高地应力软岩隧道大变形控制措施研究

杨铁轮　陈伟祥　王智佼　毛羽丽　 王治才

【摘  要】木寨岭隧道2#斜井属于典型深埋高应力软岩隧道，在隧道掘进过程中极易出现围岩挤压性大变形现象，表现为：围岩变形量较大、变形时间长、初支结构变形破坏严重，严重影响隧道施工工期及隧道长期稳定。本文通过现场调查，现场监测等手段对木寨岭隧道2#斜井变形特性进行研究，提出了非对称恒阻大变形锚索支护控制措施。研究表明，非对称恒阻大变形锚索支护措施可以有效加固围岩，将隧道围岩收敛控制在较小的范围。

【关键词】高应力;软岩;隧道变形;变形控制

1 引言

随着我国公路、铁路隧道建设的快速发展，受地形地势的影响，隧道工程向长度长、埋深大、高地应力的复杂地质条件的方向发展已不可避免[1]。例如大梁隧道、两水隧道及毛羽山隧道均存在高地应力区软弱围岩的大变形问题[2-4]。隧道开挖过程中围岩变形大，变形持续时间长，隧道衬砌出现开裂、掉块，衬砌侵入建筑限界等现象。隧道大变形控制问题一直是隧道建设亟待解决的重要问题。

国内外专家学者对软岩大变形隧道已经做了大量的理论分析和研究，卢阳[5]等人基于工程勘察资料与现场监测数据，结合工程地质和施工条件分析隧道大变形的特征与原因，提出了针对性的大变形处治措施;王建鹏[6]从隧道高应力软岩的工程地质、变形机理、支护原理及支护结构的特性等方面进行了分析，对隧道设计和支护施工方案进行优化。

本文在前人研究成果之上，依托渭（源）武（都）高速公路木寨岭隧道2#斜井，对NPR锚索支护技术进行研究。

2 工程背景

木寨岭隧道是兰州至海口国家高速公路（G75）渭（源）武（都）高速公路的全线重点控制性工程，隧道全长15.221公里，是全线最长隧道，最大埋深629.1m，采用分离式设计，隧道进口采用削竹式，出口采用端墙式。2#斜井长度1813m，最大埋深591m，最大水平主应力24.95Mpa。穿越区域包括：断层破碎带;断层影响带，围岩主要为中风化薄层状炭质板岩。岩体节理裂隙很发育，岩体破碎，综合评定围岩级别为V级。

隧道采用三台阶开挖法，台阶长度4～6m，初期支护钢架采用I18型钢拱架（间距0.5m）。支护后隧道围岩发生较大变形，拱顶沉降达565mm。大面积混凝土开裂破坏，钢拱架发生严重扭曲，初支变形侵限。严重影响施工安全，造成巨大经济损失。

3 围岩大变形宏观表征及影响因素

3.1 初期支护严重破坏

木寨岭隧道存在着高地应力，隧道洞身岩体软弱破碎，隧道围岩自稳能力差。隧道围岩变形量大，变形时间长且围岩变形呈现非对称特征，隧道左帮围岩变形远大于右帮。施工过程中多次发生因初期支护侵限而造成拆换钢拱架现象。现场支护变形破坏情况如图1所示。

图1初期支护破坏图

3.2 大变形的影响因素

3.2.1 断层破碎带

根据工程地质调绘、钻探及工程物探等结果显示，隧址内除石炭系砂岩及灰岩为硬质岩外，二叠系炭质板岩、砂岩均为较硬岩，单轴饱和抗压强度很难达到30MPa以上;古近系砂砾岩、泥岩均为软岩。穿越地层主要有断层破碎带、断层影响带、中风化板岩。断层的存在使得隧址区域内地应力更加复杂，同时降低了围岩的强度和整体稳定性。

3.2.2 层理结构的影响

经勘查发现，隧道变形时间长，变形量大且变形非对称，隧道断面左帮变形量最大。从隧道断面取如图2所示的三处单元体A、B和C，分别代表隧道断面左帮、右帮和近端。临空区A点由于层理作用处于受拉状态，受拉应力作用;B点由于上覆岩层作用，多数处于受压状态，受压应力作用;而C点位于断面近端，处于隧道开挖后的三向受力状态。由于岩石抗压强度约为抗拉强度的8-10倍左右，即岩石抗拉不抗压，且A点受拉应力作用。因此，A点极易变形，即造成隧道断面左帮变形十分严重，受力分析如图3所示[7]。

图2 单元体选取位置图

图3 单元受力情况图

3.2.3 爆破施工

钻爆法施工引起的震动是隧道洞身产生大变形的一个重要诱发因素。爆破震动对围岩扰动较大，使围岩完整性进一步遭到破坏，强度降低。2#斜井采用的支护措施自身强度和刚度不足且无法适应隧道围岩大变形要求，引发隧道洞身围岩的应力集中，支护体系个别部位的破坏引起整个支护体的失稳。

