［1］、兰渝铁路毛羽山隧道［2］、宜万线堡镇隧道［3］等施工过程中产生了巨大的经济效益和社会效益，成功地控制了围岩大变形。但因软弱围岩隧道的施工千变不一，各有特色，想一尘不变的使用某种工法并不是可行。

通过总结和学习我国软弱围岩隧道施工技术的理论知识和实践经验，本文将以木寨岭隧道3#、4#斜井管辖段施工为例，对高地应力软弱围岩隧道控变形技术做详细论述，根据实例找到既能达到控变形效果保证工程质量，又能提高工程进度的施工工法及相关控制措施。

1　木寨岭隧道工程概况

木寨岭隧道位于甘肃省定西市漳县和岷县交界处，为双洞单线分离式特长隧道，全长19.02km，洞身地质条件非常复杂，隧道洞身共发育11个断裂带，穿过3个背斜及2个向斜构造，属高地应力区，极易变形。隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占全隧的46.53%，总计各类软岩段长约16.1km，占隧道长度84.47%，极易发生围岩滑坍，施工难度很高。

2　木寨岭隧道围岩及变形情况

2.1开挖揭示围岩情况

大部分围岩开挖揭示地层岩性为二叠系板岩夹炭质板岩，围岩受地质构造影响严重，节理极发育，岩体极破碎，层间结合差，整体稳定性差。

2.2变形情况

受围岩地质的影响，自隧道施工至F14-1断层带时围岩极其破碎，现场每循环开挖进尺不大于0.7m，采用人工进行开挖，1d只能施作1循环；当初期支护完成后经常出现喷射混凝土开裂、掉块、拱架扭曲变形等情况，量测数据显示拱顶下沉速率平均能达到90mm/d，累计平均能达到800mm，收敛速率平均能达到160mm/d，单侧收敛累计值能达到1800mm；当二次衬砌施作后，部分地方还出现开裂、甚至出现砼脱落、钢筋扭曲等现象。

（1）开挖过程中围岩极不稳定，且受变形影响，支护结构变形明显，初期支护出现侵限，二次衬砌出现开裂。见图1、图2。

（2）初期支护量测统计情况见图3、图4。

3　木寨岭隧道高地应力软弱围岩控变形理念

根据软弱围岩变形情况，并依据控变形成功理念和国内先进技术，逐步确定了木寨岭隧道施工控变形的理念。在新奥法施工的基础上，采用了小工作面施工法、先柔后刚、应力释放、分阶段加强支护、多层支护等措施，有效地控制了围岩大变形。

3.1新奥法组织施工原则

自我国隧道行业引入新奥法施工以后，效率在提高，科技在创新。因此对于软弱围岩的施工来说第一步必须做好的就是按新奥法的原则组织施工。

图1　初期支护收敛变形图

图2　衬砌开裂图

图3　水平收敛纵向曲线图

图4　收敛速率时间曲线图

（1）坚持短进尺、少扰动；

（2）早封闭，减少围岩松动造成的空间位移；

（3）关键部位支护加强，增加应力抵抗与围岩应力相吻合，达到有效的承载体。

3.2小工作面施工工法

通过上述介绍来说，受高地应力影响后的软弱围岩稳定性极差，在开挖方法的选择上必须合理，按新奥法理论来说采用大面积开挖可适当减少围岩的扰动，但对于木寨岭隧道净空9m（宽）×11m（高），当一次开挖断面较大时，暴露围岩就会较多，自稳能力极低，发生坍塌现象就会增多。

围岩坍塌后不仅安全质量得不到保障、变形得不到控制，还会影响现场施工进度，一般坍塌现象发生后，现场作业人员须及时撤离现场，渣体稳定后进行封闭，紧接着采取相应加固措施稳定后，处理塌方体，处理完塌方体后方可恢复掌子面施工。

3.3“先柔后刚、先放后抗”思想

“先柔后刚”是指支护结构为柔性支护，由钢筋网、喷射混凝土、钢架及锚杆构成；二衬钢筋混凝土面板为刚性支护，以承受残余的地层荷载。“先放后抗”是指初期支护完成后允许发生一定程度的变形，达到设计预留变形量后再施作二次模筑。

3.4高地应力释放设计理念

（1）根据“先柔后刚、先放后抗”的指导思想，我们必须要将围岩本身蕴藏的高地应力进行释放，可怎么释放，释放到何种程度，是关键所在。目前有2种理论的施工，国内外都获得了比较成功的案例，一种是先行释放理论，意思就是采用先行导坑法释放部分围岩应力，释放稳定后扩挖成型，进行抵抗；另外一种就是边放边抗理论，意思就是预留适当预留变形量，让围岩应力得到相应释放，但在释放一定程度时，即预留变形量可控范围之内，开始加强支护，抵抗剩余围岩应力，使支护结构趋于平衡。2种理念代表方法：

