高地应力软岩隧道大变形特征与处治技术

覃子秀　林志　严远方　冯万林　吴秋军

摘要：文章结合依托工程对高地应力软岩隧道大变形特征与处治技术展开研究，得出如下结论：（1）大变形灾害严重程度与地应力等级、围岩软弱程度高度相关，地应力越高、围岩越软弱，大变形越严重；（2）大变形灾害具有变形量大、持续时间长以及空间分布不均的特点；（3）大变形灾害处治应遵循“抗放结合、共同承载、动态控制”的原则，采取多项主动支护措施，降低灾害影响。

关键词：高地应力；隧道；大变形；施工技术；灾害处治

0引言

近年来，我国公路路网向地质条件与地质环境更为复杂的中西部延伸，配套的隧道工程也因地质条件等因素逐渐向大埋深、地质因素更复杂的方向发展，复杂的工程条件带来诸多影响隧道结构稳定性的问题。

目前，学者们针对高地应力软岩大变形灾害开展了大量研究工作，深入地认识了大变形特征与变形控制技术。赵瑜等［1-2］结合数值模拟手段，对高地应力软岩隧道大变形特征进行了分析。朱朝佐等［3］结合分段施工工艺，提出了采用格栅纵向连接形式以提高支护结构纵向整体性的方法。张宏亮等［4］分析比对了武都西隧道大变形多种施工方案，认为应力释放至一定程度后及时施作二衬可有效解决大变形问题。卢阳［5］结合文笔山隧道大变形处治成功案例，提出了“因隧制策，动态调整”的施工原则。

另外，也有学者认为高地应力软岩隧道施工应采取“强支护”措施对抗围岩变形，但这并不适用于所有等级的大变形灾害，容易对现场施工产生误导。

本文根据高地应力软岩隧道大变形特征，结合依托工程，对变形控制技术进一步探索与研究，以期形成成套处治技术，解决高地应力软岩隧道大变形控制技术难题。

1 高地应力软岩隧道大变形特征

1.1 工程背景

木寨岭特长隧道全长15 km，最大埋深为629.1 m，穿越木寨岭，沟通西南地区与甘肃及西北地区。隧址区地质环境极其复杂，地处秦岭构造带，工程开展极具挑战，在建设期间发生了强烈的大变形灾害。

1.2 地应力高且围岩软弱

现场开展了地应力测试工作。结果表明，隧址区以水平主应力为主，垂直主应力较小。发生大变形前最大水平主应力与最小水平主应力值为20～40 MPa，垂直主应力一般小于水平主应力，量值为10～20 MPa。

另外，木寨岭隧道穿越断层破碎带，岩体破碎，构造作用强烈，镜面结晶。下第三系主要以泥岩夹砂岩为主，V级围岩分布范围较广，地下水与区段内断裂构造发育。洞室开挖后，大变形段岩体呈碎块状、粉末状。

1.3 变形量大

隧道开挖后，受高地应力与软弱围岩共同作用，初支变形量极大。工程监测数据显示［6-7］，软弱围岩洞段拱顶沉降量可达数十毫米，而在围岩极软弱，如断层破碎带或岩石单轴抗压强度极低的洞段，拱顶沉降量可达米级。

部分轻微变形区钢架连接处发生扭曲变形折断，并向内侧侵入20 cm；较大变形区则侵限严重，初支边墙严重变形，钢拱架发生错位，变形轮廓线与设计轮廓线相距达60 cm；严重变形段仰拱开裂严重并向上隆起，隆起高度达1.5 m。

1.4 变形持续时间

受高地应力与软弱围岩控制，隧道围岩初期变形速率极快，一般15 d可完成大部分变形，如下页图1所示。在初期变形后，变形一般等速发展，少见加速发展甚至呈现不收敛的趋势，均反映软弱围岩显著的流变特性。

已发生大变形洞段在及时支护后仍会出现持续变形现象，持续时间可达数月，最终因变形量过大导致支护损坏严重而进行换拱。

1.5 变形空间分布不均

现场高地应力软岩大变形灾害较为严重，隧道在纵向上可分为四大区域：

（1）基本稳定区：该洞段初支基本稳定，拱顶沉降为50～100 mm，水平收敛值为20～50 mm。

（2）轻微变形区：该段初支发生轻微变形，拱顶沉降为150～250 mm，水平收敛值为100～200 mm。

（3）较大变形区：该段初支发生较大变形、仰拱开裂，多分布在埋深较大区域，拱顶沉降为250～350 mm，水平收敛值为150～300 mm。

（4）严重变形区：该段初支侵限严重、仰拱隆起、二衬开裂，多分布在埋深600～700 m段，少数埋深较小。该段拱顶沉降达500～1 150 mm，水平收敛值为450～900 mm。

