青云山隧道软弱围岩大变形控制技术研究

王印 WANG Yin

（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

我国幅员辽阔，山地众多，其中山地面积达国土面积的2/3以上，随着山岭地区道路建设的不断拓展，铁路、公路等深埋、特长隧道不断涌现，特长隧道往往会穿越各种复杂特殊的地质、地貌和构造单元。使得隧道修筑过程中会遇到破碎带、高地应力、软弱大变形、岩爆等系列不良地质难题。时常出现因不良地质导致隧道修筑时产生巨大经济损失和安全生产事故，严重影响了施工效率与施工安全。因此，复杂地质条件下隧道安全、快速施工技术研究得到了越来越多的重视。本文对青云山隧道高地应力软弱围岩大变形的施工控制及施工技术对类似隧道施工具有较好的指导价值。

1 工程概况

武深高速公路青云山隧道位于广东省韶关市翁源县及河源市连平县分水岭青云山山脉，设计为分离式隧道，洞室净空14.75×5.0m，起讫桩号左线ZK344+700～ZK350+610，长5910m；右线YK344+645～YK350+655，长6010m，呈132°方向展布；隧道最大埋深约808m。设斜井一座，斜井与线路交于ZK348+981处，并贯通至右线YK348+962.4处。隧址区水文地质条件差，围岩主要为砂岩、泥岩及页岩等岩性，围岩节理裂隙发育，岩层复杂多变，围岩完整性较差；而区内地表水径流较好，隧址区褶皱较发育，不同类型的结构面发育，具较强的透水性，地表水顺各结构面渗入地下，成为丰富的地下水水源，使得隧道区地下水较为发育。

2 软岩大变形概况

当从斜井向大里程方向施工至ZK349+350处时，发现里程ZK349+260～+320段隧道变形收敛速率过大，立即加强了监控量测，第3天初支变形加剧，且部分地段喷砼开始出裂缝。为了确保安全，人员及机具后退至安全地段。第7日时，裂缝增加及扩大，局部出现喷砼掉块。ZK349+285～+305段钢拱架也变形扭曲，如图1所示。经持续观测，于第12日，变形收敛趋于稳定。

图1 软岩初支大变形现场照片

3 变形破坏程度及原因研究

3.1 变形破坏

变形趋稳后，工程技术人员进行了详细勘查。超量变形沿隧道全断面均有发生，但主要发生在两侧拱腰及拱顶部位。局部的变形收敛已严重超限。两侧拱腰向内收敛以39～92cm为主。拱顶下沉以38～61cm为主，隧底隆起25～51cm为主。经统计，变形超限及扭曲破坏的钢拱架为56榀，需更换。喷砼完全破坏面积约为890m。变形地段围岩的地下水发育，掌子面及初支裂缝可见地下水呈雨淋状和线状流出。

3.2 围岩变形原因分析

经对掌子面揭示的围岩进行了勘察及土工试验。测试所得隧道围岩抗压强度为19.3MPa，而平均地应力值为5.78MPa。围岩的强度应力比R/σ为3.3，按相关规范的定义，围岩强度应力比＜4时，隧道围岩为中等变形压力状况。表明围岩本身自稳能力较差，当围岩开挖后，可能产生较大位移变形，且持续位移变形的时间较长。

变形段的围岩为软弱围岩，岩体节理较发育、破碎，结构面结合程度差。且该区地下水发育，地下水使围岩软化变形，结合力降低。在地应力的作用下，围岩出现大变形。基于地质勘察而进行设计的原初支参数，受地质勘察的局限性，不足以的承受及限制围岩的变形，故产生以上的初支变形情况。

