复杂软弱围岩低瓦斯隧道大变形综合处置技术研究

李万勇，刘汉明，唐 皓，陈双龙，陈 豪

(四川省交通建设集团股份有限公司市政分公司，四川 成都 610000)

0 前 言

对于隧道围岩大变形的预测是大变形研究和操作中最薄弱的环节，地应力测试困难复杂，参数不易获取[1-3]，而且当前隧道设计对高地应力条件下软弱围岩大变形没有做出比较明确的规定，施工规范也只是指导性的。

长期以来，常采取强刚性支护参数，采用全断面的强支护来达到抑制变形的目的，支护成本较高[4-18]，因此，对于软岩大变形隧道应改变传统的“全断面”治理思维模式，而应该根据全方位的地质面貌与应力变形数据，开展针对性的、选择性的强支处理措施，在满足大变形支护要求的同时降低成本。

本文以工程为对象、工艺为核心，总结出了“初支动态应力变形监测”与“综合物探分析，洞内外结合、长短预测结合，物性参数互补”两个监测控制核心要点，建立综合预报工作体系，对岩层大变形、地应力、开挖方法进行数据模拟分析、对比与评判，动态调整初支及二衬结构形式与支护参数，实现单侧、局部的非对称加强支护与补强，控制围岩大变形。

1 依托工程概况

河曲隧道部分施工段深埋超200 m，属于深埋围岩，施工开挖过程中软岩可能变形较大，为保证软弱围岩大变形段安全、顺利、快速并保证质量地通过，提出软弱围岩大变形隧道的施工措施。

该施工段设计为Ⅳ级围岩，为粉砂质泥岩，薄层状构造为主，属较软～软岩，岩体较为完整，局部构造裂隙较发育，局部夹少量砂岩。拱顶易出现沿层面及节理切割块体(层面控制)塌落，在设计和施工中应加强支护。地下水以水状、淋雨状为主，局部为股状，在节理密集带可能发生集中涌水灾害。设计采用WFZ4C型衬砌支护，初期支护采用I14工字钢，纵向间距100 cm；预留沉降量6 cm；C25喷射混凝土厚20 cm；Φ22药卷系统锚杆长度2.5 m；Φ8钢筋网片@25 cm；超前注浆单层Φ42×4小导管，环向间距40 cm；C30混凝土40 cm厚。工程重点及难点为。

1)该段属高地应力条件下软弱围岩的大变形。在变形初期，不仅变形的绝对值很大，而且变形速度也很大。如果不进行治理或治理不及时，就有可能发生大变形导致的塌方，或者初期支护侵入隧道净空，造成二次破坏。

2)对大变形的预测很重要，但这又恰好是大变形研究和操作中最薄弱的环节，地应力测试困难复杂，参数不易获取，而且当前隧道设计对高地应力条件下软弱围岩大变形没有做出比较明确的规定，施工规范也只是指导性的，只有零星地见到各种科研结果，但这种科研结果非常有针对性，只针对某座隧道而言，适用性不强。

3)河曲隧道左线ZK99+620段隧道富水，在高地应力下围岩软弱破碎，使其支护难度提高，变形更难控制。

4)河曲隧道工期异常紧张，在围岩较差的情况下，要保证施工进度，软质围岩预支护和初期支护量大，工序多，难以实现快速施工。

5)从软弱围岩大变形隧道的施工经验来看，应通过现场监测和测量结果对支护参数进行验证和调整，以验证和调整预设计，监控量测主要是位移监测和应力监测，应力监测技术较复杂。

2 适用范围及工艺原理

本技术初支监测见图1，单测锁脚与注浆见图2，初支监测布置见图3。

图1 初支监测

图2 单侧锁脚与注浆

图3 初支监测布置

本技术属于隧道技术领域，主要适用于破碎、高压、富水地区隧道和地下工程施工开挖前的超前预测预报与大变形超前控制，实现局部支护补强，其他不良地质地段也可参照使用。

本技术以地质分析与动态监测为核心，总结出“初支动态应力变形监测”与“地质物探分析，洞内外结合、长短预测结合，物性参数互补”两个监测控制核心要点，结合初支拱架动态应力变形监测与综合地质预报，对岩层大变形、地应力、开挖方法进行数据分析、对比与评判，利用数据分析，预先动态调整初支与二衬结构形式与支护参数。

利用大变形监测数据，精确定位围岩大变形位置，有针对性地开展单侧、局部的非对称加强支护与补强，例如加强局部湿喷混凝土厚度、拱墙钢筋网、拱墙锚杆直径与长度、初支钢架型号、在内力突变位置打设单侧锁脚锚杆补强等，实现初支的非对称支护。局部强支护与弱支护协同作业，相比全断面统一的强支护措施，大大降低大变形隧道支护成本。

