软岩隧道施工中高地应力处治技术

何玉鑫

（济南齐鲁建设项目管理有限责任公司，山东济南250000）

0 引言

随着交通建设的快速发展，公路隧道建设大量增加。在隧道建设过程中，不良地质情况日益增多，如断层、高地应力、岩溶及高突涌水等。受不良地质条件影响，增大了隧道施工难度，由此引发的安全风险也在不断增大，对工程的整体工期造成较大的影响。不良地质对隧道施工主要造成以下难点：

一是控制全线工期，控制全线工期的往往是一座或两座复杂的重难点隧道，主要原因是遇到特殊的复杂地质条件，技术储备不足；

二是安全事故多，公路建设的安全事故主要集中在隧道，主要安全事故为塌方、突泥突水等；

三是特殊地质条件施工难度大，我国幅员辽阔，地质复杂，如高压富水断层、宽张裂隙、硬质破碎岩等特殊地质条件，此类隧道施工现场存在较大的安全风险，施工难度也进一步增大。

1 工程概况

隧道位于山东省，为双线单洞隧道，隧道总长为1340m，隧道的埋深约为200～300m。其中第四系全新统坡积砂质粉土、碎石土，二叠系下统灰岩夹砂岩、泥盆系中统灰岩、石炭系中上统灰岩、志留系中上统硅质岩夹板岩、泥盆系上统灰岩夹板岩为隧道洞身主要通过的地层。该隧道的特点如下：

其一，该隧道存在软弱围岩，并且隧道应力集中系数（围岩强度应力比）为2.65，存在高地应力。

其二，隧道通过区位于泰山山脉褶皱系，地质构造较为复杂，岩层产状较乱，地层好坏交替，地质环境随时出现变动。

其三，地下水丰富，隧道内反坡抽排水工程是该工程项目技术与安全的重要问题之一。

其四，围岩在受力产生较大变形情况下对高地应力软岩进行施工，全隧道共计发生初支侵限拆换拱200m，仰拱隆起段落260m。

其五，在隧道围岩所受的压力中，形变压力所占的比例最大，是主要的压力形式。其所承受的最大压力为0.546MPa，整个隧道所承受的平均压力为0.245MPa，隧道二次衬砌所产生接触平均压力为0.203MPa，其中隧道围岩内最大接触压力为0.476MPa。经过模拟分析在隧道围岩所承受的压力中接触压力占据78.65%，施工难度大[1]。

2 软弱围岩和高地应力的特点

2.1 软弱围岩

软弱围岩是一种遇水极易软化且力学性能较低的岩石，因此在高地应力作用下极易发生较大的形变。其主要表现在隧道施工过程中，隧道所承受的应力分布发生改变，并产生松动圈。如果在施工过程中不对其进行保护，则极易产生塌方等安全事故。

2.2 高地应力

地应力也称岩体的初始应力，它是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，其由两部分组成：

其一，岩体自身的重力所引起的应力；

其二，由邻近地块/岩体传递来的构造应力。因此岩体所受的应力较为复杂。地应力分级按3 级考虑：强度应力比≤3 为高地应力，3＜强度应力比≤7 为中地应力，强度应力比＞7 为低地应力。高地应力是由于应力集中所产生的岩块破坏现象，应力集中系数（围岩强度应力比）通常在2～3 之间。考虑洞壁实际处于二向应力状态，强度会有所提高，取3 较为合适。由于软弱围岩本身的性质，当其所承受复杂应力或者高地应力作用时，极易出现较大的变形，而发生塌方等隧道安全事故。高地应力软岩隧道大变形具有三个特征：变形量大；变形速率快；变形持续时间长[2]。

3 高地应力软岩施工的处治技术

3.1 长锚杆加固围岩

通过提高施加在软弱围岩上的加固力度，形成较厚的围岩加固圈，减少围压对支护衬砌结构的作用力，控制围岩松弛变形范围。

3.2 加强初期支护

高地应力软岩隧道与一般隧道相比较，初期支护应具有更高的强度，使围岩处于较高支护力作用下的变形过程中，实现围岩发生可控的变形，塑性圈处于可控的发展过程中，起到卸压和深处转移二次应力的作用。

