盧 陽，鄧修甫*，魯志強

(1. 湖南科技大學 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 云南省交通規(guī)劃設計研究院，昆明 650041)

近年來，西部地區(qū)的隧道大變形問題日益突出，隧道圍巖往往呈現(xiàn)軟弱破碎和高地應力等特征，隧道開挖后常表現(xiàn)為圍巖變形量大，初期支護結構擠出破壞甚至發(fā)生隧道坍塌等安全事故.

對于隧道大變形問題，學者們進行了一些不同地層圍巖條件的隧道工程研究，如泥巖夾砂巖[1]、輝綠巖[2]、穿越煤系地層[3]、凝灰?guī)r[4]、板巖[5]、千枚巖[6]、第三系粉質(zhì)黏土地層[7]和富水軟巖[8-9]等，大變形破壞形式表現(xiàn)為初支混凝土脫落、拱頂坍塌、鋼架扭曲及仰拱開裂等.通過地質(zhì)調(diào)研資料，結合理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測與試驗、數(shù)值模擬等方法分析隧道大變形破壞特征與機理，針對不同地層圍巖提出了施作長錨桿、加深仰拱、雙層襯砌、增大支護剛度、預留變形量和加設全環(huán)鋼架等有效控制隧道大變形的整治措施.

文筆山隧道穿過玄武巖夾凝灰?guī)r地層，目前，楊英[10]在勘察設計方面提出此類地層條件下隧道開挖前的施工對策建議，但在施工過程中及后期的變形控制技術方面研究成果很少.本文以文筆山隧道為背景，分析大變形破壞特征，探究隧 道大變形災害的形成原因，并提出大變形控制措施，為后續(xù)施工提供指導.

1 隧道工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

文筆山隧道是一座分離式隧道，左右線均為單向雙車道，隧道全長約2 800 m，設計時速為80 km/h，隧道區(qū)海拔高程范圍2 530～2 820 m，地勢起伏變化大，隧道洞身段地表植被發(fā)育較好，喬木和灌木茂密，隧道最大埋深約為255 m.

1.2 地質(zhì)構造

隧道路線位于揚子亞板塊之鹽源-麗江陸緣拗陷帶，位于北東向構造體系的麗江-劍川斷裂與麗江-寧蒗斷裂之間.區(qū)域的地質(zhì)構造復雜，褶皺與斷裂十分發(fā)育，線路經(jīng)過的范圍主要有寧蒗沉降帶、金沙區(qū)隆起區(qū)、鳴音沉降帶及玉龍雪山隆起區(qū).

1.3 水文地質(zhì)

隧道洞身段地表水不發(fā)育，隧道區(qū)地下水為第四系孔隙水類型、基巖裂隙水類型：第四系孔隙水多賦存于第四系松散土體中，多以潛水形式出現(xiàn)，水量甚微；基巖裂隙水主要賦存于P2β 玄武巖夾凝灰?guī)r中，富含基巖裂隙水.

1.4 地層巖性

隧址區(qū)發(fā)育地層主要為第四系坡洪積(Qdl+pl)層、第四系坡殘積(Qdl+el)層、二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P2β)玄武巖夾凝灰?guī)r巖層.以上各地層按照工程力學性能并結合工程特征共劃分為8 個工程地質(zhì)單元層，自上而下分布如下：①粉質(zhì)黏土Ⅰ組；②碎石；③粉質(zhì)黏土Ⅱ組；④玄武巖；⑤玄武巖、斜斑玄武巖、橄斑玄武巖及硅質(zhì)玄武巖Ⅰ組；⑥玄武巖、斜斑玄武巖、橄斑玄武巖及硅質(zhì)玄武巖Ⅱ組；⑦凝灰?guī)rⅠ組；⑧凝灰?guī)rⅡ組.

2 隧道大變形特征

2.1 原設計支護參數(shù)

文筆山隧道大變形段圍巖初期判定為V 級，洞身段采用三臺階開挖法，隧道預留變形量15 cm，隧道主洞圍巖開挖斷面尺寸：寬12.5 m×高10.05 m(含仰拱).原設計支護參數(shù)如下：超前支護施做Φ42×4小導管，L=4.5 m，環(huán)向間距30 cm，沿拱部120°范圍布設；系統(tǒng)錨桿為Φ25×3.5 中空注漿錨桿，L=3 m，間距100×60 cm；全環(huán)布設I18鋼拱架，間距60 cm/榀；掛設φ8 鋼筋網(wǎng)，尺寸15 cm×15 cm；拱腰工字鋼接頭處與拱腳起拱線處每側各打設2 根Φ42×4 鎖腳小導管，L=4.5 m，每榀8 根；初支噴射混凝土厚度25 cm；二襯及仰拱混凝土厚度50 cm.

2.2 大變形宏觀特征

文筆山隧道進洞后，工程前期按原設計施工方案進展順利，隧道變形量較小，然而當左、右幅隧道掌子面各自開挖進尺約640 m 時，兩隧道掌子面后方均出現(xiàn)大范圍的大變形破壞現(xiàn)象，左右幅隧道大變形段范圍分別為 ZK150+468～ ZK150+490，YK150+486～YK150+500.