3 施工工艺及操作要点

3.1 工程地质调查

进行隧道工程地质调查，将隧道工程地质调查列为隧道超前地质预报必不可少的一道工序；收集与评价隧道的主要地质问题，判定超前地质预报的关键隧道段；其次是对隧道已开挖段进行地质编录，掌握隧道工程地质变化情况；必要时辅以隧道工程地质测绘。

3.2 综合地质预报

1)地质雷达。在隧洞施工掌子面进行表面雷达探测，探测掌子面前方15～30 m以内，最大距离不超过30 m深度范围内的不良地质情况(断层、溶洞、含水等不良地质情况)。

2)超前钻探。采用全液压专用钻探钻机，完全适用于瓦斯隧道的超前瓦斯(地质)钻探工作。利用钴屑法对隧道前方的地质情况进行分析和判断，如煤层、瓦斯的赋存情况，同时利用钻机钻探时所表现的状态性质可以对隧道前方的断层、溶洞、暗河、围岩软硬及岩性进行判断，初步掌握隧道前方地质构造的里程位置，还利用返浆流量的变化初步判断前方围岩的地下水情况，从而采取相应措施保证施工的安全。

为了考察超前探测钻孔前方岩体的瓦斯赋存情况，在钻孔施工完成后，对钻孔前方岩体的瓦斯压力、瓦斯涌出量、瓦斯衰减系数进行测量研究。

3.3 初支应力与变形监测

1)钢架内力及外力。断面钢架应力测量限于Ⅳ级和Ⅴ级围岩断面，每隔200～500 m设置一个测量断面，每个断面设置3组测点，如图4所示。

图4 初支监测

2)围岩压力。在围岩与支护、两层支护时间埋设压力传感器以了解围岩压力的大小和分布。在每个测量断面中，嵌入9个压力盒，分别为拱顶1个，左右拱脚各1个，左右边墙各1个，拱脚与拱顶间3个。

3)锚杆轴力。锚杆应力测量使用的主要仪器是应力传感器和频率测量仪器，应力传感器由若干个钢筋应力传感器串联而成，用于观察初始应力变化和二次应力的形成和变化，其分布如图5所示。

图5 锚杆应力计的布置及传感器在锚杆上的分布

5)支护、衬砌内应力。喷射混凝土的应力测点布置在位移测量的同一截面上，沿隧道拱顶、拱腰和侧壁在喷射混凝土内埋设5个混凝土应变计。围岩初喷后，将应变片固定在初喷面上，然后复喷将传感器完全盖住，待喷射混凝土达到初凝时开始读数。

3.4 初支状态综合判析

对上述各种预测方法得到的数据进行总结、分析和比较，提出最终的预测结论和工程措施建议，确定下一步预测方案和工作计划。

3.5 大变形处治(单侧加强)

在围岩条件较差情况下，钢拱架作为隧道初期支护中主要受力结构，并具有较高的承载性能，从内力分布监测反映出隧道某侧段拱脚处存在较大的受力，相应地立即加强拱脚的支护，可采取二次喷射混凝土或增加锁脚锚杆(见图6)。采取上述措施后，方可进行下台阶和仰拱施工，彻底封闭围岩。

图6 单侧锁脚与注浆

3.6 预报与监测验证

预报验证的工作步骤可按“预报一验证一总结一再预报一再验证一再总结”循环模式进行，安排相对较为固定的地质人员驻扎施工现场，对隧道开挖后的掌子面地质实况进行持续跟进地质编录，编录工作可在每次爆破出渣完成后进行，将预报地质情况与开挖地质情况按照隧道里程对应记录，附在CAD纵断面图下，并将监测情况与开挖地质实况对比分析，总结和改进预报操作，持续提高监测与预报精度。

4 技术特点

1)通过地质探测与初支应力、变形实时监控，采取单侧局部的非对称加强支护与补强，局部强支护与弱支护协同作业，相比全断面统一的强支护措施，大大降低了支护成本。

2)本技术建立的综合预报工作体系具有洞内外结合、长短预测结合，物性参数互补的特点，实现超前探测成果的多源信息化评判。

3)通过初支应力与变形监测，数据处理直观、监测数据准确，适用各种复杂地质下隧道施工及监控。

4)通过监测数据的超前模拟分析、对比与评判，可实现动态调整初支及二衬结构形式与支护参数，实现预报与施工的动态结合。

5)通过“预报+验证”综合分析来实时确定预报等级，根据地质情况的危害程度分等级进行预报的工作模式，相比常规的计划预报模式，保证了预报效果。

5 效益分析

1)技术效益。本技术提出的初支动态监测与综合预报方法体系，通过“预报+验证”综合分析来实时确定预报等级，通过初支应力与变形监测，数据处理直观、监测数据准确，通过数据对高地应力分析与现场实践相结合的手段，适用各种复杂地质下隧道施工及监控，通过监测数据的超前模拟分析、对比与评判，可实现动态调整初支及二衬结构形式与支护参数，实现预报与施工的动态结合。