2 大变形处治技术

如果变形控制技术体系不完整，出现大变形灾害后，处理措施過于简单，容易导致措施失效，引起严重后果。本文调研国内外大量工程案例，归纳总结形成如下大变形的灾害处治技术。

2.1 超前释放地应力

勘察设计阶段可通过水力压裂等地应力测试手段对施工全域地应力水平进行评估，结合地应力反演等方法明晰施工洞段地应力分布规律。对地应力较高，或高地应力较集中区域采用超前导洞钻孔卸压法、松动爆破卸压法、开掘卸压巷道法等超前应力释放手段释放一部分围岩应力，让应力峰值向围岩深部转移，降低正洞施工过程中的变形，见图2。

2.2 超前支护

围岩与衬砌结构具有强相互作用，初期支护的大变形主要由围岩的大变形引起，应采取围岩加固措施以充分发挥围岩自承能力。

2.2.1 超前锚杆加固

锚杆直径可取20～25 mm，长3～4 m，环向间距为0.4～0.6 m，仰角为10°～15°，可采用有压注浆锚杆，注浆压力为0.5～1.0 MPa。

2.2.2 小导管超前注浆加固

钢管直径可取40～50 mm，长度为3～5 m，环向间距为0.3～0.5 m，高压注浆加固，注浆压力可取1～2 MPa。

2.3 优化断面形状

监测数据显示，围岩变形速率较大或变形潜势大时，应对断面形状进行优化，如采取增加仰拱厚度、加大仰拱曲率、选用圆形断面等措施，或根据地应力特征，如最大主应力与隧道轴线夹角等，采用非对称断面等方法调整断面形状。

2.4 加强初期支护

隧道开挖后应及时施作“主动支护”以控制围岩变形，且应快速封闭成环。初期支护的强化工作可从以下方面开展。

2.4.1 喷混凝土

为避免发生大变形灾害，可增加喷混凝土厚度、提高喷混凝土等级，或在喷混凝土内掺加各类纤维（钢纤维、维尼纶纤维）、专用聚合物等。

2.4.2 多层初期支护

勘察设计阶段判定存在中等或强烈大变形灾害时，可设置多层初支并在每两层间设置预留变形区以保证施工安全。

2.4.3 系统锚杆

可通过“长短结合”的布置方针设置系统锚杆。可在拱墙处布置25 mm×5 mm中空注浆锚杆（长度为4 m）、51 mm×8 mm自进式锚杆（长度为9 m），在隧底处布置76 mm×6 mm钢花管（长度为6 m），在拱脚处布置108 mm×6 mm钢花管（长度为9 m）。

2.4.4 钢筋网片

在喷混凝土中布置菱形铰接金属网，在增加支护能力同时允许围岩适当变形。

2.4.5 强化钢拱架

根据大变形严重情况加密或增设不同规格的单层或多层闭合钢拱架支护，以提高支护刚度；也可采用可压缩的U型钢拱架或H型钢，或可压溃式接头，在开挖初喷3～5 cm厚的混凝土后架设，再用喷混凝土填满并覆盖。

2.4.6 布设预应力锚杆（索）

恒阻大变形锚杆是有效控制高地应力软弱围岩大变形的支护措施［8］，其原理是依靠负泊松比（NPR）材料在拉伸时环向面积增大，提供恒定阻力以抵抗围岩变形。

在大变形洞段，以预应力锚杆代替部分传统锚杆可增加初支支护能力。负泊松比（NPR）恒阻大变形锚杆参数如表1所示。

2.5 加强二次衬砌

大变形洞段围岩荷载应由初支与二衬共同承担。为降低大变形灾害影响，可采取如增加二衬厚度至60 cm、提高一级混凝土等级等措施。

2.6 临时支护

现场出现围岩变形速率大、现场条件受限而无法施作加固措施时，可采用木支撑或型钢进行临时支护。

2.7 预留变形量

两车道隧道可设置150～500 mm的预留变形量，允许围岩发生变形。预留变形量应根据大变形潜势选择。

3 大变形处治技术现场应用

3.1 处治方案

为有效、安全地处治大变形灾害，经现场监测与专家论证，提出“两阶段”处治对策：对大变形灾害较轻微及后续变形潜势较小的洞段采用一阶段处治方案，即加强支护、加深加大仰拱曲率；对已出现仰拱隆起，二衬崩溃的较大、严重大变形段，采用二阶段处治方案，即在换拱后采用联合支护措施加强支护结构。处治全过程遵循“抗放结合、共同承载、动态控制”的原则。

3.2 一阶段处治措施

基本稳定区及轻微变形区围岩状况较为乐观，处治措施以“抗”为主，采取主动式（柔性）和被动式（刚性）相结合的方式，主要加强初期支护强度、加深加厚仰拱。具体措施及参数如下：

