高地应力软岩隧道大变形控制关键技术

马 栋， 孙 毅， 王武现， 晋刘杰

(中铁十六局集团有限公司， 北京 100018)

0 引言

高地应力软岩隧道的大变形问题一直是困扰工程界的难题。21世纪是地下空间作为资源加以大力开发利用的世纪[1-2]，将不得不面对越来越多的高地应力软岩隧道问题。高地应力围岩指的是岩石抗压强度与地应力的比值较小的地质条件，软岩是指岩石饱和单轴抗压强度≤30 MPa的围岩。由于高地应力软岩隧道具有大变形、变形持续时间长、空间分布不均匀的特点[3-6]，施工及后期调整难度均非常大，严重威胁隧道施工及运营期间的安全。对于高地应力软岩隧道的大变形及其控制措施，国内不少学者做了大量的研究，取得了丰硕的成果。钱七虎[7]认为极端复杂的不良地质条件是制约隧道安全高效建设的主要因素，要实现隧道工程的安全高效建设，首先要提高地质预测预报技术水平及其信息化程度。李术才等[8]系统总结了国内外隧道工程修建过程中面临的大变形问题，阐述了地下工程开挖过程中平衡转换的力学机制及支护理念，提出了预防与控制大变形灾害的关键技术与突破点，研发出适用于软弱破碎地质条件的钢格栅混凝土核心筒支护结构体系。李磊等[3]等通过现场观测和数值计算，认为高构造应力、不利岩层产状和低岩体强度是隧道发生大变形的主要诱因，指出对于高地应力大变形隧道，应尽可能在初期支护阶段控制围岩稳定，避免大量残余应力作用于二次衬砌，成为安全隐患。陈鸿等[9]总结了蒙华铁路中条山隧道极复杂地质条件下的施工经验，提出仰拱与下台阶一次爆破成型方法，减少了爆破围岩的二次扰动，能有效控制周边收敛和拱顶沉降。郭小龙等[10]通过实际施工试验，实测分析了普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初期支护接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力，结果表明高地应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力，早强锚杆比普通锚杆轴力更大，可以使隧道洞周位移减小40%。李国良等[11]结合我国铁路隧道建设经验，阐述了挤压性围岩隧道的高地应力条件及挤压性围岩地质特征，提出了挤压性围岩隧道大变形的系统治理技术。李磊等[5]依托成兰铁路茂县隧道，通过现场试验和数值计算研究了挤压性软岩大变形隧道的初期支护钢架选型，认为高地应力软岩隧道宜选用强度较大的钢架作为第1层支护。周宝春[6]通过对柿子园隧道4号横洞工区挤压性围岩大变形的原因分析和施工技术总结，提出大变形处理可通过持续提供支护阻力的结构与足够的预留变形量的有机结合来解决。朱卫东[12]通过数值模拟和现场施工，分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素，得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期、临时支护形式。刘招伟等[13]依托蒙华重载铁路部分隧道，针对传统台阶法施工时的各种缺点，提出台阶法(带仰拱)一次开挖施工技术，认为该方案能较好地解决软岩隧道步距超标、变形侵限等问题。

目前大多基于单一支护手段开展研究，但高地应力软岩隧道大变形控制是一项系统工程，单一支护手段难以全面发挥作用。本文根据丽香、成兰、玉磨铁路近10座高地应力软岩隧道施工及大变形控制经验，阐述大变形隧道变形特征及变形机制，结合工程实测数据介绍了多种高地应力软岩大变形隧道的施工控制关键技术及其复合控制效果。

1 案例隧道工程概况

1.1 大变形隧道所属线路简介

丽香铁路为国铁Ⅰ级单线铁路，设计时速140 km，全长139.7 km，位于云南省西北部，南起大丽铁路丽江车站，向北跨越金沙江，经小中甸至香格里拉。全线新建隧道共20座，总长92.5 km，隧线比高达68%。第4标段共27.5 km，该标段含3座高地应力软岩隧道(白岩子隧道、长坪隧道、圆宝山隧道)。

