高原高寒破碎软弱围岩隧道建设管理探讨

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

该道路于上世纪70年代建成通车，后经历次改造，但局部路段坡陡弯急路窄，通行能力仍严重不足。尤其是海子山越岭段更是雨季晴天灰雨天阻、冬季时常大雪封山断道，交通事故频发。在玉树地震之后，为畅通川内至石渠县、至青海省的该段生命通道，从根本上提升该道路全天候通行能力，启动了该段道路改建工作，并新建海子山隧道。

1 概述

1.1 自然气候条件

该隧道位于四川省甘孜州德格县海子山区域，隧址区属典型的高原越岭高寒气候，年平均气温在-0.7℃，月平均气温在-9.5℃～8.8℃之间，昼夜温差达30℃～40℃，在施工期内洞口实际观测的最低气温为-33℃。全年12个月内均有降雪，积雪期长达5～6个月之久。隧道北洞口海拔4361米，南洞口海拔4371米。大气压约为平原区的60%，氧分压约为平原区的55～60%，距洞口700米处的氧分压约为洞外的80%。自然气候条件恶劣，施工现场作业劳动强度较大，人员更换频繁，人机工效极低。

1.2 工程地质条件

隧址区发育甘孜-玉树深大断裂，隧道南口通过该断裂的竹庆-海子湖段，且隧道轴线与断裂带呈小角度共向展布。该断裂为全新世强烈活动的左旋走滑断裂带，据相关文献资料研究，在隧址区海子山一带估计断层平均左旋滑动最大速率可达（12.8±1.7）mm/a，最大垂直滑动速率可达（1.7±1.6）mm/a[1]。根据勘察资料，隧道围岩大部分区段处于极高和高地应力状态。实际开挖后大部分区段还存在偏压不均情况。

隧址区大气降水及冰雪融化是地表水和地下水的主要来源。地面覆盖高原草甸，具备良好的地下水储藏下渗条件。因海拔较高，常年温度较低，水可以固态形式保存于覆盖层孔隙内，孔隙中多可见冰晶，温度回暖时易融化。地下水因隧址区地层节理裂隙密集发育，富水性不均；加之山体内次级断裂发育，存在构造垂直向控水的地质条件，具有断裂富水性分段特征。隧道最大埋深仅213米，在地表溪沟和负地形段，地形控水显著，基岩含水层受风化裂隙影响，裂隙连通性相对较好，其下相对应的隧道围岩区富水性也相对较好，对地层的软化特征极为明显。

隧址区出露基岩主要为三叠系曲嘎寺组（T3q）的变质砂岩、炭质板岩，隧道开挖后实际穿越的主要围岩为炭质板岩。炭质板岩作为一种典型的软岩，其岩体呈灰黑色，构造呈薄层、薄片扭曲状，层间胶结差、岩层整体强度低，围岩的流变特性明显。受区域大断裂动力地质作用及隧道内数条次级断裂构造挤压影响，隧址区地层构造复杂，裂隙发育，岩体破碎，完整性差，且多有薄层泥化物拌生。岩体多具“碎裂岩化、糜棱岩化、片理化”特征[2]。据岩石取样含矿物成分分析，含有较多亲水性粘土矿物，且含大开孔隙较多，岩石的吸水软化性较强。岩石单轴饱和抗压强度小于1MPa，力学性质整体较差，施工抗扰动能力弱、抗水软化能力弱、自稳能力极差。开挖扰动易呈碎渣状，遇水扰动易软化、泥化。

整个海子山隧道建设犹如在“烂豆腐”中打洞，富水地段还犹如泡在水里，建设过程中多次穿越次级断裂破碎带，塌方冒顶、涌水突泥灾害频发，建设管理难度极大、安全风险极高。

图1 受构造影响强烈扭曲

图2 开挖扰动即破碎成渣

2 建设管理过程

2.1 洞口段利用冬季低温变“水豆腐”为“冻豆腐”

建设初期，对隧址区的自然气候条件和工程地质条件认识不足，以及多重不利因素叠加影响下隧道施工的难度和风险估计不足，在隧道南洞口浅埋段即发生初支变形，进而急速发展至塌方冒顶。

