云屯堡隧道围岩变形特性与预防控制措施研究

陈 燕

(四川省交通建设集团股份有限公司 成都 100024)

公路隧道、水工隧道及其他地下工程的围岩变形常会导致各种地质灾害[1]。隧道围岩大变形在国内外隧道建设过程中已屡见不鲜，国外的阿尔贝格公路隧道、陶恩公路隧道、辛普伦隧道等在修建的过程中均出现过围岩大变形，严重影响了隧道施工的安全。国内南昆铁路的家竹箐隧道，拱顶最大沉降240 cm，边墙内移80 cm，底鼓80～100 cm；鹧鸪山公路隧道修建过程中最大沉降已达300 mm；十漫高速公路火车岭隧道最大水平收敛值达到120 cm，拱顶沉降值达到160 cm[2]。大量工程实践表明，隧道围岩出现大变形问题，不仅治理费用高，影响工程进度，而且对隧道的安全施工造成极大威胁[3-6]。

云屯堡隧道是成兰铁路重点控制性工程之一，全长22.932 km，该隧道地处龙门山断裂带、西秦岭断裂带、岷江断裂带构成的A形断块中，其区位示意见图1。

图1 云屯堡隧道区位

该区域地质具有“四极三高五复杂”的显著特征，即地形切割极为强裂，构造条件极为复杂活跃，岩性条件极为软弱破碎，汶川地震效应极为显著；高地壳应力，高地震裂度，高地质灾害风险；复杂的构造运动历史、复杂的构造形迹、复杂多变的复理岩建造、复杂的地应力环境、复杂的地下水条件。因此该隧道施工过程中极有可能出现围岩严重变形，进而出现坍方、大面积二次扩挖等次生地质灾害[7-8]，有必要对该隧道的变形机理及预防对策进行研究，确保隧道施工阶段安全生产。

1 云屯堡隧道工程地质概况

云屯堡隧道位地处岷江活动断裂带被动盘上，基本与之平行，相距0.5～3.5 km，附近发育雪山、虎牙活动断裂。洞身穿越1条断层，17条褶皱，震区加速度0.3g。

采用地质测绘、钻探、物探、岩样测试等手段确定岩性本隧均为三叠系地层，其中1、2横工区为杂谷脑组砂岩、板岩、千枚岩；3～7横为新都桥组和侏倭组千枚岩、砂岩地层，千枚岩与砂岩互层，千枚岩占比变化频繁，岩质软。隧道地质纵断面见图2。

该区域地表水主要为岷江水系，隧道布线于岷江与大姓沟之间，至3号横洞以后，隧道拱部低于大姓沟底，隧道区域地表水系见图3。地下水为基岩裂隙水、构造裂隙水，构造、褶皱核部地下水发育，预估涌水量50 000 m3/d。

图3 隧道区域地表水系分布图

隧道围岩分级以地质测绘、地层岩性、钻探资料、物探成果为依据，同时结合隧道埋深和地形、构造、地下水分布情况确定，隧道区间具体围岩分级情况及段落划分见表1。

表1 围岩分级

在隧道初步设计阶段，未测试隧道构造地应力，施工期间在5、6号横洞之间进行了1次深孔钻探和地应力试验，测得最大水平主应力15 MPa，最小水平主应力10 MPa，估算垂向主应力约为12 MPa。

2 隧道围岩变形段落预测及加固设计

2.1 隧道围岩变形段落预测

隧道围岩在预测其变形等级时需结合云屯堡隧道具体情况、周边类似工程情况综合考虑。根据我国现行规范以及相关参考文献，隧道围岩大变形等级划分标准见表2。围岩强度通常采用岩石单轴饱和抗压强度推测，查阅有关文献，云屯堡隧道围岩强度换算系数见表3。