玉磨铁路为国铁Ⅰ级双线铁路(客货共线)，设计时速为160 km，全长507.4 km，由昆玉铁路的玉溪站起至中老(挝)边境磨憨。王岗山隧道隧址位于云南普洱墨江县境内。

成兰铁路为国铁Ⅰ级双线铁路(客货共线)，设计时速200 km，总长573 km。铁路起于成都，经茂县、松潘县、九寨沟县后，抵甘肃郎木寺与西成铁路共线。云屯堡隧道隧址位于松潘县岷江乡至松潘县青云乡之间。

大变形隧道地质情况如表1所示。

表1 大变形隧道地质情况

1.2 隧道大变形分级与初始设计支护参数

根据以往的工程经验，结合专家意见以及现场工程地质条件、地下水发育情况，参考国际通用的强度应力比指标，可将高地应力软岩隧道大变形分为一般、严重、极严重3级。分级标准见表2。关于高地应力的概念，目前国内外仍无明确定义，我国主流观点认为地应力大于20 MPa即为高地应力[14]，也有学者认为高二次应力与动力扰动单独或联合作用产生的诱发高地应力也是高地应力的一种[15]。

目前，各设计单位针对大变形隧道的基本支护参数选取并不统一，结合丽香、成兰、玉磨铁路的实际情况，单、双线隧道对应大变形等级下的初始设计支护参数与施工工法分别如表3和表4所示。

表2 大变形分级标准

表4 不同变形等级对应的单线隧道施工工法

按表2强度应力比分级标准，对案例隧道大变形分级。长坪隧道围岩岩性软，围岩强度低，直接测试获取围岩强度难度较大，且精度难以保证。经过多种方法比选，最终采用钻孔剪切仪(rock borehole shear test)进行围岩原位强度测试，如图1所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

长坪隧道测点位于DK61+285。结果显示，测点原位强度内聚力为212 kPa左右，内摩擦角为17°左右。根据摩尔-库仑强度理论推算，围岩单轴抗压强度为573 kPa。

该处还采用传统水压致裂法进行了地应力测试，如图2所示，初步判断洞身附近最大水平主应力为17.51～29.44 MPa，最大水平主应力随埋深的增加而逐步增大。

根据实测围岩强度与原岩地应力数据，计算强度应力比后得到数值为0.019～0.032。由此，可以确定长坪隧道为极严重大变形隧道。同样的方法应用于表1其他4座隧道后，均判定为极严重大变形隧道。

(a)

(b)

2 初始设计支护参数条件下隧道大变形特征

1)水平收敛累计变形较大。根据丽香铁路施工数据，隧道施工期间变形以水平收敛为主，拱顶沉降相对较小。以白岩子隧道DK62+195为例，施工期间(仅30 d)隧道最大收敛值达363 mm，远远大于隧道拱顶沉降。监测情况见图3。

图3 白岩子隧道DK62+195断面监测数据

2)应力释放快且变形速率大。因软岩开挖后应力释放快，自稳能力急剧下降，导致围岩对初期支护的侧压力急剧增加。当侧压力超过初期支护的承载能力时，初期支护出现变形，自稳内应力重新分布并使自稳内应力圈半径不断扩大，从而加剧了变形量的扩大。

白岩子围岩—初期支护接触压力监测数据如图4所示。初始地应力测试值为16.11～27.79 MPa，围岩—初期支护接触压力初始值最大仅0.873 MPa，6 h后地应力再次测试值为12.33～16.57 MPa，围岩—初期支护接触压力最大值快速升至1.79 MPa，说明开挖后地应力快速释放。

图4 白岩子隧道进口段DK62+564断面围岩—初期支护接触压力监测数据对比(6 h间隔)(单位： MPa)

根据隧道监测结果，开挖期间隧道变形速率较大，白岩子隧道进口段最大收敛速率达70.3 mm/d，最大沉降速率达16.7 mm/d，如图5所示； 长坪隧道最大收敛速率达58 mm/d，最大沉降速率达14.6 mm/d，如图6所示。