（1）加大钢架、加密间距、强化接头连接：为增强初支支护抗力，加强纵向连接能力，将钢拱架型号提升至I22b，纵向布置间距加密至0.6 m，并在纵向设置I16工字钢菱形连接。

（2）增强锁脚：增设4根长6 m的锁脚钢架。

（3）加大预留变形量：增加预留变形量至50 cm，并加强变形监测。

按上述方案采取措施后，轻微变形区拱顶沉降与水平收敛逐渐稳定在100 mm左右，轻微大变形得到有效控制。

3.3 二阶段处治措施

在较大变形区与严重变形区，支护系统已基本失效，二衬崩裂、初支侵限严重、仰拱隆起。换拱作业挖除侵限岩体后经评估认为一阶段处治措施已无法满足支护需求。

基于施工期与营运期安全、耐久考虑，制定“分段分级处治”的施工方案，采取“双层初期支护+长短锚杆结合+预留补强空间”的处治措施。具体措施及参数如下：

（1）超前支护：在拱部150°范围设置4根长900 cm89 mm的中管棚，环向间距为40 cm，搭接长度为300 cm。

（2）双层初支：第一层厚度为31 cm、第二层厚度为27 cm的C25喷混凝土结构，并在初支的拱、墙部设置双层8 mm，规格为150 cm×150 cm的钢筋网片，以增加初支延性。

（3）加深加厚仰拱：挖除隆起侵限的仰拱后，重新施作厚度为70 cm的C35钢混仰拱。

（4）强化钢拱架：在一阶段处治的基础上提高钢拱架型号至I25b，并设置双层钢拱架。

（5）长短结合系统锚杆：拱墙处布置25 mm×5 mm中空注浆锚杆（长度为4 m）、51 mm×8 mm自进式锚杆（长度为9 m），在隧底处布置76 mm×6 mm钢花管（长度为6 m），在拱脚处布置108 mm×6 mm钢花管（长度为9 m）。

如图3所示为按上述方案采取措施后，支护结构的变形持续监测数据。由图3可知，第一层初支变形量依旧较大，但第二层初支变形量较小且趋于收敛，大变形得到有效控制。

3.4 其他处治措施

发生大变形灾害后，经专家论证对后续洞段采用微台阶法开挖工艺快速封闭成环，同时采用“隧道管桩+长锚杆采取大型三臂锚杆台车+潜孔钻机施工”的施工工艺，以控制后续洞段变形。

4 结语

高地应力软岩隧道施工期间易发生大变形灾害，但致灾过程较为缓慢。本文结合依托工程对大变形灾害展开研究，得到以下主要结论：

（1）大变形灾害初期来压极快，围岩变形速率较高，且在纵向分布不均。若未及时采取有效措施，施工洞段支护措施极易在初期因变形过大而失效，造成极大损失。

（2）發生大变形灾害洞段围岩变形周期较长，治理后仍需进行长期监测，以确保施工安全。

（3）大变形灾害处治应“分段分级”，大变形等级较低时应以增强支护抗力为主，等级较高时应遵循“抗放结合、共同承载、动态控制”的原则，允许围岩充分释放变形能，控制其不发生有害变形。

（4）多层初期支护+长短结合系统锚杆的支护方式能有效控制大变形，可作为主要支护措施供其他工程参考。

参考文献：

［1］赵 瑜，李晓红，卢玉义，等.深埋隧道围岩应变软化模型参数的正交设计［J］.重庆大学学报，2008（7）：716-719，729.

［2］赵 瑜，李晓红，卢玉义，等.深埋隧道围岩系统卸荷演化过程的Lyapunov指数分析［J］.岩土力学，2008（10）：2 871-2 876.

［3］朱朝佐，谢文清.硬质岩浅埋大断面隧道施工技术［J］.现代隧道技术，2017，54（3）：190-194.

［4］张宏亮，姬 猛.武都西隧道软弱围岩大变形段支防控制技术［J］.公路交通科技（应用技术版），2015，11（8）：130-131.

［5］卢 阳.高地应力作用下文笔山隧道软岩变形特征与机制研究［D］.湘潭：湖南科技大学，2020.

［6］于家武，郭新新.木寨岭公路隧道复合型大变形控制技术与实践［J］.隧道建设（中英文），2021，41（9）：1 565-1 576.

［7］丁彦杰.兰渝铁路木寨岭隧道长期变形监测研究［J］.铁道建筑，2022，62（2）：123-126.

［8］陶志刚，韩 惠，明 伟，等.新型NPR锚杆支护系统抗动力冲击试验研究［J］.煤炭学报，2023，48（5）：2 008-2 021.

作者简介：覃子秀（1986—），高级工程师，主要从事高速公路建设管理工作。