2)经济效益。本技术初支动态监测虽然花费一定的费用、占用一定的施工时间，但其在后期支护材料节省上的意义十分巨大，通过地质探测与初支应力、变形实时监控，采取单侧局部的非对称加强支护与补强，局部强支护与弱支护协同作业，相比全断面统一的强支护措施，大大降低了支护成本。

3)社会效益。本项技术解决了高地应力软岩隧道在施工中遇到的施工大变形监测与支护问题，使隧道大变形得到提前控制，节省了成本，有效地降低安全风险并己逐渐得到应用和推广。此项技术的研究成果，将为类似隧道工程的施工打下坚实基础，提供宝贵的经验，值得推广应用。

6 应用实例

1)乐山至西昌高速公路马边至昭觉段工程S2-1项目。本工程河曲隧道位于四川省凉山州美姑县巴普镇巴古乡境内，进口位于巴普镇洒勒村，进口位于巴姑乡勒布村，采用分离式双洞布置。本隧道位于两断层交汇处北侧，隧道进、进口外设计线路均与洪溪—美姑断层相交，隧道进口外断层与路线交于美姑河支流酒勒那达河，约k96+940(ZK96+990)处，进口外断层与路线交于美姑河谷，约K97+700(ZK97+700)桩号处。本隧道穿越须家河组地层，地层岩性以粉砂质泥岩、砂岩为主，局部夹炭质泥岩或薄层煤线，呈黑色～深灰色，具污手特征，具有一定生成瓦斯能力，为低瓦斯隧道。ZK96+571～ZK96+604；K96+404～K96+475不良地段：2020年9月13日—2020年9月25日，左、右洞开挖支护从ZK96+571～ZK96+604；K96+404～K96+475段落时，11组监控量测数据发生变化，ZK96+570；ZK96+580；ZK96+590；ZK96+600；K96+410；K96+420；K96+430；K96+450；K96+460；K96+470；左洞最大收敛值为58.67 mm；右洞最大收敛值为62.55 mm。

该工程采用本文技术，提出的初支动态监测与综合预报方法体系，通过“预报+验证”综合分析来实时确定预报等级，通过初支应力与变形检测，数据处理直观、监测数据准确，通过数据对高地应力、软岩分析与现场实践相结合的手段，适用各种复杂地质下隧道施工及监控，通过监测数据的超前模拟分析、对比与评判，可实现动态调整初支及二衬结构形式与支护参数，实现预报与施工的动态结合。

2)G4216线新金段高速公路XJ11标。G4216线新金段高速公路XJ11标，起于凉山州雷波县海湾乡海湾村，止于雷波县锦城镇柳口村，施工里程K56+840～K64+490(含雷波服务区)，管辖主线长7.65 km。主要结构物包括向阳隧道(1/2)、黑林坳隧道、米田隧道、西边沟右线大桥、忘神坡右线大桥和忘神坡左线大桥。设计双向四车道，设计时速80 km，施工段内桥隧比58.5%。合同总工期44个月，造价约9.10亿元。

该工程采用本文技术：①以地质分析与动态监测为核心，根据全方位的地质面貌与应力变形数据，建立综合预报工作体系；②对岩层大变形、地应力、开挖方法进行数据模拟分析、对比与评判，动态调整初支及二衬结构形式与支护参数，实现单侧、局部的非对称加强支护与补强，控制围岩大变形，局部强支护与弱支护协同作业，相比全断面统一的强支护措施，大大降低支护成本；③根据初支应力与变形数据，动态调整初期支护的设计参数，有针对性地局部调整与补强湿喷混凝土厚度、拱墙钢筋网、拱墙锚杆直径与长度、初支钢架型号等，在内力突变位置打设单侧锁脚锚杆补强，实现初支的非对称支护。

7 结 论

本文依托结合乐山至西昌高速公路马边至昭觉段工程S2-1项目河曲隧道大变形防治，阐述了复杂软弱围岩低瓦斯隧道大变形综合处置技术，得到了以下结论。

1)结合初支拱架动态应力变形监测与综合地质预报技术，对岩层大变形、地应力、开挖方法进行数据分析、对比与评判，预先动态调整初支与二衬结构形式与支护参数。

2)大变形隧道局部补强技术，利用大变形监测数据，定位围岩大变形位置，针对性开展单侧、局部的非对称加强支护与补强。

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