刍议同寨隧道大断面高地应力软岩抗变形施工技术

王金刚

摘 要：以蘭渝铁路同寨隧道为例，针对高地应力，软岩、大断面隧道施工，分别从围岩形态，工法特点分析围岩变形规律。并从围岩地质状态、围岩物理特性、及围岩损伤程度、围岩应力释放过程，分析高地应力软岩变形机理。提出对高地应力采取边让边抗，前期以让为主，中后期以抗为主的抗变形理念。合理预留变形量值、采取刚柔并济的初支结构，基本上有效控制高地应力软岩大变形。

关键词：同寨隧道；软岩；大断面；高地应力；抗变形技术

1 引言

随着我国铁路大发展时代的到来，穿越复杂地质山岭客运专线双线大断面隧道（单洞双线大断面铁路隧道）数量增多。如新建兰州至重庆段铁路，线路跨越甘肃、陕西、四川及重庆全长873 km，其中同寨隧道位于甘肃省宕昌县境内，开挖揭示围岩为碳质板岩。该隧道经专家勘察论证为高地应力、高风险隧道。施工易产生大变形，导致支护系统破坏，初支结构侵入二衬净空，发生拆换拱现象，隧道施工安全质量管理压力巨大。本文通过分析大变形产生机理，采用控变、抗变相结合施工技术，有效解决了同寨隧道高地应力大变形是施工难题，保证了施工安全和工程质量，对同类隧道施工有借鉴意义。

2 工程概况

同寨隧道位于甘肃省宕昌县境内，进口位于理川河左岸，出口位于油坊沟右臂，隧道全长8827m。地质以三叠系下统板岩及碳质板岩为主，岩体遇水易软化，具有微膨胀性。隧道最大埋深为653m，为单洞双线大断面客货共线隧道。施工采用三台阶预留核心土法开挖，初期支护参数为全环设置工20b型钢钢架，间距80cm/榀，衬砌采用钢筋混凝土复合式衬砌结构。监控量测周边收敛最大值为999mm，拱顶下沉最大累计值为540mm。初支开裂钢拱架扭曲拆换拱现象时有发生。安全质量管理压力巨大。

3 隧道变形特征

3.1 变形量大速率高收敛周期长

隧道开挖支护后围岩变形速率大，变形持续周期长且很难稳定。以同寨隧道DK250+689断面为例开挖支护后拱顶下沉发展速率最大达值30mm/d；最终累计沉降值达900mm呈现出变形发展速率快，累计值高且具有突变等特性。

3.2 变形具有空间异性

初支结构随着三台阶法开挖阶段，其每个阶段围岩受力具有空间异性；初支变特点形点也随三台阶法开挖各个阶段表现不同，以下为围岩开挖支护后变形实态曲线。

总体来讲上台阶开挖后之后，初支变形以拱顶下沉为主，但该阶段初支钢拱架拱顶受力并不大。中台阶、下台阶开挖支护之后，钢拱架闭合成环，钢拱架应力状态发生变化。此阶段围岩变形以水平收敛为主，该阶段为围岩与初支结构相互作用阶段，围岩应力释放，初支结构变形开始整体发展，直至初支结构与围岩变形状态相平衡，初支结构变形速率稳定。

3.3 存在偏压现象

隧道开挖后受围岩地质构造、围岩走向、隧道左右侧埋深存在较大差异等因素影响，隧道开挖后存在左右侧变形不均匀和不对称现象。为了更清楚掌控隧道偏压对初支系统的影响，集团公司科研组针对同寨隧道进口进行拱架内力结果测试测试结果如下表。

