馬 棟， 孫 毅， 王武現(xiàn)， 晉劉杰

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司， 北京 100018)

0 引言

高地應(yīng)力軟巖隧道的大變形問(wèn)題一直是困擾工程界的難題。21世紀(jì)是地下空間作為資源加以大力開(kāi)發(fā)利用的世紀(jì)[1-2]，將不得不面對(duì)越來(lái)越多的高地應(yīng)力軟巖隧道問(wèn)題。高地應(yīng)力圍巖指的是巖石抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值較小的地質(zhì)條件，軟巖是指巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度≤30 MPa的圍巖。由于高地應(yīng)力軟巖隧道具有大變形、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、空間分布不均勻的特點(diǎn)[3-6]，施工及后期調(diào)整難度均非常大，嚴(yán)重威脅隧道施工及運(yùn)營(yíng)期間的安全。對(duì)于高地應(yīng)力軟巖隧道的大變形及其控制措施，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者做了大量的研究，取得了豐碩的成果。錢七虎[7]認(rèn)為極端復(fù)雜的不良地質(zhì)條件是制約隧道安全高效建設(shè)的主要因素，要實(shí)現(xiàn)隧道工程的安全高效建設(shè)，首先要提高地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)水平及其信息化程度。李術(shù)才等[8]系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外隧道工程修建過(guò)程中面臨的大變形問(wèn)題，闡述了地下工程開(kāi)挖過(guò)程中平衡轉(zhuǎn)換的力學(xué)機(jī)制及支護(hù)理念，提出了預(yù)防與控制大變形災(zāi)害的關(guān)鍵技術(shù)與突破點(diǎn)，研發(fā)出適用于軟弱破碎地質(zhì)條件的鋼格柵混凝土核心筒支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。李磊等[3]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為高構(gòu)造應(yīng)力、不利巖層產(chǎn)狀和低巖體強(qiáng)度是隧道發(fā)生大變形的主要誘因，指出對(duì)于高地應(yīng)力大變形隧道，應(yīng)盡可能在初期支護(hù)階段控制圍巖穩(wěn)定，避免大量殘余應(yīng)力作用于二次襯砌，成為安全隱患。陳鴻等[9]總結(jié)了蒙華鐵路中條山隧道極復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)，提出仰拱與下臺(tái)階一次爆破成型方法，減少了爆破圍巖的二次擾動(dòng)，能有效控制周邊收斂和拱頂沉降。郭小龍等[10]通過(guò)實(shí)際施工試驗(yàn)，實(shí)測(cè)分析了普通錨桿、早強(qiáng)錨桿支護(hù)時(shí)的洞周位移、圍巖與初期支護(hù)接觸壓力、型鋼拱架應(yīng)力及其錨桿軸力，結(jié)果表明高地應(yīng)力軟巖隧道中錨桿軸力為拉力，早強(qiáng)錨桿比普通錨桿軸力更大，可以使隧道洞周位移減小40%。李國(guó)良等[11]結(jié)合我國(guó)鐵路隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，闡述了擠壓性圍巖隧道的高地應(yīng)力條件及擠壓性圍巖地質(zhì)特征，提出了擠壓性圍巖隧道大變形的系統(tǒng)治理技術(shù)。李磊等[5]依托成蘭鐵路茂縣隧道，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了擠壓性軟巖大變形隧道的初期支護(hù)鋼架選型，認(rèn)為高地應(yīng)力軟巖隧道宜選用強(qiáng)度較大的鋼架作為第1層支護(hù)。周寶春[6]通過(guò)對(duì)柿子園隧道4號(hào)橫洞工區(qū)擠壓性圍巖大變形的原因分析和施工技術(shù)總結(jié)，提出大變形處理可通過(guò)持續(xù)提供支護(hù)阻力的結(jié)構(gòu)與足夠的預(yù)留變形量的有機(jī)結(jié)合來(lái)解決。朱衛(wèi)東[12]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)施工，分析影響隧道襯砌和圍巖變形的相關(guān)因素，得到利于控制變形過(guò)大問(wèn)題的最優(yōu)進(jìn)尺設(shè)置參數(shù)及初期、臨時(shí)支護(hù)形式。劉招偉等[13]依托蒙華重載鐵路部分隧道，針對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)階法施工時(shí)的各種缺點(diǎn)，提出臺(tái)階法(帶仰拱)一次開(kāi)挖施工技術(shù)，認(rèn)為該方案能較好地解決軟巖隧道步距超標(biāo)、變形侵限等問(wèn)題。

