高地应力软岩隧道变形控制技术

杨星智， 李葳， 李曙光， 王平安

（1. 中铁二十局集团有限公司 科技创新部，陕西 西安 710016；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 科学技术信息研究所，北京 100081）

1 工程概况

兰新高铁大梁隧道位于青海省门源县境内，施工起讫里程为DK328+807.07—DK335+376.65，全长6 569.6 m，为双线复合式衬砌隧道。隧道地处青藏高原东北麓的祁连山中高山区，平均海拔3 600.0～4 200.0 m，最大埋深780.0 m，洞身段地表起伏明显。

隧道穿越F5 逆冲断层与五牛河脑—托拉沟上游向斜，且南北两侧受断裂切割明显，构造形态不完整性极高。施工揭示的围岩以板岩为主，局部区域夹泥灰岩及砂岩。板岩灰（乳）为白色及青灰色、无光泽、污手，岩质极软，锤击声低沉，无回弹，易捏碎，浸水后可捏成泥团状；全强风化、易水化；褶皱发育，有明显的挠曲现象；岩层层状结构，薄层状发育，泥炭质胶结，结合较差，易分离剥落；节理发育，大部分宽张，泥炭物充填，以石膏、方解石（部分区域厚度达10 cm）等矿物镶嵌，节理面光滑润泽；围岩极其松散、破碎；掌子面极易剥离、挤出和滑移，拱顶张裂塌落（甚至塌方），位移明显，甚至发生大变形，且延续时间长，难以成洞［1］。大梁隧道地质状况见图1。

图1 大梁隧道地质状况

根据大梁隧道各段地应力测试结果显示：隧道发生大变形段落围岩以板岩为主，局部为泥岩；其围岩单轴抗压强度普遍为10.0～40.0 MPa，黏结力为0.3～0.5 MPa，内摩擦角为30°～40°；垂直地应力基本等于上覆岩体自质量应力，最大水平主应力实测最大值为25.1 MPa、最小水平主应力实测最大值为13.8 MPa；其地应力侧压系数为1.4～2.2（均大于1），说明地应力场以水平应力为主导，且水平地应力又以构造应力为主；最大水平主应力与线路交角较大，不利于隧道围岩的稳定；地应力相对板岩、泥岩属于极高地应力［2-4］。

2 大变形特征

大梁隧道大变形属于高地应力引起的软岩隧道变形，其特征主要表现在5个方面：变形速率快、变形量级大、变形延续周期长、支护形式破坏多样和破坏范围广［5-7］。

施工期间曾发现开挖后掌子面存在较大的纵向位移、局部多次滑塌，初期支护钢架局部弯扭、锉断，拱脚常失稳，喷射混凝土大面积开裂、剥落，初期支护大变形及侵限，二次衬砌混凝土开裂、钢筋内鼓和仰拱隆起等现象。典型变形特征见图2、图3。

图2 大梁隧道初期支护开裂、钢架扭曲

图3 大梁隧道斜井底板隆起

经实测，单日最大变形91.6 mm，累计最大变形760.6 mm，变形不收敛时间长达150 d以上。

3 支护方案确定

3.1 假设

针对大梁隧道斜井辅助正洞前期出现初期支护、二次衬砌的变形、侵限失稳等实况，为防止后续再次出现类似问题，确保施工安全，在理论分析基础上结合以往高地应力大变形支护经验，初步确定5种不同的试验支护方案，并利用围岩监控量测及感观手段检查、校核各试验方案的变形控制效果，进而选定合理的支护方案。各试验均采用三台阶临时仰拱法施工，不同试验支护方案见表1，围岩初期支护监测点布置见图4。

表1 大梁隧道不同试验支护方案

图4 大梁隧道围岩初期支护监测点布置

3.2 效果

以上5种不同试验支护方案对现场隧道围岩变形的控制结果见表2。

表2 不同试验支护方案对现场隧道围岩变形的控制结果 mm

由表中监控量测数据和现场观测可以看出：

（1）采用原设计方案支护时，累计最大变形量达689.6 mm，初期支护钢架弯扭严重、锉断，变形显著、侵限，需进行拆换拱施工，且施做的临时二次衬砌开裂，严重危及现场施工安全。

（2）采用试验1方案进行支护时，累计最大变形量达到607.3 mm，其预留变形量仍过小，变形严重、侵限，钢架同样发生弯扭、锉断，仍不能满足现场施工安全。

（3）采用试验2方案进行支护时，隧道拱部下沉值和周边收敛值有大幅度减小趋势。较原设计方案，累计最大沉降量为原最大沉降量的82%，累计平均沉降量为原来的77%；A-A/、B-B/基线的最大收敛量为原最大收敛量的74%；但个别地段的数据仍较大，局部初期支护有突出的现象，说明该方案不能保证隧道正常施工。

（4）采用试验3方案进行支护时，隧道拱部下沉值和周边收敛值均进一步减小。较原设计方案，累计最大沉降量为原最大沉降量的74%，累计平均沉降量为原来的68%；A-A/、B-B/基线的最大收敛量为原最大收敛量的65%；但设计预留变形量仍偏小，且局部地段仍有喷射混凝土开裂、掉块现象，说明该方案基本控制了隧道的大变形，但仍不能较好地保证隧道正常施工。

（5）采用试验4方案进行支护时，隧道拱部下沉值和周边收敛值在试验3的基础上有进一步减小趋势。较原设计方案，累计最大沉降量为原最大沉降量的68%，累计平均沉降量为原来的60%；A-A/、B-B/基线的最大收敛量为原最大收敛量的56%，基本未出现喷射混凝土开裂、剥落现象；说明该方案能较好地控制隧道变形、开裂，可保证隧道正常施工。