①先行导坑法：即先掘进比较长的导坑，通过位移释放一部分初始地压，可减轻作用在扩挖的支护构件中的应力。概念上是通过导坑发生先行位移，结果是推迟了支护结构的设置时间，从而减轻了作用在支护结构上的地压。采用此方法时，导洞支护结构可以在保证安全质量可靠的情况下进行减弱，因为通过应力释放后须重新扩挖进行支护结构施工，这样的话支护结构承受的应力明显减小，才能达到控变形效果。

②加大预留变形量，采用边放边抗的理论：当围岩应力重新组合时，必定要释放一定地应力并重新组合，加大预留变形量就是为了预留释放地应力时产生的位移空间，但释放的同时应力在重新组合，为了充分发挥围岩自身的承载性，就必须在释放的同时加强柔性支护，使支护与围岩形成一体，形成稳定的椭圆形轴比。该方法实施过程中应采用边放边抗的原则，必须加强支护，并实时分阶段增加补救措施。保证在二次衬砌施作前支护结构能够稳定，并不侵入二次衬砌净空，达到控变形效果。

（2）2种工法如何选用：因2种工法都有统一的目标，那就是释放围岩应力，但因工法不同各具特色、各有制约。

①加大预留变形量并加强支护措施，通过边放边抗的原则施工，一般是围岩应力较大，在释放到一定程度上可以采用多重支护加强措施进行抵抗，使之达到稳定状态时，现场进行采用。但该工法必须要求围岩应力释放到一定程度，并且施作后能达到稳定才行。

②超前导坑法施工，则是当围岩应力相当大，采用上述增大预留变形量并加强支护措施已不能完全抵抗围岩开挖后的较大应力时，现场进行采用。但该工法必须在保证安全、经济的条件下，尽最大程度上去释放地应力，释放一定程度后继续采用上述边放边抗的方法，通过加强支护结构，抵抗残余围岩应力，使柔性支护达到稳定状态。

（3）上述2种方法现场实施效果：

①以DK181+365-345段初期支护为例，现场采用加大90cm的预留变形量+双层支护的方法，量测情况显示DK181+350处上台阶未施作双层支护前变形速率平均35mm/d，采用双层支护后变形速率明显减小至10mm/d以下，且衬砌施作前已减小至0.2mm/d，支护结构稳定。这说明该段采用该工法，围岩应力得到释放，变形得到控制。

②以DK181+275～255段初期支护为例，在上述工法的基础上采用先行导坑法释放部分地应力，实施后，扩挖的初期支护变形明显减小，且能达到稳定状态。

3.5分阶段加强支护结构，控制有害变形

受高地应力软弱围岩的影响，山体蕴藏的地应力不论是采用哪种工法来释放，释放的都只是一部分，残留的仍须加强柔性支护来抵抗。施工过程中的柔性支护是分阶段施工，并非一次成型，存在的薄弱环节较多。为了在时间和空间上将围岩应力尽可能的释放，就必须分阶段进行加强支护，减少有害变形，通过逐级消弱围岩应力的方法使柔性支护达到稳定。根据木寨岭隧道变形情况分析，我们分阶段采取了如下措施，并获得了较为显著的效果。

3.5.1全环采用H175型钢拱架，并减小间距

通过增加拱架强度、减小拱架间距后，初期支护变形有所减小，得到了部分抵抗。

3.5.2增设锚杆支护

通过增设锚杆，现场拱架连接处变形有所减小，起到了削弱围岩应力的作用。

3.5.3径向注浆加固

当围岩坍塌、松动，或初支变形较大时，采用拱墙径向注浆加固措施，初支变形有所改善，适用于这种软弱围岩施工，但因单独注浆会影响现场施工，须将该作业纳入正常工序中。

3.5.4横撑支护

台阶薄弱处有害变形得到有效抑制。

3.5.5采用控变形拱架

采用异形控变形拱架后，拱架基本能保证顺接，未出现薄弱地段外凸现象，控变形有所改善，作用明显。

3.6采用多重支护确保柔性支护稳定

为了达到柔性支护的稳定，当围岩应力释放到一定程度后，现场通过上述阶段性的加强措施，一定程度上削弱了围岩应力，但因刚度不够，上述理念也只能是暂时性，迫切需要施作多重支护来抵抗这种残留的较大围岩应力。相比之下多重支护也是阶段性的加强支护，只是阶段性不同。本方法的概念是一次支护发生屈服，但因设置二次支护，地压和支护反力得到平衡。3.6.1已有的技术理论