目前大多基于單一支護(hù)手段開(kāi)展研究，但高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，單一支護(hù)手段難以全面發(fā)揮作用。本文根據(jù)麗香、成蘭、玉磨鐵路近10座高地應(yīng)力軟巖隧道施工及大變形控制經(jīng)驗(yàn)，闡述大變形隧道變形特征及變形機(jī)制，結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)介紹了多種高地應(yīng)力軟巖大變形隧道的施工控制關(guān)鍵技術(shù)及其復(fù)合控制效果。

1 案例隧道工程概況

1.1 大變形隧道所屬線路簡(jiǎn)介

麗香鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速140 km，全長(zhǎng)139.7 km，位于云南省西北部，南起大麗鐵路麗江車站，向北跨越金沙江，經(jīng)小中甸至香格里拉。全線新建隧道共20座，總長(zhǎng)92.5 km，隧線比高達(dá)68%。第4標(biāo)段共27.5 km，該標(biāo)段含3座高地應(yīng)力軟巖隧道(白巖子隧道、長(zhǎng)坪隧道、圓寶山隧道)。

玉磨鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)雙線鐵路(客貨共線)，設(shè)計(jì)時(shí)速為160 km，全長(zhǎng)507.4 km，由昆玉鐵路的玉溪站起至中老(撾)邊境磨憨。王崗山隧道隧址位于云南普洱墨江縣境內(nèi)。

成蘭鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)雙線鐵路(客貨共線)，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km，總長(zhǎng)573 km。鐵路起于成都，經(jīng)茂縣、松潘縣、九寨溝縣后，抵甘肅郎木寺與西成鐵路共線。云屯堡隧道隧址位于松潘縣岷江鄉(xiāng)至松潘縣青云鄉(xiāng)之間。

大變形隧道地質(zhì)情況如表1所示。

表1 大變形隧道地質(zhì)情況

1.2 隧道大變形分級(jí)與初始設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合專家意見(jiàn)以及現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件、地下水發(fā)育情況，參考國(guó)際通用的強(qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)，可將高地應(yīng)力軟巖隧道大變形分為一般、嚴(yán)重、極嚴(yán)重3級(jí)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。關(guān)于高地應(yīng)力的概念，目前國(guó)內(nèi)外仍無(wú)明確定義，我國(guó)主流觀點(diǎn)認(rèn)為地應(yīng)力大于20 MPa即為高地應(yīng)力[14]，也有學(xué)者認(rèn)為高二次應(yīng)力與動(dòng)力擾動(dòng)單獨(dú)或聯(lián)合作用產(chǎn)生的誘發(fā)高地應(yīng)力也是高地應(yīng)力的一種[15]。

目前，各設(shè)計(jì)單位針對(duì)大變形隧道的基本支護(hù)參數(shù)選取并不統(tǒng)一，結(jié)合麗香、成蘭、玉磨鐵路的實(shí)際情況，單、雙線隧道對(duì)應(yīng)大變形等級(jí)下的初始設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)與施工工法分別如表3和表4所示。

表2 大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 不同變形等級(jí)對(duì)應(yīng)的單線隧道施工工法

按表2強(qiáng)度應(yīng)力比分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)案例隧道大變形分級(jí)。長(zhǎng)坪隧道圍巖巖性軟，圍巖強(qiáng)度低，直接測(cè)試獲取圍巖強(qiáng)度難度較大，且精度難以保證。經(jīng)過(guò)多種方法比選，最終采用鉆孔剪切儀(rock borehole shear test)進(jìn)行圍巖原位強(qiáng)度測(cè)試，如圖1所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

長(zhǎng)坪隧道測(cè)點(diǎn)位于DK61+285。結(jié)果顯示，測(cè)點(diǎn)原位強(qiáng)度內(nèi)聚力為212 kPa左右，內(nèi)摩擦角為17°左右。根據(jù)摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論推算，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度為573 kPa。

該處還采用傳統(tǒng)水壓致裂法進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，如圖2所示，初步判斷洞身附近最大水平主應(yīng)力為17.51～29.44 MPa，最大水平主應(yīng)力隨埋深的增加而逐步增大。

根據(jù)實(shí)測(cè)圍巖強(qiáng)度與原巖地應(yīng)力數(shù)據(jù)，計(jì)算強(qiáng)度應(yīng)力比后得到數(shù)值為0.019～0.032。由此，可以確定長(zhǎng)坪隧道為極嚴(yán)重大變形隧道。同樣的方法應(yīng)用于表1其他4座隧道后，均判定為極嚴(yán)重大變形隧道。

(a)

(b)

2 初始設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)條件下隧道大變形特征

1)水平收斂累計(jì)變形較大。根據(jù)麗香鐵路施工數(shù)據(jù)，隧道施工期間變形以水平收斂為主，拱頂沉降相對(duì)較小。以白巖子隧道DK62+195為例，施工期間(僅30 d)隧道最大收斂值達(dá)363 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隧道拱頂沉降。監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖3。