从左右两侧受力看初期支护左侧大于右侧但由于量测数据较短，从内力上不能进一步验证，结合隧道左侧变形大于右侧的情况可以说明右侧受力小于左侧。

3.4 围岩蠕变现象突出

围岩蠕变【1】过程可分为初始蠕变，等速蠕变和加速蠕变三个阶段。在初始蠕变阶段蠕变速率随时间迅速递减，岩体的变形速率较小。在初始蠕变末期岩体的蠕变速率趋于稳定并逐步过渡到等速蠕变阶段，在等速蠕变初期岩体内部裂缝开始扩展且蠕变速率增加直至岩体失稳破坏。围岩变形规律归纳为“前期渐变后期突变形”。如果能确定一个合理的支护时间，对围岩采取二次补强则可以避免围岩破坏或失稳；现场可根据量测数据变形速率的变化趋势来确定二次补强时机。

3.5 存在应力集中现象

隧道三台阶法开挖支护，支护参数采用H175型钢拱架间距80cm，系统支护采用拱墙网喷混凝土，打设4m长钢架锁脚锚杆。上台阶开挖支护后拱架脚板受锁脚锚杆约束使得拱脚位置存在应力集中现象，并且应力集中点产生的应力超过拱架承受能力。导致拱架从拱脚部位置扭曲破坏，进而与中台阶拱架未能有效连接影响整环初支钢架的受力性能。

4 变形原因分析

4.1 地质构造

本工点范围内受青藏歹字型构造影响严重，该构造从晚古生代后期开始发育，三叠系末期构造运动形成基本格架燕山运动及喜马拉雅运动时期活动达到了最高峰，而且至今活动十分强烈。受该地质构造影响工点范围内发育有5处褶皱3处断层地质构造十分复杂多变，围岩受其影响严重产状扭曲紊乱，且成变余质结构，变质程度较低，隧道开挖后围岩自稳能力差，变形发展较快。

4.2 围岩物理特征

变形段开挖揭示围岩为碳质板岩【2】该围岩属于典型的软岩。受节理裂隙的影响，随着微裂隙的扩张易产生整体滑移现象。水对碳质板岩的抗压强度影响很大；当裂隙水进入岩体内部时，减弱了岩体颗粒之间的接触效应。水分对岩石内部微裂隙有放大效应，水对于碳质板岩影响通过单轴抗压强度值变化就可以反映出来。

表3 碳质板岩物理性质

4.3 施工工法特点影响

本隧道采用三台阶发开挖支护，围岩初支结构闭合成环时间较长，至仰拱全环封闭成环共计30天，钢拱架拱架脚部围岩受开挖爆破震动影响产生多次扰动；在中台阶开挖至上台阶及下台阶开挖至中台阶过程中由于拱架脚部产生暴漏悬空易产生突变现象；这些均是由于自身工法因素产生的变形。

4.4 初期支护结构内部水的影响

软弱围岩富水段围岩施工时，由于现有设计缺乏初支结构排水措施，导致初支施工完成后地下水难以完全排出。在初支背部地下水积聚，地下水压力增大且受地下水影响，该范围内围岩进一步软化成流塑状。围岩松动区扩展围岩压力增大。此过程极缓慢，量测数据显示变形速率较小但很难收敛，围岩初支结构压力逐步增大，最终导致初支结构沿薄弱面破坏。

4.5 管理因素

大斷面隧道软岩施工过程管理对隧道初支结构抵抗围岩变形极为关键，主要体现以下两个方面：（1）初支开挖支护过程管理须严格按照设计技术参数及规范要求有效的完成每道工序作业，确保设计意图实现。为后期二次补强奠定基础，如拱架安设不平顺、连接不牢固，超挖严重及锚杆施做长度不足等，均会对初支结构抗变形产生极大影响。（2）围岩抗变形措施制定考虑因素根据围岩变形特性和量测数据情况各个阶段制定特定的抗变形方案，且每个步骤现场落实情况均影响到围岩变形曲线的走势，与抗变形措施调整；所以现场施工管理水平对隧道抗变形显得尤其重要。

综上所述软岩大断面隧道大变形产生的原因是多方面的，地应力较大，围岩物理性质差抗压强度低，支护理念未能很好的适应围岩变形发展特点，设计参数不到位、现场施工工艺流程管控不力等均是诱发大变形的直接因素；

