云南华丽高速公路隧道大变形处治措施

卢 阳，邓修甫*，鲁志强

(1. 湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 2. 云南省交通规划设计研究院，昆明 650041)

近年来，西部地区的隧道大变形问题日益突出，隧道围岩往往呈现软弱破碎和高地应力等特征，隧道开挖后常表现为围岩变形量大，初期支护结构挤出破坏甚至发生隧道坍塌等安全事故.

对于隧道大变形问题，学者们进行了一些不同地层围岩条件的隧道工程研究，如泥岩夹砂岩[1]、辉绿岩[2]、穿越煤系地层[3]、凝灰岩[4]、板岩[5]、千枚岩[6]、第三系粉质黏土地层[7]和富水软岩[8-9]等，大变形破坏形式表现为初支混凝土脱落、拱顶坍塌、钢架扭曲及仰拱开裂等.通过地质调研资料，结合理论分析、现场监测与试验、数值模拟等方法分析隧道大变形破坏特征与机理，针对不同地层围岩提出了施作长锚杆、加深仰拱、双层衬砌、增大支护刚度、预留变形量和加设全环钢架等有效控制隧道大变形的整治措施.

文笔山隧道穿过玄武岩夹凝灰岩地层，目前，杨英[10]在勘察设计方面提出此类地层条件下隧道开挖前的施工对策建议，但在施工过程中及后期的变形控制技术方面研究成果很少.本文以文笔山隧道为背景，分析大变形破坏特征，探究隧 道大变形灾害的形成原因，并提出大变形控制措施，为后续施工提供指导.

1 隧道工程地质条件

1.1 工程概况

文笔山隧道是一座分离式隧道，左右线均为单向双车道，隧道全长约2 800 m，设计时速为80 km/h，隧道区海拔高程范围2 530～2 820 m，地势起伏变化大，隧道洞身段地表植被发育较好，乔木和灌木茂密，隧道最大埋深约为255 m.

1.2 地质构造

隧道路线位于扬子亚板块之盐源-丽江陆缘拗陷带，位于北东向构造体系的丽江-剑川断裂与丽江-宁蒗断裂之间.区域的地质构造复杂，褶皱与断裂十分发育，线路经过的范围主要有宁蒗沉降带、金沙区隆起区、鸣音沉降带及玉龙雪山隆起区.

1.3 水文地质

隧道洞身段地表水不发育，隧道区地下水为第四系孔隙水类型、基岩裂隙水类型：第四系孔隙水多赋存于第四系松散土体中，多以潜水形式出现，水量甚微；基岩裂隙水主要赋存于P2β 玄武岩夹凝灰岩中，富含基岩裂隙水.

1.4 地层岩性

隧址区发育地层主要为第四系坡洪积(Qdl+pl)层、第四系坡残积(Qdl+el)层、二叠系上统玄武岩组(P2β)玄武岩夹凝灰岩岩层.以上各地层按照工程力学性能并结合工程特征共划分为8 个工程地质单元层，自上而下分布如下：①粉质黏土Ⅰ组；②碎石；③粉质黏土Ⅱ组；④玄武岩；⑤玄武岩、斜斑玄武岩、橄斑玄武岩及硅质玄武岩Ⅰ组；⑥玄武岩、斜斑玄武岩、橄斑玄武岩及硅质玄武岩Ⅱ组；⑦凝灰岩Ⅰ组；⑧凝灰岩Ⅱ组.

2 隧道大变形特征

2.1 原设计支护参数

文笔山隧道大变形段围岩初期判定为V 级，洞身段采用三台阶开挖法，隧道预留变形量15 cm，隧道主洞围岩开挖断面尺寸：宽12.5 m×高10.05 m(含仰拱).原设计支护参数如下：超前支护施做Φ42×4小导管，L=4.5 m，环向间距30 cm，沿拱部120°范围布设；系统锚杆为Φ25×3.5 中空注浆锚杆，L=3 m，间距100×60 cm；全环布设I18钢拱架，间距60 cm/榀；挂设φ8 钢筋网，尺寸15 cm×15 cm；拱腰工字钢接头处与拱脚起拱线处每侧各打设2 根Φ42×4 锁脚小导管，L=4.5 m，每榀8 根；初支喷射混凝土厚度25 cm；二衬及仰拱混凝土厚度50 cm.