该洞口于3月组织进场，5月4日开始挂口施工，5月下旬完成30米超前大管棚施工，洞内干燥清爽，掌子面无渗水，变形监测0～5mm，施工正常推进。6月初气温进一步回暖，积雪开始融化，掌子面逐渐潮湿，变形监测仍基本稳定；在此期间掌子面开挖掘进进度保持2.5米/天。6月中旬进入高原雨季，洞周逐渐富水，出现轻微渗水，初支开始变形。6月20日区内普降暴雨。21日开挖至距洞口115米处出现坍塌，及时反压回填注浆处理。但22日持续暴雨，洞内渗水量激增呈线状流出，掌子面环向120°范围再次出现大面积坍塌，初支左侧拱腰出现剪切开裂。进一步查探地表地形，掌子面正上方有片面积约1600平方米富水负地形，该处隧道洞身埋深仅36米，地表水汇集并沿地表沉积层和基岩裂隙迅速下渗，炭质板岩遇水迅速软化，导致掌子面围岩整体稳定性下降，最终失稳破坏。于当日在地表负地形外围设置临时截水设施，再次反压回填掌子面并喷锚注浆固结封闭，停止掌子面掘进。至8月中旬施作临时护拱和拱部注浆应急处治，同时跟进仰拱、二衬进度。高原雨季持续降雨，地表积水不断下渗，对地下水通道内炭质板岩持续软化下沉，形成极高的势能和压力，最终以泥石流状冲破反压注浆体涌出，直至8月28日掌子面坍塌至冒顶，临近段初支拱顶沉降累计最大值达143 mm。在完成侵限初支换拱，并将仰拱抵近至掌子面10米后，开始塌方处治施工。

图3 地下水渗透涌水突泥

图4 遇水软化即手捏成泥

第一阶段塌方处治于9月25首次进行。超前支护采用5米长φ32螺纹钢和4.5米φ42注浆小导管组合交替施作，水泥-水玻璃双液浆固结坍渣。因持续降雨坍塌土体下沉，超前支护过短无法打入前方稳定围岩，且小导管注浆效果不佳，10月15日再次发生坍塌。

第二阶段塌方处治为10月16日至冬休前，超前支护调整为20～25米长φ108大管棚+4.5米长Φ42注浆小导管组合。因前期施工的工字钢、小导管交错，以及洞顶不间断泥流，大管棚施工经常出现卡钻、卡管，致使Ф108大管棚无法有序正常实施。管棚施工两个批次，均因不能迅速形成有效支撑发生变形，于11月2日和次年1月23日两度坍塌。洞顶负地形段高原草甸富水，对地下水持续补给，坍腔内的岩土体不断软化，洞顶坍腔持续扩大，坍塌物不断涌出，掌子面围岩呈流塑状，已无自稳能力，使掌子面重复大面积坍塌而失败。冬休期由于高原冬季气候条件限制，塌方处治中断，掌子面再次封闭。

第三阶段塌方处治为次年冬休期后3月进场，因冬季几乎无降雨减少了地表水补给，且冻深达1.5米的季节性冻土尚未解冻形成了地表隔水层，洞内渗水明显减少。掌子面距离洞口较近，暂缓保温措施的辅助，创造性地将外部冷空气直接引入隧道，冻结掌子面周边围岩，使洞周围岩整体稳定性得以提高。掌子面的“水豆腐”变成“冻豆腐”。及时抓住该时机，对掌子面坍塌体和上方错乱的钢筋、小导管、大管棚进行彻底清理。对掌子面反压回填，打Ф42小导管注浆、挂网及喷射5cm厚的C20混凝土封闭。掌子面拱部环向交错打双排Ф42小导管，对岩体进行预注浆。施作双层I20b工字钢导向墙，按120°范围施作35根18m长的Ф108大管棚，管棚之间插入Ф42小导管，并对大管棚及小导管注浆，待第一次注浆完毕后再对已注浆过的管棚、小导管进行二次补注浆。对掌子面周边和前方围岩注浆加固后，多台阶分步逐榀开挖，间距40cm全环I20b工字钢加强初期支护，及时跟进仰拱并封闭成环。根据监控量测数据确定最佳二衬施工时间，于5月10日完成二衬施工，坍塌冒顶段顺利通过。待二衬强度达到要求后，再进行地表凹陷处回填。