5 软岩大变形控制措施

5.1 施做超前支护

众所周知掌子面前方先行位移【3】的概念，可以用两个量值表示，即掌子面处的先行位移值和掌子面前方发生先行位移值。先行位移实际上位移值是随掌子面的推进而发生的，位移的最大值在掌子面处，其值占总位移的20%。围岩条件越差其值越大，在软弱围岩条件下，如不加以控制则会成为掌子面拱顶部分坍塌以及发生大变形的诱因。因此隧道超前支护措施显得尤为重要，同寨隧道采用3m长Φ42注浆钢花管，环向间距30cm，每两榀拱架施做一环。小导管穿过钢架腹板孔眼插入围岩，将掌子面开挖后的荷载向前传递给掌子面前方的围岩，向后传递给初支结构。这样大大减小了掌子面开挖之后的竖向位移，减小围岩松弛。

5.2 开挖方式

隧道施工变形控制主要体现在两个方面，一个是对围岩扰动到什么程度；另一个是支护效果发挥到什么程度；作为施工技术人员就是千方百计的将围岩损伤降到最小程度；所谓围岩损伤【4】是指在外载和外部环境作用下，由于细观结构的缺陷（如裂纹、微孔洞等）引起材料或结构的劣化过程。隧道开挖过程为一卸载过程，也是围岩二次损伤的过程；故选择合适的开挖方式对保护围岩至关重要，本隧道采用三台阶开挖方式，若用传统钻爆法施工将对围岩产生多次损伤，导致围岩强度降低，松动圈扩大，围岩自身损伤极大；本隧道根据重庆大学刘礼标等在《爆破荷载下隧道围岩的损伤分析中》提出爆破引起周边围岩损伤范围为炮孔直径7-10倍理论，主动减小爆破药卷直径采用Φ25药卷间隔装药控制爆破。围岩超欠挖得到较好控制，围岩损伤范围减小，围岩自稳能力得到加强，松动圈减小。其中断层带采用人工配合机械开挖，将开挖卸载过程中对围岩的损伤降到最小，防止了围岩的松驰，不仅较好的控制了超欠挖节约成本，更进一步的减小了对围岩的扰动，提高了围岩自承能力，为抗变形提供了有利的条件。

5.3 提高支护系统刚度和稳定性

隧道设计之初采用格栅拱架，拱架扭曲断裂严重，刚度不足导致侵限变形经常发生，施工后期钢架采用H175@80cm，支护的刚度明显增强，后期变形主要表现为钢架局部扭曲。为了增强初支系统的稳定性，钢架脚部采用I16工子钢满焊连接，钢架拱部和边墙均采用C22螺纹钢筋双层连接大大增强了初支结构的稳定性。每榀钢架拱脚部向下15°打设4m长Φ42注浆锁脚锚管两根与钢拱架用L型钢筋焊接，一方面通过锁脚锚管把集中在脚部的应力传递到围岩中，同时通过锁脚锚管注浆提高了拱脚部围岩的强度；通过锁脚锚管更进一步的抑制了钢架向隧道内部剪切变形，增强了初支结构抵抗水平应力的能力。由于此隧道开挖采用三台阶法施工工艺，当中下台阶开挖时由于围岩破碎经常导致拱架脚部悬空现象发生，此时锁脚锚管稳固钢架的效果尤为明显。

5.4 薄弱环节补强

隧道因围岩破碎故采用三台阶发开挖施工，在施工过程中台阶结合处由于初支施工缝及钢架接头位置连接质量及台阶结合处围岩扰动次数较多，钢拱架脚部虚渣清理不彻底等各种因素影响，此处为全环初支系统的薄弱环节。隧道变形发生往往以该处钢架扭曲及失稳为主导。从现场施工来看一方面对该部位采用注浆方式加固围岩提高围岩的自稳能力，另一方面对初支系统进行补强措施，在钢架接头位置补打4m长锁脚锚杆进行加固，加固后效果明显台阶结合处无鼓包现象发生，成洞质量显著提高。