2.2 大变形宏观特征

文笔山隧道进洞后，工程前期按原设计施工方案进展顺利，隧道变形量较小，然而当左、右幅隧道掌子面各自开挖进尺约640 m 时，两隧道掌子面后方均出现大范围的大变形破坏现象，左右幅隧道大变形段范围分别为 ZK150+468～ ZK150+490，YK150+486～YK150+500.

隧道围岩初期变形剧烈，隧道结构体系变形分布不对称，具体表现为初支混凝土开裂和掉块，工字钢挤出扭曲和初支局部侵入二衬净空等现象，其中拱顶部分部位和B、C 单元接头处变形较为严重，侵限后随即对沉降较大段落采取加设护拱的形式进行处理.隧道大变形破坏现象见图1.

图1 隧道大变形破坏

2.3 大变形位移特征

对于隧道变形破坏段，结合实际监控量测数据，分析大变形破坏情况，左右幅隧道拱顶沉降累计位移情况见图2，水平收敛累计位移情况见图3.

图2 拱顶沉降时间曲线

图3 水平收敛时间曲线

从围岩监测的具体数值来看，左右幅隧道选取的2 个断面的拱顶沉降与水平收敛变形量均较 大，且拱顶累计下沉数值大于水平累计收敛数值.左幅断面ZK150+473 拱顶沉降量累计约525 mm，水平收敛量累计约450 mm；右幅断面YK150+ 491 拱顶沉降量累计约386 mm，水平收敛量累计约361 mm.

从围岩监测曲线形态来看，左右幅隧道2 个断面围岩变形剧烈，位移曲线斜率较大，2 个断面拱顶沉降、水平收敛曲线走势大体相似，反映了此段围岩整体条件较差，也反映出左右幅隧道开挖区域围岩条件的相近性，且拱顶沉降较水平收敛曲线陡，累计经过30 d 左右变形趋势渐缓.由于围岩变形量已大大超出设计预留变形量，导致初期支护破坏，随即停止观测，进行临时防护处治.

为了更加全面分析围岩变形规律，探究围岩大变形原因，下面对围岩变形累计量较大的左幅断面ZK150+473 的位移速率时间关系曲线进一步分析，如图4 所示.

可以发现，隧道围岩变形速率波动大且不稳定，围岩变形速率数值非常大，变形速率受隧道台阶分部开挖影响较大，如在开挖下台阶达到最大值，如拱顶沉降速率最大达65 mm/d，水平收敛速率最大达34 mm/d.总体来看，围岩拱顶沉降变形主要发生在前期，中后期速率相对较小，围岩水平收敛变形速率整体较大，反映出围岩压力释放快，变形剧烈，围岩自稳能力差，岩体差异性大.

图4 累计位移速率时间曲线

3 隧道大变形原因

3.1 地质构造带影响

受丽江-小金河构造带影响，文笔山隧道区内构造破碎带较发育，该段地表有一条山沟通过，山沟位置及走势见图5，左幅隧道ZK150+480 前后里程位于图5 中标圈所示位置.此段设计为软弱破碎带，隧道地层岩体组成差异性大，岩体破碎，节理裂隙发育，岩体自稳性差，是隧道出现大变形的重要原因.

图5 ZK150+480 里程前后与地表山沟交叉

3.2 围岩岩性条件

隧道洞身岩性为玄武岩夹凝灰岩，因凝灰岩透镜体具有赋存随机性、分布无规律性，另外由于玄武岩喷发具多期和间歇性的特点，以及凝灰岩与玄武岩接触带强烈的动力蚀变作用，造成凝灰岩周围的玄武岩局部为全风化或强风化.因此隧道区各岩层间变化较为复杂，从而导致支护结构体系的适应性差，开挖时常有掉块和脱落现象，最终出现初期支护体系变形量大、初期支护破坏和侵入二衬净空等灾害.

3.3 地应力条件

根据地应力测试结果，区内的初始最大水平主应力为8.78 MPa，部分区段由于围岩风化严重，岩体单轴抗压强度极低，隧道开挖面附近属于高应力状态，且最大主应力方向为NE10°，与隧道轴线方向接近垂直，对隧道边墙稳定性不利，是隧道出现大变形的主要原因.

3.4 赋存水条件

玄武岩组地层基岩裂隙水较为发育，地表水随岩石缝隙下渗，进一步软化凝灰岩，破坏玄武岩与凝灰岩间的结合，降低隧道围岩的稳定性.根据取样试验资料，凝灰岩夹层自由膨胀率为(40～80)%不等，属弱～中膨胀土，膨胀土遇水易软化和膨胀，赋存水条件对隧道工程影响较大.