4 隧道围岩变形段采取的技术控制措施

4.1 处理技术方案

根据对现场围岩情况及变形特点评估后续变形发展。经专家研究决定，对产生变形的隧道段采取如下的处理及加固措施。

①对于初支超限地段，先采用ϕ25中空注浆锚杆进行注浆加固，以提高围岩的抗变形和自稳能力，避免在整治过程中再出现大变形或坍塌现象。锚杆长度为6m，按间距为1.5m梅花形布设。然后再逐孔将超限的钢拱架和砼喷层拆除，并扩挖围岩，围岩扩挖轮廊较设计加宽40cm（即预留40cm的沉落及变形值）。将原格钢架换成全环I20b钢拱架，且间距由原来的1m减少至0.6m。在拱脚处增设锁脚锚杆，锁脚锚杆采用Φ28自进式锚杆，长度为10m，每处拱脚两侧各设1根，锚杆端头与钢拱架焊接牢固。钢拱架间的环向连接筋采用ϕ20螺纹钢。喷砼中设双层钢筋网，以提高喷砼的抗压、抗折、抗弯及耐冲击性能。②对于尚未超限，但评估可能超限处，也采取与超限地段相同的处理措施，即拆除钢拱架及喷砼、扩挖及加密钢拱架等措施。③ZK349＋230～＋350的其余段落均全环采用ϕ25中空注浆锚杆进行注浆加固，锚杆长度为5m，按间距为1.5m梅花形布设。

4.2 技术效果

大变形段处理完毕后，进行了加强监控量测。第20d的各类变形速率在0.15～0.05mm/d范围内，表明经处理后，围岩变形已趋于稳定，采用的处理措施合理可靠。变形稳定后，测得拱顶沉降最大值为21.5cm，通常为10～16cm；水平收敛最大值为26.7cm，通常为9～19cm；隧底隆起最大值为13.1cm，通常为6.0～10.0cm。

5 后续掘进时控制变形的主要措施

本项目结合现场地质情况、变形特征及类似工程经验，总体上采取了柔性支护技术。即在加强初支及衬砌的抗变形强度、刚度的同时，还允许初支、衬砌能够产生适当变形而能保持结构完好的思路，在确保加固效果的同时达到减少投入的目的。

5.1 选择合理的开挖方式

隧道大变形地段后续开挖采用三台阶七步开挖法（如图2所示），该法以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。其具有下列技术特点：①施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或破碎围岩地段可采用挖掘机直接开挖，工效较高。②在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。③适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。④在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。⑤当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

图2 预留核心土三台阶七步法示意

5.2 超前导洞释放变形及应力

设置开挖超前于掌子面的导洞进行变形及应力的提前释放，达到减少初支承受的变形及地应力。本项目导洞设于掌子面的中部偏上位置。导洞采用圆形形状，以利于自身的稳定。导洞半径为3.0m。试验表明导洞超前掌子面掘进10d以上时，释放变形及地应力的效果最佳，故导洞较掌子面超前30m以上，从而能够保持掘进时差为10d以上。

为了避免导洞在变形及地应力的作用下坍塌，引起后续施工困难，导洞设置径向ϕ22锚杆（长度为3.0m，按间距1.3m梅花形布设）及10cm喷砼进行支护。

经对比测试，本项目的超前导洞能够提前释放变形为18%～27%，有效减轻初支承受的变形压力。

图3 超前导坑设置示意图

5.3 设置小导管超前支护

在隧道拱顶150°范围内设置5m长的ϕ42超前小导管，小导管以2～3°外插，小导管搭设1.0m，压注水泥浆液。

5.4 加强围岩的抗变形能力

5.4.1 设置自进式中空锚杆

研究表明，高地应力软弱围岩在变形后，在围岩内沿着隧道形成环向的塑性和剪切滑移区（相当于破碎圈）。本项目采用ANSYS有限元计算软件，研究了青云山隧道在高地应力、水压下的塑性和剪切滑移区。计算出塑性和剪切滑移区厚度为3.2～4.1m范围内。原初支的锚杆长度为3.5m，锚杆穿过破碎圈后没能在稳固基岩上有足够的锚固长度，或是根本没能穿过破碎圈。故原锚杆对于控制围岩的变形起不了作用，导致围岩出大变形。故本项目采用了ϕ25mm自进式中空长锚杆加固围岩。根据具体情况，锚杆选用长度为6m、7m、8m。长锚杆布设间距为1.2m。