隧道圍巖初期變形劇烈，隧道結構體系變形分布不對稱，具體表現(xiàn)為初支混凝土開裂和掉塊，工字鋼擠出扭曲和初支局部侵入二襯凈空等現(xiàn)象，其中拱頂部分部位和B、C 單元接頭處變形較為嚴重，侵限后隨即對沉降較大段落采取加設護拱的形式進行處理.隧道大變形破壞現(xiàn)象見圖1.

圖1 隧道大變形破壞

2.3 大變形位移特征

對于隧道變形破壞段，結合實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析大變形破壞情況，左右幅隧道拱頂沉降累計位移情況見圖2，水平收斂累計位移情況見圖3.

圖2 拱頂沉降時間曲線

圖3 水平收斂時間曲線

從圍巖監(jiān)測的具體數(shù)值來看，左右幅隧道選取的2 個斷面的拱頂沉降與水平收斂變形量均較 大，且拱頂累計下沉數(shù)值大于水平累計收斂數(shù)值.左幅斷面ZK150+473 拱頂沉降量累計約525 mm，水平收斂量累計約450 mm；右幅斷面YK150+ 491 拱頂沉降量累計約386 mm，水平收斂量累計約361 mm.

從圍巖監(jiān)測曲線形態(tài)來看，左右幅隧道2 個斷面圍巖變形劇烈，位移曲線斜率較大，2 個斷面拱頂沉降、水平收斂曲線走勢大體相似，反映了此段圍巖整體條件較差，也反映出左右幅隧道開挖區(qū)域圍巖條件的相近性，且拱頂沉降較水平收斂曲線陡，累計經(jīng)過30 d 左右變形趨勢漸緩.由于圍巖變形量已大大超出設計預留變形量，導致初期支護破壞，隨即停止觀測，進行臨時防護處治.

為了更加全面分析圍巖變形規(guī)律，探究圍巖大變形原因，下面對圍巖變形累計量較大的左幅斷面ZK150+473 的位移速率時間關系曲線進一步分析，如圖4 所示.

可以發(fā)現(xiàn)，隧道圍巖變形速率波動大且不穩(wěn)定，圍巖變形速率數(shù)值非常大，變形速率受隧道臺階分部開挖影響較大，如在開挖下臺階達到最大值，如拱頂沉降速率最大達65 mm/d，水平收斂速率最大達34 mm/d.總體來看，圍巖拱頂沉降變形主要發(fā)生在前期，中后期速率相對較小，圍巖水平收斂變形速率整體較大，反映出圍巖壓力釋放快，變形劇烈，圍巖自穩(wěn)能力差，巖體差異性大.

圖4 累計位移速率時間曲線

3 隧道大變形原因

3.1 地質(zhì)構造帶影響

受麗江-小金河構造帶影響，文筆山隧道區(qū)內(nèi)構造破碎帶較發(fā)育，該段地表有一條山溝通過，山溝位置及走勢見圖5，左幅隧道ZK150+480 前后里程位于圖5 中標圈所示位置.此段設計為軟弱破碎帶，隧道地層巖體組成差異性大，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體自穩(wěn)性差，是隧道出現(xiàn)大變形的重要原因.

圖5 ZK150+480 里程前后與地表山溝交叉

3.2 圍巖巖性條件

隧道洞身巖性為玄武巖夾凝灰?guī)r，因凝灰?guī)r透鏡體具有賦存隨機性、分布無規(guī)律性，另外由于玄武巖噴發(fā)具多期和間歇性的特點，以及凝灰?guī)r與玄武巖接觸帶強烈的動力蝕變作用，造成凝灰?guī)r周圍的玄武巖局部為全風化或強風化.因此隧道區(qū)各巖層間變化較為復雜，從而導致支護結構體系的適應性差，開挖時常有掉塊和脫落現(xiàn)象，最終出現(xiàn)初期支護體系變形量大、初期支護破壞和侵入二襯凈空等災害.

3.3 地應力條件

根據(jù)地應力測試結果，區(qū)內(nèi)的初始最大水平主應力為8.78 MPa，部分區(qū)段由于圍巖風化嚴重，巖體單軸抗壓強度極低，隧道開挖面附近屬于高應力狀態(tài)，且最大主應力方向為NE10°，與隧道軸線方向接近垂直，對隧道邊墻穩(wěn)定性不利，是隧道出現(xiàn)大變形的主要原因.

3.4 賦存水條件

玄武巖組地層基巖裂隙水較為發(fā)育，地表水隨巖石縫隙下滲，進一步軟化凝灰?guī)r，破壞玄武巖與凝灰?guī)r間的結合，降低隧道圍巖的穩(wěn)定性.根據(jù)取樣試驗資料，凝灰?guī)r夾層自由膨脹率為(40～80)%不等，屬弱～中膨脹土，膨脹土遇水易軟化和膨脹，賦存水條件對隧道工程影響較大.