3.5 初期支护强度

该段原设计为SF5a 型衬砌和I18 工字钢，其难以抵御围岩压力，因工字钢在围岩压力下产生变形，导致初支开裂和掉块.拱部下沉较大，拱部初支侵入二衬空间.起拱线位置(B、C 单元接头处)收敛较严重，原设计锁脚小导管长4.5 m，每个接头处2 根，不足以锁住拱脚，初支起拱线处收敛较大，钢架挤出破坏.

3.6 施工活动影响

对初支结构体系检查发现，施工中存在部分超挖现象，围岩与初期支护结构间存在空洞，导致围岩松弛，加剧围岩变形.另外隧道机械开挖、微爆破、初支闭合成环不及时等施工活动对围岩变形也产生不利影响.

4 隧道大变形处治措施

4.1 大变形段处治措施

掌子面暂停施工，表面喷射C25 混凝土进行封闭，稳定掌子面变形.大变形范围段设置临时支撑，防止支护结构的进一步变形破坏.对围岩大变形破坏段注浆加固，增强支护结构体系的整体稳定性，待围岩变形趋于稳定后及时对侵限段进行拆换拱处理，刚拱架沿隧道纵向逐榀更换，加强大变形处治段围岩监控量测，分析后续围岩变形处治效果.已破坏大变形段处治技术见图6.

图6 大变形段处治措施

4.2 掌子面前方未施工段处治措施

4.2.1 改善超前支护类型

左右2 幅隧道大变形段拱顶沉降累计位移较大，破坏较严重，原设计超前支护为Φ42×4 mm小导管，长度L=4.5 m，不能有效控制拱顶沉降变形.因此，应增强未施工段拱顶范围超前支护强度，改为长度L=9 m 的Φ108×6 超前大管棚，搭接长度3 m，以实现更好的围岩预加固效果.

4.2.2 加大预留变形量

根据施工中监控量测成果动态调整预留变形量，使围岩应力得到合理释放，减小其对支护结构的接触压力.

4.2.3 提高初期支护强度

隧道大变形段围岩组成差异性大，岩体稳定性低，进一步核查掌子面前方围岩性质，修正围岩级别，调整支护参数.未施工段衬砌类型由原设计SF5a 型调整为SF5c 型衬砌，增强初期支护强度.

4.2.4 增强锁脚连接

隧道单侧工字钢起拱线处(B、C 单元接头处)Φ42×4 mm 锁脚小导管加长到6 m，每个接头处设置4 根，拱腰接头处2 根，每榀共12 根，由此提高隧道关键部位强度，达到更快速、有效控制变形的目的，改进的锁脚连接方式见图7.

图7 锁脚小导管布置

4.2.5 强化施工质量

进一步加强施工质量管理，杜绝锚杆和锁脚导管数量不足，注浆不饱，刚拱架间距及竖直度、拱架悬空及单元间连接板连接不规范，钢架与围岩间不密切，喷射混凝土厚度不足等质量问题. 隧道大变形前后处治方案对比具体见表1.

表1 大变形前后控制技术对比

隧道变形控制方案变更后，初支结构未出现侵限及大变形破坏现象，返修段与试验段围岩变形速率与位移量均明显减少，试验段拱顶沉降量不超过20 cm，水平收敛量介于30～45 cm(小于总预留量50 cm，每侧25 cm)，围岩位移量处于可控的安全范围内，保证了工程的正常进度计划，表明上述隧道大变形控制技术的实施是合理的.

5 结论

1)文笔山隧道初始地应力高.围岩岩性为强风化凝灰岩夹玄武岩，隧道地下水较丰富，其凝灰岩为多次旋回所形成，遇水软化现象较严重，并具有膨胀性，物理力学性质较低；另受丽江-小金河构造带影响，隧址区强风化岩体岩性破碎，围岩自稳能力差.上述2 种条件进一步加重了隧道变形.

2)隧道围岩大变形破坏具有突发性.大变形段之前里程未发生大变形破坏，初期支护强度足够大，但后期仍抵抗不住围岩压力，隧道出现大范围变形破坏，导致多处换拱，施工风险较高，施工难度大.

3)对于文笔山隧道的软岩大变形段落，探讨了大变形原因，重新修正围岩级别，并结合现场监控量测结果，对超前支护、预留变形量、初期支护、锁脚连接及二次衬砌等控制技术方案进行了修正，隧道围岩大变形得到有效控制.