3.3 确定

通过上述支护方案试验效果可看出，采用试验4方案控制变形效果显著，可有效克服前期初期支护出现的喷层剥落、钢架扭曲和二次衬砌混凝土开裂、衬砌钢筋内鼓等现象，支护结构变形整体表现为基本收敛特征，变形量可控，说明“初期支护+二次衬砌”联合支护结构型式满足抵抗围岩压力变形的要求。

4 施工关键技术

不同支护方案对控制围岩变形的效果存在较大差异。针对大梁隧道地质和构造复杂多变、初期支护结构左右侧变形不对称的特征，在施工方案选取中，应遵循“宁强勿弱，宁补勿拆”的原则、秉持“岩变我变”的动态施工理念，实现稳中求快［8］；同时，结合“抗放结合，快速成环”的原则，确保尽快整体成环，形成整体受力状态。

为让支护方案更可靠、有效，方案执行时应与部分施工措施结合互补，并强化细节管理［9］。

4.1 主要控制措施

（1）超前预支护。采取加密、加长超前注浆小导管，防止掌子面前方岩体应力释放引起大位移；对掌子面出现不整合面、顺层滑动面时应立即对掌子面喷射混凝土封闭，必要时可增设纵向玻璃纤维锚杆加固；对破碎松散岩体应及时封堵和注浆固结。

（2）严控开挖进尺。大进尺对破碎软弱围岩易产生破坏性扰动，宜采取“机械为主+爆破为辅+人工修补”开挖方法，同时严格循环进尺。

（3）严格控制钢架间距。做好钢架的纵向、环向连接，特别是拱部、节点处等薄弱环节连接，关键部位可采用［18 型钢进行纵向连接，以保证初期支护钢架整体的刚度（见图5）。

图5 ［18型钢的纵向连接

（4）钢架锁脚。常见锁脚锚管与钢架焊接采用“U”型或“L”型钢筋搭接堆焊，但不能满足高地应力条件下限制钢架位移和约束变形。在钢架靠近围岩临空面侧辅以焊接带孔的450.0 mm（长）×250.0 mm（宽）×16.0 mm（厚）钢板，不但可保证锁脚锚管实际施工位置，还可以兼顾分担受力，锁脚锚管加固见图6。

图6 锁脚锚管加固

（5）大拱脚与垫脚。在钢架脚部连接板处采用扩大面积的钢垫板，起增大拱脚底受力面积的作用（见图7）。为防止开挖中、下台阶过程中沉降突变，可在钢架拱脚部位增设斜撑，或向内侧喷射混凝土达到扩大拱脚的作用。

图7 扩大面积的钢垫板

（6）长锚杆、自进式锚杆等和型钢相结合措施（俗称“钢腰带”）。约束塑性区变形，“钢腰带”加固见图8。

图8 “钢腰带”加固

（7）初期支护钢架尽快闭合成环，同时保证钢架成环质量、减小初期支护曲率。对基底有渗水浸泡部位必须采用同级混凝土回填，必要时可在隧底施做锚杆，防止高地应力引起仰拱隆起。

4.2 施工注意事项

（1）高地应力软岩隧道施工时，尽量采用三台阶临时仰拱法，并缩短台阶长度，确保各台阶长度不超过5.0 m。合理调整工序，实现均衡的流水、平行作业施工。

（2）围岩监测点在开挖后及时预埋，并加密测点、提高观测频率；及时分析位移时态曲线，掌握变形规律，发现异常时立即处理；同时，利用量测数据成果及时验证并调整预留变形量。

（3）加强钢筋网片搭接质量，杜绝初期支护背后出现空洞，若存在空洞时应及时埋设φ42 mm 小导管进行注浆，或预留φ108 mm 钢管泵送同级混凝土回填。对掌子面有水段落，应严格埋设盲管进行地下渗水引排，防止浸水破坏初期支护。

（4）局部初期支护沉降、收敛出现突变现象时，若二次衬砌不能及时跟进，可采取双层或多层钢架及时支护保证安全。后续应对侵限部位换拱处理，如多层支护后不侵限，可根据围岩量测结果适时开展二次衬砌。

（5）高地应力软岩隧道的围岩沉降、收敛持续时间长，或长时间不收敛。试验发现，围岩变形速率小于5.0 mm/d 时可二次衬砌，只需适当加大二次衬砌钢筋数量、直径及混凝土厚度等措施提高衬砌刚度，以抵抗残余应力释放。

（6）抓好工序衔接，强化机械化作业能力，缩短单工序施工时间，尽快衬砌成环封闭，以减少岩层的暴露时间。

5 结束语

基于对高地应力软岩大梁隧道施工过程中产生的大变形进行原因分析，结合现场检测及数值模拟，通过支护方案试验对比，改进了现有施工工艺，形成了一套有效的高地应力软岩隧道大变形控制技术，成效明显。同时按照“宁强勿弱、宁补勿拆，抗放结合、快速成环”原则进行施工组织，加强“预支护”工作，加强通过超前地质预报、围岩量测分析等技术指导现场施工，做好锚、注、喷、支相结合的“刚柔并济”一体化支护，使大梁隧道大变形问题得到了有效控制，大大降低了隧道施工现场的安全、质量风险，节约了施工成本，保证了兰新高铁如期开通运营，对后续川藏铁路设计及施工均具有重大指导意义。