5.4.2 对破碎圈采取小导管注浆加固

围岩大变形后在隧道周边形成了破碎圈，破碎围岩间生成的裂缝形成了地下水的通道，软弱围岩在地下水的软化下，进一步加剧了变形，恶化了病害。本项目采取在隧道洞身按间距为3.5m梅花型布设长度为4.0m注浆小管，对破碎圈实施注浆加固，避免了变形的进一步发展。相关文献表明，隧道周边小导管注浆对于控制围岩变形的效果非常明显，但对注浆时机有要求。当注浆过早时，围岩内尚未形成裂缝，浆液无法压入，起不到效果。注浆过晚，则围岩变形已过大，可能已导致初支形成破坏。研究表明，在隧道水平收敛处于180～230mm时进行小导管注浆，可获得较佳的变形控制效果。软岩变形段隧道初期支护设计如图4所示。

图4 软岩变形段隧道初期支护设计

5.4.3 采用大刚度钢拱架和可伸缩钢拱架

变形段采用大刚度的I22a工字钢拱架，且间距由通常的1.0m减至0.6m，拱架间设置ϕ18mm纵向连接筋，喷砼中设置双层钢筋网，喷砼厚度也从原25cm增至28cm。

在掘进至隧道最大埋深段（ZK349+830～+960）时，地应力较大，钢拱架受挤压变形很大，常导致I22a工字钢拱架因变形过大而扭曲失效。该段钢拱架采用了U29型钢架，U29型钢架为可伸缩钢架，能够适应围岩的较大变形而不出现扭曲失效现象，是柔性支护技术体现。

5.4.4 增设锁脚锚管

锁脚锚管对称设置在台阶的大拱脚处、边墙脚往上30cm钢架上，每侧1根，端部与钢管焊牢。锁脚锚管采用ϕ42钢管制作，长度为8m，向下倾角为10～15°，并压注水泥浆，注浆压力≮2MPa。

5.4.5 采用预应力锚索控制大变形

在隧道最大埋深段（ZK349+830～+960），因地应力过大，采以上述技术方案进行了围岩变形控制，但是变形值还是难以控制在目标值内，特别是两侧拱腰的变形值较大。本项目运用预应力锚索进行拱腰处变形的控制。分别在两侧拱腰设置3层6S15.2预应力锚索，层距为2m，沿隧道纵向间距为2m，锚索施加500kN的预应力。

5.4.6 提高围岩预留变形量

为了避免后期变形量过大，使变形后的初支侵入模注衬砌空间内，将预留的边墙变形量增大至30～40cm，拱顶20～25cm，隧底15～20cm。

5.4.7 玻璃纤维锚杆封闭掌子面

为了确保施工安全，避免掌子面围岩坍塌，开挖后的掌子面采用易于切割的玻璃纤维锚杆进行加固，以利于后续掘进。玻璃纤维锚杆间距1.2m，梅花形布置，长度为3.5m，并喷射8cm混凝土封闭掌子面。

5.5 提高模注混凝土衬砌承载刚度

采用ANSYS有限元计算软件进行了围岩变形对初支及衬砌产生的弯矩进行了研究（如图5所示）。

图5 软弱围岩使衬砌产生的弯矩（单位：N·m）

根据荷载数据，对衬砌进行了重新设计，厚度由原设计45cm增厚至60cm。且衬砌砼的配筋率也由原来的15%提高至19%，并在砼中添加2%的钢纤维。为了达到有效抑制围岩的变形，衬砌在围岩变形尚未完全稳定前即完成二衬浇筑。

6 变形控制效果

本项目对大变形区段加强了监控量测，表1为隧道3个典型断面在达到按规范判定为变形稳定状态时所经历的时长，及累计变形量。

表1 典型断面稳定后变形量及时长表

从表中可看出，断面ZK349+950出现拱顶最大累计下沉量239mm；断面ZK349+830出现最大水平收敛累计297mm。上述两个数据均在可控范围内。

随后的监控量测表明，隧道没有出现初支变形破坏及侵限现象。表明，采取的围岩变形控制及支护措施科学合理，有效控制了隧道围岩的变形，变形预留量也设置合理。

7 结束语

青云山隧道高地应力软弱围岩段的地质条件复杂、工程环境恶劣，施工风险高。通过科学研究、科技攻关及严格施工，取得了复杂地质环境下隧道软弱大变形围岩施工的系列成果，如转换施工工序、注浆加固破碎图、设置超前导洞、设置预应力锚索、运用可伸缩拱架等，有效控制了本项目隧道围岩大变形的施工难题，为国内类似工程的施工提供参考借鉴。