图5 白岩子隧道最大沉降、收敛速率

3)变形时间长且扰动范围广。王岗山隧道监测历时5个月，收敛变形还未稳定，如图7所示； 云屯堡隧道监测历时4个月，收敛变形才出现稳定趋势，如图8所示。

图6 长坪隧道最大沉降、收敛速率

图7 王岗山隧道DK157+430断面变形监测(2017年)

图8 云屯堡隧道DK225+500断面变形监测(2019年)

为确定隧道开挖的扰动范围，对云屯堡隧道7#横洞处正洞进行松动圈测定，结果表明，7#横洞处正洞松动圈深度为12～15 m，如图9所示。松动圈主要是由于上台阶开挖破坏了隧道原岩应力平衡，进而原岩应力释放而出现的。松动圈的形成与后续工序扰动、岩层结构、围岩流变及塌方等影响因素有关。

图9 云屯堡隧道7#横洞处正洞围岩松动圈

3 高地应力软岩隧道大变形强化控制技术

传统的隧道支护手段对大变形起到了一定的效果，但往往不足以长期抑制隧道变形，在此基础上还必须采取优化衬砌断面尺寸、设置双层初期支护、适时施作二次衬砌等方法强化控制效果。

3.1 优化衬砌断面尺寸

对于水平构造应力占优势的高地应力环境，通过增大边墙曲率，加深仰拱，极严重时可采用圆形断面(如图10所示)，可以明显改善隧道结构受力，减小拱肩等部分的应力集中，从而有效控制隧道边墙收敛。

3.2 设置双层初期支护

上台阶开挖后及时施作短锚杆，控制开挖变形及松动圈发展； 下台阶开挖后，再施作长锚杆，长锚杆以打穿松动圈外1 m以上为宜。

(a) 原设计

第1、2次支护均为钢架+喷混凝土，2次支护不能同时施作，第2次支护必须在第1次支护仰拱封闭后施作。隧道支护断面如图11所示。

图11 隧道支护断面图

3.3 初期支护仰拱及时封闭

通过分析近10座长、短大变形隧道的施工经验认为： 快速施工初期支护仰拱，控制初期支护仰拱与掌子面距离<20 m(如图12所示)，能够明显起到抑制收敛的作用，应在施工组织允许的前提下积极实施。特别是对台阶法施工的隧道而言，实施越早临时横向锁脚系统的负担越小，前期整体沉降也随之减小。

图12 仰拱封闭示意图

3.4 适时施作二次衬砌

初期支护变形基本稳定后才能施作二次衬砌，否则可能使其受力过大而导致开裂。单线隧道二次衬砌施作时机见表5。

表5 单线隧道二次衬砌施作时机

双线隧道二次衬砌施作时机需根据监测数据分析而定，但二次衬砌施作时距离掌子面的距离不宜大于70 m，这样可有助于控制大变形的发展。

3.5 工程应用

3.5.1 白岩子单线隧道

3.5.1.1 大变形控制措施

1)强化锚杆施工。4.5 m以内短锚杆釆用药包锚杆； 6 m以上长锚杆采用中空锚杆； 塌孔、缩孔地段采用自进式锚杆。变形发展迅速的严重变形段，利用短锚杆施作便捷、快速的特点，用于初期变形控制，为长锚杆施作创造时机，同时长短交错结合形成群锚效应。

2)优化施工措施及工艺。施工中根据围岩破碎情况局部调整间距，保持锚杆总数不变。锁脚锚管法向施工(无倾角)，并采用快凝浆液或药包快速锚固，在变形至10 cm以上时，适时对围岩进行补强注浆，加固围岩； 采用双层支护共同抵抗围岩应力，以达到控制变形的目的。

3)加强工法配套。尽可能减少开挖分部、钢架接头等工序衔接薄弱环节，初期支护尽快封闭。采用两台阶法施工，上台阶施工完成后及时施作临时仰拱，下台阶与仰拱同时开挖，仰拱与下台阶初期支护一起施作。