3.3 隧底加固

基脚下沉基底鼓起等现象经常发生于大变形隧道之中，为了避免此现象，可通过底部注浆等手段加固基底的方法，或者通过改变拱曲率，加强锚杆，增加仰拱强度进而能够保障支护系统稳定[3]。

3.4 柔性支护，合理预留变形量

采用波纹钢带及可伸缩钢架等柔性支护，可较大幅度地释放地应力，减少作用在二次衬砌上的地应力，有利于隧道结构。与此同时，为了避免由于变形后的初期支护侵入二次模筑混凝土衬砌净空，在隧道挖掘前务必预留适当的变形量[4]。

3.5 拱脚稳定性控制

通过大量案例可知：保证拱脚的稳定性，对于维护初期支护体系的稳定性起着较大的作用。使用锁脚锚杆（管）或扩大拱脚等，并以4 根4～6m 长为主，视地质情况选用锁脚锚管并进行注浆。

3.6 调整施工方法

在施工中，及时闭合支护是稳定围岩、减小其发生变形的较好的方法。因此，在高地应力软岩隧道施工过程中，应选取较为简单的施工方法，避免因施工方法过于复杂导致支护闭合不及时。由于台阶法具有较强的稳定性、灵活性，且施工简单，因此是大变形隧道挖掘的主要施工方法。

3.7 增设缓冲层

在初支两侧拱腰及边墙处设置缓冲层，材料采用高密度泡沫板，使围岩应力释放变形时，先让缓冲层均匀受力，避免应力直接作用在初期支护结构上，起到延缓初期支护受力时间的作用，减少初支收敛变形和对初支的直接破坏。

3.8 设置循环应力释放窗口

在高地应力隧道变形最大的边墙段循环间隔设置应力释放窗口（本循环设置，下一循环不设置，再下一循环设置，如此往复），应力释放窗口处初期支护成环前不喷混凝土，初期支护成环后，再用喷射混凝土封闭。

3.9 掌子面变形及稳定性控制

隧道中挤压型变形主要发生在掌子面中，掌子面的变形引起隧道围岩变形，因此抑制掌子面的变形十分重要。经过测试发现：超前支护法可以有效地抑制掌子面形变，进而可以减小围岩的形变，达到控制隧道稳定的目的。

3.10 软岩大变形施工处理技术

其一，三台阶法开挖方式：上台阶长度控制在6m以内，上台阶高4.5m，必须预留核心土，核心土长度以3～4m 为宜。

其二，及时封闭掌子面：先初喷混凝土封面、钢架，复喷喷混凝土后，再在核心土后施作系统锚杆和锁脚锚杆。

其三，建立整体支护系统：超前支护、系统锚杆、拱脚稳定、喷层与钢架密实性、钢架间环向及纵向连接。

其四，单层支护+补强措施：单层支护采用大刚度支护体系，初期支护采用H175、J20、J25 等钢架锚喷网联合支护并加强钢架的纵向连接；控制初支强度及刚度，变形不稳定时适时施作支护补强。

其五，二衬施作时机研究：软岩双线隧道二次衬砌采用2mm/d 作为二衬施作时机。

4 结论

本文以隧道为例，介绍高地应力软岩施工的处治技术，得到以下结论：

一是高地应力软岩施工处治技术可通过9 种方式控制：长锚杆加固围岩、加强初期支护、隧底加固、柔性支护、拱脚稳定性控制、支护及时闭合、增设缓冲层、设置循环应力释放窗口及采取超前支护。

二是软岩大变形施工处理技术有：三台阶法开挖时，上台阶长度控制在6m 以内，上台阶高4.5m，必须预留核心土，核心土长度以3～4m 为宜；要及时封闭掌子面；建立整体支护系统，并采取单层支护+补强措施；软岩双线隧道二次衬砌采用2m/d 作为二衬施作时机较为合理。

三是该隧道通过以上处治技术，竣工验收合格。表明以上方法可有效确保软岩隧道的施工质量。