4 现场试验及效果

通过现场工程地质调查研究和室内物理力学试验研究并根据软岩力学理论分析确定，隧道围岩复合型软岩的变形力学机制属于：重力和工程偏应力扩容变形（IIBD）、层理倾向型（IIIcc）以及随机节理（IIIe）的复合型变形机制[8]。基于NPR锚索无论静力与动力作用下，锚索支护阻力都可以保持在350KN高恒阻力和大变形量的特点[9]，提出如图4所示变形力学机制转化途径和软岩隧道支护对策。

图4 复合型变形力学机制转化技术

4.1 大變形控制技术措施

大变形控制技术措施具体如表1所示，隧道断面形式及锚索布置如图5所示，图6为恒阻大变形锚索试件实物图。

表1初期支护参数对照表

通过上述分析明确了木寨岭隧道2#斜井围岩发生大变形破坏的原因，针对其非对称变形的现象提出了采用喷设混凝土及时封闭围岩;高预紧力NPR恒阻锚索有控制性释放变形能量，实现支护围岩共同作用，减小围岩松动圈的发展[10]。

4.2 监测结果分析

对K1790断面进行初期钢拱架应力监测，围岩变形监测。围岩变形测点布置如下图7所示5点监测，钢拱架应力监测为三点监测，即拱顶、左拱肩、右拱肩三部分。

图7 测点布置示意图

4.2.1围岩变形分析

如图8所示，围巖变形在30天左右时趋于稳定，左侧拱肩部位变形最大，右侧拱肩部位次之，右侧拱腰部位最小。上台阶开挖后围岩收敛变形速度最大，左侧拱肩部位平均每天1.6cm，右侧拱肩部位平均每天1.3cm。中台阶钢拱架假设完毕后围岩收敛速度减小。

4.2.2 钢拱架应力监测

如图9所示钢拱架受力情况，左拱肩处钢架应力最大，但未超过屈服强度。钢拱架在上台阶开挖之初受力急剧增加，后逐渐稳定。中台阶及仰拱的开挖，造成短暂拱架悬空，钢拱架受力减小，然后钢拱架受力逐渐增加。施工中应及早封闭，确保钢拱架的稳定。

在实施高预紧力恒阻锚索之前的K1613-K1713段，换拱率达到40%。实施高预紧力恒阻锚索后，K1737-K1813段，无钢拱架失效现象。

5 结论

（1）受断层破碎带复杂构造应力以及板岩层理结构的影响，木寨岭隧道2#斜井隧道左右两侧围岩收敛和钢拱架应力存在较大差异，因此支护结构设计应考虑左右非对称的支护结构设计。

（2）高地应力软岩隧道施工过程中应适当提高初期支护的刚度，缩短初期支护体系封闭成环的时间，及时控制围岩的收敛变形。

（3）NPR恒阻锚索能在极短时间内实现对隧道断面的及时支护，避免了围岩塑性区不断扩大。恒阻锚索具有更大的预紧力的同时，通过自身的结构变形来抵御岩体大变形，避免了普通支护由于材料受力不均出现拉出或拉断导致支护失效的现象，进而保证巷道的稳定性。

参考文献：

[1]郭陕云.我国隧道和地下工程技术的发展与展望[J].现代隧道技术，2018，55（S2）：1-14.

[2]戴永浩，陈卫忠，田洪铭，杨建平，孟祥军，邓小林.大梁隧道软岩大变形及其支护方案研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34（S2）：4149-4156.

[3]余云燕，李国良，赵德安，等.两水隧道地应力测量及三维地应力场多元回归分析[J].现代隧道技术，2016，53（04）：29-36.

[4]李廷春.毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术[J].现代隧道技术，2011，48（02）：59-67.

[5]卢阳，邓修甫，鲁志强.云南华丽高速公路隧道大变形处治措施[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2020，29（01）：15-19.

[6]王建鹏.高应力软岩在铁路隧道施工中的工程地质特性探讨[J].铁道标准设计，2013（09）：69-74.

[7]蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2006.

[8]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.

[9]何满潮，李晨，宫伟力，等.NPR锚杆/索支护原理及大变形控制技术[J].岩石力学与工程学报，2016，35（08）：1513-1529.

[10]宫伟力，张自翔，高霞，等.双根并联恒阻大变形锚杆吸收冲击能量研究[J].地下空间与工程学报，2019，15（01）：116-124.

作者简介：

王治才（1974–），男，高级工程师，主要从事公路交通建设隧道工程相关研究。

基金项目：

甘肃省科技计划资助（19ZD2GA005）

（作者单位：甘肃长达路业有限责任公司）