表2 隧道围岩大变形分级标准

表3 地质构造对岩体强度影响程度表

按照云屯堡隧道围岩强度推测值，以及施工阶段实测地应力比值大小，将本隧道软岩大变形分为轻微、中等及严重3个等级。隧道正洞预测发生变形洞段段长2 040 m(中等变形洞段计8段共1 640 m，轻微变形洞段计4段共400 m)，占全隧的18%；预测可能发生大变形洞段计26段长7 012 m，占全隧63%。正洞可能变形及大变形段全长9 052 m，占管段隧道总长的81%。隧道正洞变形预测段落见表4。

表4 隧道正洞软岩变形预测段落

2.2 隧道围岩变形与衬砌设计方案

考虑隧道后期施工阶段围岩稳定和安全，隧道围岩变形洞段需要在原施工图基础上进行专项加固设计。隧道围岩加固一般变形洞段按双线无砟道床一般复合式衬砌进行设计，考虑0.3g震区，IV级围岩采用钢筋混凝土结构。大变形围岩段衬砌的施工工法、支护，以及针对大变形监控量测均采用预设计，根据实际地质情况进行动态调整，按照先试验后推广的原则进行施工。施工图确定大变形段暂按对应段落的V级围岩加强复合式衬砌(断层处按V级抗震衬砌)设计及计列工程数量，预留变形量10～32 cm，明确在施工中按动态管理办法根据实际发生量调整。对可能发生大变形的洞段按相应围岩等级一般衬砌结构进行设计，如发生大变形，根据变形等级进行相应专项设计处理[9-10]。

针对隧道围岩不同的变形情况，分别采取不同的设计方案，其中无变形洞段2 070 m，按III、IV、V级围岩分类，根据围岩的不同级别，采用与之对应的复合衬砌及相应的支护形式。可能发生大变形洞段段7 012 m，按III、IV、V级围岩分类，衬砌类型与支护方式与无变形段相同。轻微变形洞段400 m，对应大变形洞段I型，其中IV级围岩段采用复合衬砌，V级围岩采用复合加强衬砌，支护形式与之相对应。中等变形洞段1 640 m，对应大变形II型，均为V级围岩，采用V级复合加强衬砌。

隧道围岩变形与衬砌设计采用的III级、IV级、V级复合衬砌、支护措施与大变形I、II、III型衬砌与支护措施参数比较见表5。

表5 隧道围岩变形与衬砌设计与预设计参数

通过表5中隧道围岩变形与衬砌设计参数对比可知，隧道围岩大变形段对变形控制的设计方案，无论是支护方式，衬砌结构形式都进行了加强，加大了预留变形量，增设了纤维锚杆和纤维混凝土，拱墙部位增设了中空锚杆，强化了型钢支撑，增大了衬砌混凝土厚度。

3 隧道围岩施工阶段变形破坏特征及处治措施

3.1 隧道围岩大变形主要破坏形式

云屯堡隧道开工后陆续出现多处围岩严重变形，支护及衬砌破坏现象，现场调查发现，围岩变形破坏主要分布在拱顶、拱腰及两侧边墙，局部大变形严重洞段有底板鼓起等变形破坏迹象，变形破坏集中发生在1标3号、4号横洞施工工点。变形破坏形式表现为掌子面围岩崩解坍塌(即掌子面开挖卸载后在地应力作用下千枚岩层出现崩解溜坍，见图4a))；初支混凝土剥落掉块指由于围岩变形荷载较大，作用于钢拱架和喷混凝土层，导致钢拱架产生变形(见图4b))，喷射混凝土产生开裂剥落掉块、钢拱架变形、底板隆起开裂(见图4c))、二衬开裂(见图4d))等多种变形破坏方式。

图4 隧道围岩大变形破坏形式

3.2 隧道围岩大变形破坏原因分析

在整座隧道中所占比例最大的变形破坏是塑性挤出型变形，尤其以4号横洞工区横洞HD4K0+004-+040、正洞D5K222+375-+528、救援站PD1K222+232-+659.5最为突出。除地应力高，岩体破碎外，导致出现围岩严重大变形的主要原因是该段地层围岩千枚岩和炭质千枚岩的含量较高；另一方面是由于隧顶低于大姓沟底，裂隙水丰富且渗水流量大，导致破碎的千枚岩软化，岩体强度降低，围岩在应力的作用下向洞室开挖临空面产生塑性挤出，且持续变形时间较长。其次由于现场严格按照安全步距管理，导致衬砌施工时，围岩变形并未收敛。

