阳山隧道高地应力近水平岩层变形控制关键技术研究

郭尚坤

(中铁二十局集团第二工程有限公司 北京 100042）

1 引言

随着我国铁路、公路建设的不断推进，在地质环境恶劣、高地应力[1-3]地区建设长大隧道已不可避免。在高地应力软岩[4]中修建隧道，往往出现围岩大变形问题。南昆铁路家竹箐隧道、兰新复线乌鞘岭隧道、奥地利陶恩隧道、日本中屋隧道施工中都出现过软岩大变形问题[5]。在高地应力地区修建地下工程，最大的难题就是软岩大变形控制问题[6]。地质构造发育地区的深埋地层由于曾经受到强烈地质构造挤压作用，除完整性较差外，往往还累积了较大能量[7]。穿过此类地层的隧道，施工过程中由于开挖卸荷，围岩累积的能量逐渐释放，稳定性[8]较差，必然出现较大的围岩变形。面对阳山隧道2号斜井正洞小里程复杂的地质环境，本文提出研究高地应力近水平岩层段落采用微台阶与初支拱顶设置钢板型限阻器相结合的施工工法，最终达到变形控制、初支结构稳定的目的。

2 工程概况

新建蒙西至华中地区铁路煤运通道工程[9]阳山隧道2号斜井位于延安市延长县七里村乡白家台村，小里程承担DK385+850～DK384+370长1 480 m施工任务，设计为三叠系上统瓦窑堡组砂岩夹泥岩，砂岩灰白、浅灰色，泥岩灰黑色，弱风化，节理裂隙较发育，完整性较好，呈块状镶嵌结构，近水平单斜构造，倾角1°～3°，埋深90 ～220 m。

设计为Ⅲ级围岩，衬砌采用Ⅲb。实际开挖揭示:上台阶主要为砂岩，中厚层至厚层状，夹薄层泥岩，拱部以下1.1～1.5 m为薄层砂岩，夹页岩；下台阶为泥岩夹煤层，煤层共4层，厚度5～20 cm，块煤为主；节理发育，岩体完整性好，开挖未见地下水，综合判定围岩级别为Ⅳ级。

3 高地应力判定

3.1 现场表现

2017年6月30日上午8点30分发现开挖掌子面后方DK385+220～DK385+048长172 m范围，初支拱顶砼剥落掉块严重且已纵向贯通，拱顶部位格栅钢架主筋扭曲变形严重。DK385+106～DK385+045长61 m上台阶底板线左出现一条宽5～20 mm的裂缝，裂缝呈现为沿隧道中线方向错台，且肉眼观察到上台阶地面有明显隆起现象。该段埋深200 m左右，支护时间为2017年4月20日至6月26日。

2017年7月2日17点55分至18点10分DK385+143～DK385+125段长18 m初支开裂段落内拱顶岩层剥离，初支塌落。塌腔长18 m，宽5 m，高度1～4 m。塌体岩性为砂岩夹薄层泥岩，塌腔顶部岩面较为平整光滑，层间结合差。该段支护时间为2017年5月25日至5月30日。

2017年7月23日15点～7月24日7点DK385+106～DK385+038上台阶洞身岩体发出“嘭…嘭…”响声，且声音不断加大，频率出现增加，初支砼剥落掉块、格栅钢架主筋扭曲变形加剧。上台阶底板裂缝宽度、隆起现象有所发展，发生了突变。

2017年7月24日7点30分初支开裂段落内DK385+110～DK385+075段长35 m拱顶初支发生塌落，支护时间为2017年6月3日至6月14日。塌腔长35 m，宽6 m，高1.5～3.2 m。塌体岩性为砂岩夹薄层泥岩，塌腔顶部岩面较为平整光滑，层间结合差，与7月2日拱顶塌落段落处于同一水平岩层，为同一结构面引起的拱顶岩层剥离塌落向小里程方向发展延伸。

3.2 测试结果

为定量分析隧道的地应力状况，中国地震局地壳应力研究所在阳山隧道2号斜井正洞DK385+170处钻孔获得4段地应力量值数据及2段地应力方向数据。通过地应力测试及结果分析，确定阳山隧道2号斜井钻孔附近地应力状态结论如下:

(1）初始地应力均值:最大水平主应力均值14.48 MPa，最小水平主应力均值9.23 MPa，垂直应力均值5.35 MPa，最大水平主应力平均方向N65.5°E。

(2）该钻孔附近隧道围岩属于近水平砂岩[10]，根据《工程岩体分级标准》(GB 50218-14），阳山隧道2号斜井钻孔附近处于高初始地应力状态，平均强度应力比3.44，高初始地应力可能导致开挖过程中硬岩围岩“发生剥离、新生裂隙多、围岩易失稳”，软岩围岩“发生剥离、位移极为显著、甚至发生大位移”。

4 变形控制关键技术

4.1 限阻器的设计与加工

钢板型限阻器[11]按照图1进行设计与加工，上下传力连接钢板厚10 mm，竖向限阻钢板厚8 mm，竖向限阻钢板垂直焊接在上下连接钢板上，限阻器高30 cm，宽22 cm，长100 cm，限阻器与上台阶拱架一起安装，布置在拱架拱顶正中间位置。

图1 钢板型限阻器（单位：mm）

4.2 掌子面开挖

高地应力近水平岩层段落采用微台阶施工工法，如图2组织施工。上台阶作业采用分体式开挖台架，上台阶高6.1 m，长6 m，开挖面距离仰拱初支成环不大于11 m。下台阶左右对齐与仰拱同时开挖支护。为保证爆破效果，采用光面爆破开挖，周边眼加密，拱顶周边眼根据现场实际地质情况适当从轮廓线往下降低。限阻器安装部位采用人工配合风镐向外扩挖10 cm，确保其能顺利安装。

单个上台阶分体式台架总重量不超过2.5 t，按照图3采用挖机挑送方式移动，下台阶采用自制小型短栈桥，保证上下同时开挖。

图2 微台阶施工

图3 开挖台架及小栈桥

4.3 限阻器与格栅钢架安装

钢架采用格栅钢架，钢架拱顶正中间加钢板型限阻器，将限阻器与上台阶拱架一起安装，在限阻器竖向钢板之间焊接φ42 mm×3.5 mm无缝钢管，作为后期初支拱顶注浆使用。无缝钢管长35 cm，安装时靠近围岩侧外露2 cm，靠近初支面侧外露3 cm，管口用土工布包裹，无缝钢管间距2 m预埋1根。每个限阻器的连接采用20 cm×10 cm×8 cm的钢板进行绑焊。限阻器安装效果如图4所示。

4.4 钢筋网片安装

拱架背后环铺1层φ6 mm(纵向）×φ8 mm(环向）钢筋网片，网眼间距20 cm×20 cm，搭接不小于1个网格。沿限阻器环向左、右1 m范围内增设1层钢筋网，网眼间距30 cm×30 cm，靠近掌子面一侧的钢筋网片外露1～2个网格，以便于下一循环搭接。钢筋网铺设时网片节点与钢架采用点焊的办法逐点焊接牢固。

4.5 锁脚锚管打设

钢架采用锁脚锚管加固，锚管采用4 m长的φ42×5 mm无缝钢管，每榀拱架斜向下打设12根，与拱架成30°～45°，采用φ50 mm钻头成孔，成孔深度超过锁脚锚管设计长度10 cm。锚管与钢架采用φ25 mm钢筋单面焊接，与锁脚锚管和钢架焊接长度均不小于25 cm，焊接完成后及时灌注M30水泥砂浆。

4.6 超前支护

超前小导管采用3.5 m长的φ42×3.5 mm无缝钢管，环向间距40 cm，相邻两排的搭接长度不小于100 cm，外插角10°～15°，拱部 120°范围布设 31根。施工时首先对小导管位置进行测量放样，在设计孔位上做好标记，用风动凿岩机成孔。成孔后，将小导管按设计要求用凿岩机直接将导管从钢架上部、中部顶入，顶入不小于设计长度的90%，外露钢管用钢垫板与靠近掌子面的钢架焊接，与钢架共同组成预支护体系。