3.5.1.2 大变形控制效果

采用上述措施后，正洞收敛变形基本在25 cm以内，最大收敛值22.3 cm，如表6所示。

表6 白岩子隧道不同断面变形量和变形速率统计

3.5.2 云屯堡双线隧道

3.5.2.1 大变形控制措施

1)加强初期支护。初期支护全环设置双层HW200型钢拱架，钢架间距0.6 m/榀，提高了支护结构刚度，控制了掌子面后方变形。

2)长短锚杆结合。拱部设置6 m长φ25中空锚杆，边墙设置10 m长φ32自进式锚杆，仰拱设置5 m长φ25中空锚杆，间距0.8 m×1.2 m(环×纵)，呈梅花形布置，如图13所示。

3)径向注浆。拱墙采用5 m长φ42钢花管径向注浆，间距1.0 m×1.2 m(环×纵)，梅花形布置。注浆采用水泥浆，注浆压力0.5～1.0 MPa。

4)短台阶快速成环。短台阶开挖法以三台阶为基本模式。上台阶长度控制在5 m以内，中下台阶长度控制在10 m之内，初期支护封闭成环距离掌子面控制在18 m以内。各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进。

图13 云屯堡隧道锚杆施作效果

严重大变形地段，开挖后围岩自稳能力差，因此要严格控制开挖进尺。上台阶每循环开挖进尺不得大于0.6 m，中、下台阶每循环开挖进尺不得大于1.8 m，开挖后及时进行喷锚支护。仰拱距掌子面的距离控制在18 m以内。仰拱开挖时一次开挖3 m，开挖后及时支护封闭成环。开挖2个循环之后，施作仰拱。

3.5.2.2 大变形控制效果

监控量测数据显示，通过采取以上措施，取得了良好的变形控制效果。

以D6K234+314断面为例，拆除初期支护后拱顶累计沉降值为79.4 mm，上台阶周边累计收敛值为61.3 mm，下台阶周边累计收敛值为81.9 mm，变形得到有效控制。D5K225+681断面监测结果也显示，拱顶累计沉降值为61.5 mm，上台阶周边累计收敛值为48.6 mm，中台阶周边累计收敛值为49.2 mm，下台阶周边累计收敛值为43.5 mm，较好地控制了软岩大变形。

4 结论与建议

通过对高地应力软岩铁路隧道大变形控制技术的研究和工程应用，取得了一定成效，总结形成了以下结论：

1)预留变形量是避免发生大变形后初期支护侵限的重要基础。

2)对于水平构造应力占优势的单线隧道，增大边墙曲率可有效控制隧道边墙收敛。

3)初期支护刚度的提高是控制高地应力软岩隧道大变形的又一关键因素，2次支护与长短锚杆共同支护可有效提高初期支护刚度，减小围岩变形。

4)快速施工仰拱，控制仰拱与掌子面距离 <20 m可有效控制大变形。

5)二次衬砌的适时施作可以尽快地为初期支护的变形提供支撑力，避免初期支护的延续变形进而侵限二次衬砌空间，二次衬砌的施作时机以既能控制初期支护变形又可以避免后期二次衬砌混凝土因受荷过大而开裂为宜。

对于大变形的研究还有许多问题值得进一步深入思考，建议从以下2个方向入手：

1)开挖方法对松动圈发展的影响。针对单线隧道、双线隧道不同台阶开挖长度的松动圈分别进行试验，由此确定开挖方法与松动圈发展范围之间的关系，进而确定较为合适的锚杆长度。

2)钢管混凝土拱架在隧道大变形控制中的应用。钢管混凝土拱架为圆柱状外形，是最合理的截面形状，具有刚度大、强度高、支护能力强而且无异向性、不易扭曲变形的特点，在矿建工程中时有应用，对控制大变形有较好的应用前景。可以针对不同断面尺寸进行钢管混凝土拱架初期支护试验，通过对实测数据分析为下一步应用提供依据。