高地应力破碎围岩隧道大变形控制技术研究

李 松 黄林华 杨铁雄

（1.湖南科技学院土木与环境工程学院，湖南 永州 425000；2.中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

随着西部大开发的持续发展，继青藏铁后的滇藏铁路也如火如荼推进，川藏铁路也逐步提上日程，高海拔地区复杂的地质条件下隧道建设往往面临着多重困难，由高地应力造成的围岩大变形则成为常见而难以处理的地质灾害[1]，不少学者和工程技术人员对高地应力地层隧道围岩大变形问题开展了研究，李生杰等[2]对从岩石力学角度解释了围岩大变发生的力学机理，并提出了处理方法。潘飞[3-4]等对高地应力地层隧道围岩大变形工程现场采用了优化开挖方法、调整预留变形量、采用复合初期支护等手段进行综合处理，并分析了处理方法的有效性。张德华[5]对大梁隧道极高地应力问题开展现场试验优化并提出了新型支护结构。本文从丽香铁路站前某些隧道高地应力地层发生了围岩大变形出发，根据监控量测结果和现场开挖情况分析诱发围岩大变形的原因、提出优化衬砌结构设计参数和施工技术等方法，评价大变形设计施工方案的有效性，为同类高地应力破碎围岩隧道大变形处置方法提供参考。

1 工程地质条件

新建丽香铁路站前四标位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉县内，所在地域属云南省西北部、青藏高原南东缘之横断山脉中段高原雪山地区。起讫里程为DK65+776～DK76+382，线路长度10606m。

丽香铁路地处欧亚板块与印度板块相互碰撞汇聚形成的青藏高原东南缘之川滇菱形断块的西部边界断裂带（金沙江-中甸断裂带）内，横断山脉中段，哈巴雪山山脉西侧，地势东高西低，山脉呈南北向展布，横向沟谷发育，沟谷下切极深，属深山峡谷地貌。

线路基本沿区域构造线行进，地质构造极为复杂，属我国著名的南北向地震南段之滇西地震带。发生变形的隧道地段主要为炭质页岩、炭质板岩、炭质千枚岩、全强风化片理化玄武岩及凝灰岩等，层理、片理、节理等结构面多存在软弱夹层，属软岩或极软岩，实测地应力16.11～27.79MPa。隧道区覆盖第四系全新人工弃土块石土、滑坡堆积层等，受区域性构造影响，其间褶曲发育，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，完整性较差。

2 隧道围岩变形监测结果

2.1 围岩大变形情况

已开工的4座隧道中，有长坪、白岩子、圆宝山等3座隧道出现了围岩较大变形情况。其中，正洞累计变形较大段落长度达629.8m，辅助坑道累计变形较大段落长度达731.2m。按原施工组织方法隧道开挖主要以两台阶法、三台阶法为主，施工过程中对隧道的拱顶和边墙水平收敛进行监测，结果表明围岩变形主要是水平收敛发展过快而导致支护结构失效，以图1长坪隧道DK61+320～DK61+290段水平监测曲线为例，监测期内两个断面水平收敛均达到500mm以上，隧道上台阶变形较大，初期支护施工后一段时间内围岩位移仍有较快发展，随后位移发展加速直至发生破坏。现场初期支护结构发生破坏主要表现为边墙处钢架扭曲、接头错动和边墙喷射混凝土开裂，形成纵向贯通裂缝进而造成整体失效破坏。

图1 DK61+320～DK61+290段围岩水平收敛监测曲线

从现场施工监控量测数据和调整支护措施中总结的规律来看，按原设计支护方案采用上下台阶法施工，施加初期支护较难控制围岩位移发生，收敛变形最大值达到300mm以上，严重地层中水平收敛值达到800mm，上收敛的变形量大于拱顶变形量，下收敛变形量相对较小。施加二次衬砌后，拱顶沉降与水平收敛逐步趋于稳定，隧道初支完成后若15d之内不及时施做二衬，初支变形将随时间推移不断增大最终导致侵限，大多需要换拱。即使二次衬砌施工后围岩位移得到控制，按照新奥法和传统设计理念，支护结构主要靠初期支护承受荷载，围岩位移应当在二衬施加前趋于稳定，二次衬砌作为安全储备如承受较大荷载对后期运营安全造成隐患。

2.2 围岩大变形原因分析

通过对丽香铁路四标隧道围岩变形较大地段地质条件、支护结构参数、施工情况等进行综合分析，初步得出围岩变形的主要原因有：

（1）大变形地段岩性多为片理化玄武岩、玄武岩夹凝灰岩或炭质页岩、板岩等，岩体软弱破碎，自稳能力差，且部分段落地应力较高、岩体具有弱膨胀性特征、局部段落岩体顺层偏压，导致隧道开挖后围岩变形较大。