采用注浆泵压注水泥浆。注浆前先冲洗管内沉积物，浆液先稀后浓，由下至上顺序进行。单孔注浆压力达到设计注浆量80%或注浆压力达到设计终压并稳定10～15 min时可结束注浆。注浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，压力0.5～1.0 MPa，水泥浆液水灰比1∶1。出现串浆时，采用分浆器多孔注浆或堵塞串浆孔隔空注浆；出现注浆压力突然升高时，应停机查明原因；出现进浆量很大，压力不变时，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，采用小流量低压力注浆或间歇式注浆。

图4 限阻器安装效果

4.7 喷射混凝土

喷射混凝土分为两次进行施工:第一次喷射拱架部位，第二次补喷限阻器部位。

喷射混凝土采用湿喷工艺，一次喷射厚度拱部3～5 cm，边墙6～8 cm，分层喷至设计厚度。为保证初支在限阻器部位变形，限阻器部位未喷射混凝土。在喷射混凝土之前，为防止混凝土进入限阻器中，用防水板对限阻器部位进行遮挡，或在限阻器空隙中填入土工布，待混凝土喷射完后则人工拆除遮挡部位防水板或抽出所填充的土工布，并清理限阻器中的杂物及混凝土。

待监控量测数据稳定后，在二衬施工前对限阻器部位进行补喷。补喷时清理限阻器中的黄土、松散混凝土，清理干净后喷射C25混凝土至设计厚度。若出现限阻器变形大于15 cm时，对该处限阻器补喷至设计厚度。限阻器补喷结束后及时清除预埋注浆管上回弹砼，待初支混凝土强度达到100%时，进行初支拱顶脱空注浆，注浆浆液采用水泥浆，注浆压力1～2 MPa。

5 初支监控量测分析

5.1 监测断面布置

阳山隧道2号斜井小里程开挖方法采用微台阶法，拱顶沉降、水平收敛线1、水平收敛线2按照图5进行布设。

图5 监测断面布置（单位：cm）

5.2 监控量测控制标准

该段围岩级别为Ⅳ级，初支变形量测断面间距为5 m。每个断面拱顶沉降测点1个，水平收敛测线2组，隧道初支结构变形控制标准[12]采用《蒙西华中铁路隧道施工监控量测实施方案(试行）》(蒙华公司工技〔2016〕92号文）表1～表2标准。

表1 监控量测变形速率控制标准 mm

表2 监控量测累计变形控制标准 mm

5.3 监测数据收集

5.3.1 DK385+030断面监测数据

DK385+030断面从2017年9月23日初测，11月13日停测，累计值分别为:拱顶下沉累计40 mm，水平收敛线1累计42 mm，水平收敛线2累计36 mm。

5.3.2 DK385+020断面监测数据

DK385+020断面从2017年9月30日初测，11月21日停测，累计值分别为:拱顶下沉累计42 mm，水平收敛线1累计38 mm，水平收敛线2累计10 mm。

5.3.3 DK385+010断面监测数据

DK385+010断面从2017年10月6日初测，11月20日停测，累计值分别为:拱顶下沉累计57 mm，水平收敛线1累计38 mm，水平收敛线2累计22 mm。

5.4 监控量测与现场结合分析

监控量测数据显示，拱顶沉降及周边收敛均未出现异常值。经现场实际量测拱顶限阻器总变形:DK385+030断面18 mm，DK385+020断面106 mm，DK385+010断面6 mm，但拱顶混凝土未出现剥离、掉块现象，说明限阻器变形可以吸收来自围岩的构造应力，控制拱顶开裂、掉块。

6 其他安全保证措施

为了保证隧道施工安全，阳山隧道引进微震监测技术，对高地应力段落24 h监测，通过对微震事件进行分析，研究其时空分布规律和震级变化规律，达到预警岩爆、崩塌的目的，降低施工风险。

7 结束语

通过合理调整施工方法，采用微台阶与初支拱顶设置钢板型限阻器相结合的工法，使阳山隧道高地应力造成的拱顶变形、剥落现象得到有效控制，隧道顺利贯通，大大提高了高地应力近水平岩层隧道施工安全，同时也验证了该工法的科学性。