5.5 采取围岩应力控制释放技术措施

同寨隧道受青藏歹字型构造影响严重，局部段落揭示围岩虽自身硬度较大但地应力较高。一味的增强初支系统的刚度及强度不仅影响施工成本，而且抗变形效果不佳。有效的释放地应力，描绘围岩的支护需求曲线【5】准确的掌控支护时间及支护系统的柔度显得尤为重要。隧道开挖后以控制释放地应力为主，首先对暴漏围岩采初喷5cm厚C25喷射混凝土，与围岩紧密黏贴形成一个共同的受力结构体吸收围岩变形，调节围岩应力分布。加强了岩体表面强度度，形成了已围岩承载为主与喷射混凝土层相互作用的应力释放体系。在初支结构方面为了阻止围岩应力释放过程中变形压力转变变为松动压力，可增设可缩型U型钢架【6】封闭成环；所谓可缩式钢架即钢架环向按一定间距（4m）设置20cm宽伸缩段，伸缩段采用摩擦型接头，使钢架既有一定的刚度，又具有抗变形能力并确保结构的稳定性。

5.6 加强监控量测指导施工

加强现场施工监控量测、重视超前地质预报是软岩抗变形的重要环节，同寨隧道施工采用三台阶法施工，若用量测技术规程5条测线很难掌控隧道初支结构变形实况。根据三台阶法功法特点准确把控隧道变形规律将现有5条测线改成7条，上台阶拱架架设完成就埋设A测线，中下台阶到同一里程布设第B、C测线，并建立大变形报告制度，现场主要管理人员必须掌控大变形数据及发展态势。

5.7 合理的确定预留变形量

根据监控量测数据及时掌握围岩变形情况，适时调整围岩初支结构预留变形量值。本隧道根据隧道量测数据显示变形状况三台阶施工特点制定不等值预变量值。本隧道两侧收敛变形值远远大于拱顶下沉值，且往往呈现出偏压现象即左右围岩压力不同。为了更好的适应隧道初支变形规律，更加科学的制定预留变形量值。本隧道预留变形量值时采用不等值预留变形量方法，即初支开挖断面模拟变形后初支断面，采用不等值预编量值上台阶预留50cm、中台阶40cm、下台阶30cm；再此基础上通过调整隧道开挖轮廓线圆心位置等方法配合调整隧道预留变形量值，达到了初支开挖轮廓更好的适应隧道初支结构变形实况。

5.8 适时施做拱墙衬砌

同寨隧道二次衬砌采用50cm厚C35钢筋混凝土，主筋为C22@20cm， C14@20cm。在大变形隧道施工过程中二衬作为抗变形的重要措施，按照现行《铁路隧道设计规范》要求变形速率不大于0.2mm/d时才能施工拱墙衬砌。但对于同寨隧道软岩变形量大，变形收敛周期长，为了满足安全步距要求初支结构变形速率不满足二衬施工条件即要施做二次衬砌。围岩未稳定施做二衬，施工过早易造成衬砌混凝土开裂破坏，二衬施做不及时易造成初支结构失稳破坏或侵入二衬净空；根据同寨隧道抗变形实践来看当变形速率小于8mm/d时应施做仰拱衬砌、变形速率小于5mm时应施做50cm厚拱墙衬砌。严格控制二衬施工步距60m以内可有效控制大变形的发展。

6 结论

同寨隧道属于高风险隧道，揭示围岩为软岩且受地质构造影响岩层地应力较大属于典型的高地应力软岩隧道，通过抗变-控变施工技术应用，对地应力边放边抗，以大刚度支护系统为主，根据监控量测结果对围岩实时补强，使围岩应力有效的均匀分布于初支体系上，避免应力集中，仰拱二衬适时跟进施做，作为结构安全储备。有效的解决了困扰同寨隧道施工变形侵限问题。总之高地应力软岩抗变形必须根据具体隧道揭示围岩实态和变形规律制定合理抗变形方案，才能控制隧道变形。如何有效的控制释放高地应力确保围岩应力释放过程中不产生松动压力为下一步研究重点。

参考文献：

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