围岩变形导致喷射混凝土开裂，产生型钢拱架膨胀内鼓破坏变形，主要出现在4号横洞小里程方向D5K222+375-400附近，4号横洞HD4K0+004-+040段。分析本段围岩出现中等变形的原因，经岩石取样采用X射线衍射图谱研究，各取样点千枚岩含有一定量的伊利石类矿物，此类矿物虽然远不如蒙脱石膨胀性强，但围岩裂隙若出现渗漏水，亦会出现一定的变形，当预留变形量不足时，会导致喷射混凝土开裂，型钢拱架变形。

围岩变形导致混凝土开裂会导致弯折内鼓型变形，主要出现在DK218+820附近，分析本段围岩出现中等变形的原因，通过选取岩样做声发射推测的构造地应力为14.8 MPa，采用区域地质反演分析，其构造地应力为12.6 MPa，分析围岩岩性为砂岩千枚岩复层，千枚岩只占到12%，由此推测，在洞室开挖形成后，由于围岩卸荷回弹和应力集中使洞壁处的切向压力超过薄层状岩层的抗弯折强度，从而引起围岩的弯折内鼓。

围压变形导致具备出现喷射混凝土开裂掉块产生碎裂松动型变形，主要出现DK218+825-868段，就其变形原因，除地应力较高外，隧道洞室穿越地层构造负责，褶皱发育，揉皱挤压剧烈，导致岩体本身松散，自稳能力有限。当碎裂状岩体开挖后，岩块沿结构面滑移并形成松动圈，导致局部围岩崩解坍塌。

3.3 隧道围岩大变形破坏处治措施

通过对隧道支护、衬砌的破坏调查、分析，针对变形破坏产生的原因，提出隧道围岩大变形处治专项设计阶段的应对措施如下。

1) 重新开展隧区围岩地质详勘和再分析，增加区域地质构造应力测试。

2) 根据详勘地质分析资料，重新评价划分围岩变形等级。

3) 根据变形等级对支护形式与参数，洞型及钢筋混凝土结构进行专项设计。

4) 根据现场开挖揭示的地层岩性及地质构造情况，确定不同变形等级先导试验段，验证设计方案与施工工艺适应性，各变形等级的试验段长不少于30 m。

5) 开展施工期间围岩变形与支护和衬砌的内力监测，分析监测数据，指导施工和优化支护设计。

与施工设计相比较，专门设计增加了预留变形量，在边墙及拱部设置中空锚杆，严重大变形在拱部设树脂锚杆，加大了全环型钢拱架型号，减小间距，衬砌主筋变更加粗至22 mm，严重大变形段仰拱加深，衬砌加厚至55 cm。轻微变形、中等变形，以及严重变形段的专项设计具体应对措施分别见表6、表7和表8。

表6 轻微变形应对措施

表7 中等变形设计措施

表8 严重变形设计措施

本隧道围岩变形控制及衬砌按大变形专项设计方案开展先导试验段以来，除4号横洞小里程方向，出现较大涌水，工作面出现坍方外，仅就严重变形段的变形预留量进行了调整，专项设计基本可行，未出现支护破坏侵空、衬砌结构开裂现象，检测数据显示，结构处于安全状态。

4 论语

本文通过实践研究，发现软岩大变形隧道的建设关键是控制围岩变形。在高地应力环境，软弱围岩的变形是长期的，其变形控制研究自项目立项至运营维护，全过程均有必要开展研究、试验、检测、分析与安全评估。从本项目施工阶段取得的研究成果分析，控制变形的关键技术是采用锚固主动防护，加上强度、刚度足够的双层支护，优化洞形，增加衬砌厚度，实践证明是行之有效的。