①董方庭提出围岩松动圈理论，其基本观点是：松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。②何满潮提出关键部位耦合组合支护理论，认为：复杂巷道支护要分为2次支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关键部位的点支护。

3.6.2柔性支护稳定情况对比

（1）以DyK181+930处为例，该处采用单层初期支护，刚性支护未施作前，初期支护变形不稳定，速率大于5mm/d，且已侵入刚性支护净空，现场进行了拆换拱施工，拆换拱后支护结构趋于稳定时，进行了二次衬砌施作。

（2）以DK181+430为例，该处采用双层初期支护，刚性支护施作前，初期支护已趋于稳定，变形速率小于0.2mm/d，且未侵入刚性支护设计净空，未出现拆换拱施工。

3.6.3刚性支护稳定情况对比

（1）单层初期支护，在稳定后施作二次衬砌，二次衬砌内埋设接触压力计，进行压力测定。

（2）双层初期支护段，二次衬砌内埋设接触压力计，进行压力测定，数值明显减小，与单层支护相比缩小将近10倍。

图5　二次衬砌接触压力测定（DyK181+930）

根据上述对比情况来看，增强柔性支护后，一方面控制了有害变形的发生，稳固了支护体，杜绝了拆换拱施工；另一方面减弱了后期释放的围岩应力，为后期刚性支护提供安全防护。

3.6.4双层支护施作时机

虽然双层支护控变形效果较好，但施作时机却尤为重要，根据围岩应力释放所需时间和空间的影响，双层支护须在滞后下台阶3～5榀拱架整体施作，且应在开挖15d后进行。

3.7支护结构及时封闭成环，形成稳定封闭体

按上述控变形理论来说围岩应力释放的同时需要加强柔性支护的刚度，为的就是稳固围岩，减少支护的继续变形。按新奥法施工理念以及于学馥等人（1981年）提出的“轴变理论”和“系优开挖控制理论”，该理论认为：应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。所以围岩早封闭、支护结构及时封闭成环可以减小变形，及早形成稳定结构。针对软弱围岩可以做好以下几点：

（1）围岩变形大多分布在比较薄弱处，而拱架连接处是台阶法施工的薄弱环节，及时对拱架做接腿处理可以避免薄弱处的有害变形。

（2）施作临时仰拱，既能抵抗有害变形还能提前形成临时稳定圈，达到控变形目的。

3.8刚性支护加强

通过上述变形情况说明，高地应力释放是个漫长的过程，如果柔性支护措施不强，二次衬砌的压力就会加大，很容易导致开裂变形情况，因此提高刚性支撑的强度可以避免这种情况的发生。刚性支护加强可以表现在以下几个方面：

（1）加大柔性支护强度，当采用多重柔性支护实际上就加大了刚性支撑；

（2）加强衬砌模筑砼的强度，增加衬砌厚度，加密钢筋，采用高强度钢材；

（3）预留衬砌补强空间，当已施作的二次衬砌开裂后，可以继续通过补强空间进行加固处理。

4　结论与建议

通过对兰渝铁路木寨岭软弱围岩隧道控变形施工技术的研究，可以得出以下结论和建议：

（1）坚持新奥法施工原则组织施工。

（2）为保障软弱围岩隧道的施工安全性，现场须采用小工作面施工法，这样可以减少围岩极不稳定造成的坍塌现象，达到了控变形和保安全的目的。

（3）受高地应力影响下的软弱围岩，蕴藏着较大地应力，支护后需要进行一定程度上的释放，现场可采用加大预留空间和超前小导洞的方法来完成。

（4）针对软弱围岩来说必须加强柔性支护的强度，才能充分发挥围岩自身的承载力，从而达到稳定状态，起到控变形和安全保障的效果。

（5）为控制柔性支护变形和刚性支护开裂的情况发生，现场无论采取何种工法都必须保证在刚性支护施作前柔性支护能够稳定。因此，针对高地应力软弱围岩隧道的施工，控变形工作归根结底就在释放围岩应力和抵抗围岩应力2个方面。通过分阶段加强支护、多重支护、临时支护、早封闭支护等措施控变形，就是遵循了抵抗围岩应力的原则。

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［4］张文强，王庆林，李建伟，等.木寨岭隧道大变形控制技术［J］.隧道建设，2010（4）：157-161.

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［6］关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术［M］.人民交通出版社，2011：311.

［7］高攀，张文新.超前大钻孔应力释放方法在高地应力软岩隧道中的应用效果分析［J］.隧道建设，2013（10）：820.

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U455.49

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1004-5716（2016）10-0175-04

2015-10-30

2015-11-04

王瑛楠（1984-），男（汉族），吉林吉林人，工程师，现从事隧道工程方面施工管理工作。