洞口段坍塌冒顶的教训，首先是对隧道工程地质的认识不足。为进一步探明前方围岩水文地质特征，勘察单位沿隧道轴线通过物探方式为整座隧道补充做了一次全身“CT”检查，对后续围岩有了总体的定性认识。并引入第三方超前地质预报随掌子面推进全程跟踪探查，做到预判在前。其次是软弱围岩支护措施不足造成初支大变形。尤其是当初支已经发生变形时，仍不能及时一次性补足措施，逐级试探性补强承担着巨大的质量和安全风险。再次坍塌变形换拱，施工难度、工期和费用都成倍增加。三是高寒缺氧的极端自然环境下，人员更换频繁，施工工序衔接不紧，也使处治效果减弱。高原施工人机工效低，施工管控难，质量管理要求更高，工艺工序更需严格管控。

2.2 洞身段“分块开挖多层支护”将“大豆腐”切“小豆腐”

在后续的施工中，共穿越了7条次级断裂和小断层无数，经历初支大变形、涌水突泥等重大险情处治，逐步摸索总结出了一套适合海子山隧道的设计参数和施工方法：

一是设计支护结构必须要做到“强支硬顶”。对破碎软弱围岩隧道而言，初期支护必须要保证及时、到位，还需要有一定的强度做支撑，以约束围岩变形，防止松动圈的出现和软弱围岩急剧变形。高地应力和围岩自稳能力极差，更要求二衬必须有足够的强度以确保安全和质量。在后续建设中充分重视和加强动态设计，根据物探、超前地质预报和监控量测数据及时调整支护参数。根据围岩复杂性，对V级围岩的支护参数进行了进一步细化。通过对钢架型号、喷射混凝土厚度、钢拱架间距、钢筋数量和规格等的不同组合，将两种支护参数细化为七种基本支护参数（表1），便于根据现场地质情况及监控量测数据及时灵活选用。对超前支护辅助措施也进行了多种设计和灵活组合应用（表2）。

表1 隧道设计主要支护参数

表2 隧道开挖超前支护辅助措施

C型V级强风化破碎软弱围岩段长4.5m、环向间距30～40cm的φ42单层小导管A型+B型次级断裂带破碎软弱围岩段、涌水突泥段长18-25m的φ108大管棚+长4.5m的φ 42双层小导管A型+C型次级断裂带破碎软弱围岩段、涌水突泥段长18-25m的φ108大管棚+长4.5m的φ 42单层小导管

二是施工工法必须要做到保障到位。针对V级破碎软弱围岩，有针对性地控制围岩变形是关键。以“控变形、强支护”为主要解决方案，结合高原高寒地区人、机功效低实际，采用“分块开挖，刚柔并济”的施工原则，将“大块豆腐”从空间上分割为多层状“小块豆腐”。V加强及更差围岩段以“三台阶七步开挖法”为基础，施工必须做到严格按照要求执行各道开挖步序，通过短进尺、多工作面、强支硬顶，确保实现及时支护到位，有效约束围岩变形，提高围岩稳定性。在次级断裂带涌水突泥段，掌子面围岩软化呈流塑状，已无自稳能力无法形成开挖台阶，通过增设梯形台阶挡墙，辅以临时仰拱支撑，为“分块开挖分层支护”创造条件，并得以顺利通过。以此总结出《松散破碎富水地层隧道“梯形台阶挡墙+临时仰拱”施工工法》获得四川省省级工法证书[3]。为保障施工效果，在偏压段结合对锁脚锚杆、锁脚导管的灵活应用，进行针对性处治。通过该项目实践，创新应用一种具有自进功能的剪式注浆锚杆，获得实用新型发明专利证书。

三是施工过程加强隧道监控量测工作，做到信息化施工。基于对既有监控量测数据的分析，严格按照分步开挖时空控制的要求对监测曲线进行全过程分析和预判，确保参建各方对现场各道工序的可判断、可控制。辅助动态设计调整，实现动态施工管控。