（2）由于边墙未进行超前小导管预注浆固结，围岩开挖后应力释放较快，自稳能力急剧下降，加上渗水软化作用，内摩擦角变小，导致围岩对初支的主动土压力（侧压力）急剧增加。当侧压力超出初支的允许承载力（抗弯能力）时出现变形。随着初支的变形，导致岩体的自稳内应力发生重新分布现象，自稳内应力圈半径不断扩大，相应不稳定岩体范围也随之扩大，致使侧压力继续加大，从而加剧了变形量的不断扩大。

（3）施工方法选择不当，或工序衔接安排不合理，钢支撑架设质量欠佳，支撑与围岩不密贴，联结不够牢固，锁脚锚管未起到锚固作用，且由于初期支护封闭成环间隔时间较长，不能满足围岩压力所需要的强度要求。

3 围岩大变形处置方案

3.1 支护结构优化设计

按原设计Ⅴ级围岩地段设计采用V级B型复合式衬砌，拱部设置φ25组合中空锚杆，边墙设置φ22砂浆锚杆，长度3m。全环设I18工字钢架加强支护，纵向间距0.8～1m，拱部设φ42超前小导管，每根长3～3.5m，环向间距0.4m，纵向间距1.6～2m，台阶法施工，二衬采用40cm厚钢筋砼。

施工中根据实际情况，加大预留变形量，支护采用大变形Ⅱ型衬砌结构，预留量40cm，全环设置工I20b钢架，间距0.5m/榀，钢架间纵向连接钢筋采用φ25钢筋，"Z"形布置，设于钢架内侧（靠二衬侧），钢筋纵向接头应相互错开,锁脚锚杆采用φ25钢筋，与钢架焊接牢固；同时，加强各台阶底部钢架纵向垫槽钢的施工工艺，确保钢架系统整体稳定性；拱部设φ42超前小导管，环向间距0.4m，纵向间距2m，必要时带临时仰拱。仰拱厚55cm，二衬厚50～80cm，环向钢筋采用Φ20螺纹筋，纵向间距20cm，层距随二衬弧形变化而变化，纵向钢筋采用螺纹钢，环向间距25cm，层距随二衬弧形变化而变化,钩筋采用Φ8钢筋（满铺）。为了保证施工安全、质量、进度可控，在围岩应力较大段采用CRD开挖工法，在CRD开挖工法试验段施工中优化的施工工艺和总结的施工参数，动态调整下一步CRD开挖施工。

3.2 大变形段处置效果评价

图2为长坪隧道试验段初支变形监测曲线，可见采用大变形Ⅱ型支护结构及CRD开挖工法后，未发生红色警报，可见大变形Ⅱ型衬砌对于此段围岩变形具有良好控制效果，及时稳定了围岩变形收敛。CRD开挖工法能有效利用了中隔壁和临时仰拱的支撑作用，缩短开挖与支护间隔时间，开挖对围岩扰动小，并辅以注浆小导管超前支护、挂网和格栅喷砼等支护手段，有得于围岩变形控制，同时仰拱与下台阶的施工间距对围岩变形有重要影响，仰拱封闭成环后，初支支护形成整体受力结构，抵抗围岩的变形能力增强，能确保施工安全和结构安全。

图2 上台阶水平收敛监测曲线

4 结论

论文针对丽香铁路四标隧道发生的大变形情况，分析了其产生的原因，采取了相应的设计和施工控制措施，得到了以下结论：

（1）大变形的发生与地质条件，施工方法和支护结构设计等条件密切相关，围岩水平收敛明显大于竖向位移，支护结构的破坏也往往从边墙处开始。岩体破碎，地下水丰富和高地应力是导致围岩失控的主要原因，施工技术及处置措施选择不当极易发生重大安全事故。

（2）在高地应力复杂段应采取不同的衬砌支护参数，大变形Ⅱ型衬砌重新设计了隧道断面和支护结构形式，较好应对了高地应力破碎围岩地层隧道支护结构水平位移发展过快的问题，对控制围岩变形和衬砌破坏失效具有较好效果。

（3）施工监测结果表明上台阶围岩位移发展较下台阶快，且台阶处钢拱架接头处易发生扭曲，采用CRD工法相对于上下台阶法能有效应对问题，但一次开挖距离不宜过长，施工质量需要重点把控，并应当及时施工二次衬砌。