3.5 初期支護強度

該段原設計為SF5a 型襯砌和I18 工字鋼，其難以抵御圍巖壓力，因工字鋼在圍巖壓力下產(chǎn)生變形，導致初支開裂和掉塊.拱部下沉較大，拱部初支侵入二襯空間.起拱線位置(B、C 單元接頭處)收斂較嚴重，原設計鎖腳小導管長4.5 m，每個接頭處2 根，不足以鎖住拱腳，初支起拱線處收斂較大，鋼架擠出破壞.

3.6 施工活動影響

對初支結構體系檢查發(fā)現(xiàn)，施工中存在部分超挖現(xiàn)象，圍巖與初期支護結構間存在空洞，導致圍巖松弛，加劇圍巖變形.另外隧道機械開挖、微爆破、初支閉合成環(huán)不及時等施工活動對圍巖變形也產(chǎn)生不利影響.

4 隧道大變形處治措施

4.1 大變形段處治措施

掌子面暫停施工，表面噴射C25 混凝土進行封閉，穩(wěn)定掌子面變形.大變形范圍段設置臨時支撐，防止支護結構的進一步變形破壞.對圍巖大變形破壞段注漿加固，增強支護結構體系的整體穩(wěn)定性，待圍巖變形趨于穩(wěn)定后及時對侵限段進行拆換拱處理，剛拱架沿隧道縱向逐榀更換，加強大變形處治段圍巖監(jiān)控量測，分析后續(xù)圍巖變形處治效果.已破壞大變形段處治技術見圖6.

圖6 大變形段處治措施

4.2 掌子面前方未施工段處治措施

4.2.1 改善超前支護類型

左右2 幅隧道大變形段拱頂沉降累計位移較大，破壞較嚴重，原設計超前支護為Φ42×4 mm小導管，長度L=4.5 m，不能有效控制拱頂沉降變形.因此，應增強未施工段拱頂范圍超前支護強度，改為長度L=9 m 的Φ108×6 超前大管棚，搭接長度3 m，以實現(xiàn)更好的圍巖預加固效果.

4.2.2 加大預留變形量

根據(jù)施工中監(jiān)控量測成果動態(tài)調(diào)整預留變形量，使圍巖應力得到合理釋放，減小其對支護結構的接觸壓力.

4.2.3 提高初期支護強度

隧道大變形段圍巖組成差異性大，巖體穩(wěn)定性低，進一步核查掌子面前方圍巖性質(zhì)，修正圍巖級別，調(diào)整支護參數(shù).未施工段襯砌類型由原設計SF5a 型調(diào)整為SF5c 型襯砌，增強初期支護強度.

4.2.4 增強鎖腳連接

隧道單側工字鋼起拱線處(B、C 單元接頭處)Φ42×4 mm 鎖腳小導管加長到6 m，每個接頭處設置4 根，拱腰接頭處2 根，每榀共12 根，由此提高隧道關鍵部位強度，達到更快速、有效控制變形的目的，改進的鎖腳連接方式見圖7.

圖7 鎖腳小導管布置

4.2.5 強化施工質(zhì)量

進一步加強施工質(zhì)量管理，杜絕錨桿和鎖腳導管數(shù)量不足，注漿不飽，剛拱架間距及豎直度、拱架懸空及單元間連接板連接不規(guī)范，鋼架與圍巖間不密切，噴射混凝土厚度不足等質(zhì)量問題. 隧道大變形前后處治方案對比具體見表1.

表1 大變形前后控制技術對比

隧道變形控制方案變更后，初支結構未出現(xiàn)侵限及大變形破壞現(xiàn)象，返修段與試驗段圍巖變形速率與位移量均明顯減少，試驗段拱頂沉降量不超過20 cm，水平收斂量介于30～45 cm(小于總預留量50 cm，每側25 cm)，圍巖位移量處于可控的安全范圍內(nèi)，保證了工程的正常進度計劃，表明上述隧道大變形控制技術的實施是合理的.

5 結論

1)文筆山隧道初始地應力高.圍巖巖性為強風化凝灰?guī)r夾玄武巖，隧道地下水較豐富，其凝灰?guī)r為多次旋回所形成，遇水軟化現(xiàn)象較嚴重，并具有膨脹性，物理力學性質(zhì)較低；另受麗江-小金河構造帶影響，隧址區(qū)強風化巖體巖性破碎，圍巖自穩(wěn)能力差.上述2 種條件進一步加重了隧道變形.

2)隧道圍巖大變形破壞具有突發(fā)性.大變形段之前里程未發(fā)生大變形破壞，初期支護強度足夠大，但后期仍抵抗不住圍巖壓力，隧道出現(xiàn)大范圍變形破壞，導致多處換拱，施工風險較高，施工難度大.

3)對于文筆山隧道的軟巖大變形段落，探討了大變形原因，重新修正圍巖級別，并結合現(xiàn)場監(jiān)控量測結果，對超前支護、預留變形量、初期支護、鎖腳連接及二次襯砌等控制技術方案進行了修正，隧道圍巖大變形得到有效控制.