四是建设管理必须要做到合理推进建设工期。建设过程中，要充分结合炭质板岩这种围岩变形力学特性进行分析考虑，严格控制围岩变形，尽量避免塌方。从每步工序的作业时间和工序衔接时间上进行管理优化，杜绝从加大开挖进尺方面抢工期。科学优化工期，合理推进建设，确保初期支护的及时性与初期支护的整体刚度，是项目安全有序推进的关键。

2.3 富水段深挖技术要领“卤水点豆腐”

超前地质预报前方有松散破碎富水带时，预先沿隧道掌子面周边施作水平钻孔，向孔内埋设排水泄压管，超前将隧道施工范围内地下水及时引出。根据掌子面围岩情况或塌方、突泥口的位置、规模，选用Ф108大管棚和Ф 42小导管灵活组合，进行多角度多方位超前支护和注浆加固。改善原单液注浆工艺，采用水泥-水玻璃双液注浆，通过二次或多次注浆提高注浆效果。对掌子面周边围岩进行加固和正前方的“待挖核心体”进行预加固，实现堵水和固结松散岩体双重作用。在隧道一定范围内将自稳性极差的“碎豆腐”快速凝结形成封闭固结体，尽可能控制隧道发生塌方、变形的范围，为开挖支护创造有利条件。

2.4 洞口“长袖子”+洞内“保暖内衣”进行隧道保温

建设期洞口最低气温-33℃，建成后洞内最低气温-14.8℃。为降低高原高寒气候对隧道的冻害影响，采用“长袖子+保暖内衣”的措施对隧道进行保温。两侧洞口穿上“长袖子”，各增设30米聚碳酸酯耐力板透光明洞，防止降雪在洞口形成风吹雪病害，也能保证透过日光照射及时融化冰雪，提高洞口行车安全性。隧道内全隧道穿上“保暖内衣”，设置了内贴式保温板进行保温，对二衬混凝土进行保护，降低高寒对隧道衬砌的冻害影响。

3 建设管理结果

该隧道全长2522米，实际开挖后V级围岩达2222米，占比88.1%；其中V加强区段1122米，V特加强区段733米。全隧道掘进几乎未能爆破施工，全部V级围岩和部分Ⅳ级围岩均以挖掘机开挖。为进一步减少开挖对岩体的扰动，主要以挖掘机破碎头、挖斗开挖掘进，配合铣挖机和自行加工制作的“鹰嘴”、“锉刀”进行细部修整。建设期内克服软岩大变形、塌方冒顶、涌水突泥等地质灾害突发险情，及时总结经验教训，通过以上思路创新和技术攻关，历时六年得以艰难贯通，整个建设过程未发生一起安全事故。

4 总结

1、对高原高寒地区自然环境的敬畏，是进行人员、机械设备配置的前提。人员更换频繁使得施工工序流畅性受限，人机工效低影响施工工艺的效果。

2、对隧道工程地质特性、水文条件的充分了解，是设计参数和施工工艺选取的基本依据。必要的物探手段作补充，能够辅助对全隧道围岩分布情况进行有效的定性预判。

3、炭质板岩作为一种典型软岩，力学性质整体较差。在受区域大断裂构造运动影响下，揉皱挤压破碎，岩石整体稳定性进一步降低。特别是富水段地下水渗透叠加影响，软化速度极快，小股渗水也能将周边围岩软化成泥状，涌水即引发突泥从塌方口涌出，发展极为迅速，极易造成大规模塌方和引发安全事故。

4、高原地区越岭短～长隧道遇软弱破碎围岩，“强支硬顶”仍是主要的有效处治手段。初期支护必须要保证及时、到位，还需要有一定的强度做支撑，以约束围岩变形，防止松动圈的出现和软弱围岩急剧变形。高地应力和围岩自稳能力极差，更要求二衬必须有足够的强度以确保安全和质量。

5、加强施工过程的监控量测和动态设计、动态管控是顺利推进的保障。通过监控量测曲线进行全过程分析和预判，辅助动态设计调整，实现动态施工管控。

6、科学优化工期，合理推进建设，确保初期支护的及时性与初期支护的整体刚度，是项目安全有序推进的关键。严格控制围岩变形，尽量避免塌方。从每步工序的作业时间和工序衔接时间上进行管理优化，杜绝从加大开挖进尺方面抢工期。