圖3 白巖子隧道DK62+195斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2)應(yīng)力釋放快且變形速率大。因軟巖開(kāi)挖后應(yīng)力釋放快，自穩(wěn)能力急劇下降，導(dǎo)致圍巖對(duì)初期支護(hù)的側(cè)壓力急劇增加。當(dāng)側(cè)壓力超過(guò)初期支護(hù)的承載能力時(shí)，初期支護(hù)出現(xiàn)變形，自穩(wěn)內(nèi)應(yīng)力重新分布并使自穩(wěn)內(nèi)應(yīng)力圈半徑不斷擴(kuò)大，從而加劇了變形量的擴(kuò)大。

白巖子圍巖—初期支護(hù)接觸壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。初始地應(yīng)力測(cè)試值為16.11～27.79 MPa，圍巖—初期支護(hù)接觸壓力初始值最大僅0.873 MPa，6 h后地應(yīng)力再次測(cè)試值為12.33～16.57 MPa，圍巖—初期支護(hù)接觸壓力最大值快速升至1.79 MPa，說(shuō)明開(kāi)挖后地應(yīng)力快速釋放。

圖4 白巖子隧道進(jìn)口段DK62+564斷面圍巖—初期支護(hù)接觸壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比(6 h間隔)(單位： MPa)

根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果，開(kāi)挖期間隧道變形速率較大，白巖子隧道進(jìn)口段最大收斂速率達(dá)70.3 mm/d，最大沉降速率達(dá)16.7 mm/d，如圖5所示； 長(zhǎng)坪隧道最大收斂速率達(dá)58 mm/d，最大沉降速率達(dá)14.6 mm/d，如圖6所示。

圖5 白巖子隧道最大沉降、收斂速率

3)變形時(shí)間長(zhǎng)且擾動(dòng)范圍廣。王崗山隧道監(jiān)測(cè)歷時(shí)5個(gè)月，收斂變形還未穩(wěn)定，如圖7所示； 云屯堡隧道監(jiān)測(cè)歷時(shí)4個(gè)月，收斂變形才出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，如圖8所示。

圖6 長(zhǎng)坪隧道最大沉降、收斂速率

圖7 王崗山隧道DK157+430斷面變形監(jiān)測(cè)(2017年)

圖8 云屯堡隧道DK225+500斷面變形監(jiān)測(cè)(2019年)

為確定隧道開(kāi)挖的擾動(dòng)范圍，對(duì)云屯堡隧道7#橫洞處正洞進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)定，結(jié)果表明，7#橫洞處正洞松動(dòng)圈深度為12～15 m，如圖9所示。松動(dòng)圈主要是由于上臺(tái)階開(kāi)挖破壞了隧道原巖應(yīng)力平衡，進(jìn)而原巖應(yīng)力釋放而出現(xiàn)的。松動(dòng)圈的形成與后續(xù)工序擾動(dòng)、巖層結(jié)構(gòu)、圍巖流變及塌方等影響因素有關(guān)。

圖9 云屯堡隧道7#橫洞處正洞圍巖松動(dòng)圈

3 高地應(yīng)力軟巖隧道大變形強(qiáng)化控制技術(shù)

傳統(tǒng)的隧道支護(hù)手段對(duì)大變形起到了一定的效果，但往往不足以長(zhǎng)期抑制隧道變形，在此基礎(chǔ)上還必須采取優(yōu)化襯砌斷面尺寸、設(shè)置雙層初期支護(hù)、適時(shí)施作二次襯砌等方法強(qiáng)化控制效果。

3.1 優(yōu)化襯砌斷面尺寸

對(duì)于水平構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)的高地應(yīng)力環(huán)境，通過(guò)增大邊墻曲率，加深仰拱，極嚴(yán)重時(shí)可采用圓形斷面(如圖10所示)，可以明顯改善隧道結(jié)構(gòu)受力，減小拱肩等部分的應(yīng)力集中，從而有效控制隧道邊墻收斂。

3.2 設(shè)置雙層初期支護(hù)

上臺(tái)階開(kāi)挖后及時(shí)施作短錨桿，控制開(kāi)挖變形及松動(dòng)圈發(fā)展； 下臺(tái)階開(kāi)挖后，再施作長(zhǎng)錨桿，長(zhǎng)錨桿以打穿松動(dòng)圈外1 m以上為宜。

(a) 原設(shè)計(jì)

第1、2次支護(hù)均為鋼架+噴混凝土，2次支護(hù)不能同時(shí)施作，第2次支護(hù)必須在第1次支護(hù)仰拱封閉后施作。隧道支護(hù)斷面如圖11所示。

圖11 隧道支護(hù)斷面圖

3.3 初期支護(hù)仰拱及時(shí)封閉

通過(guò)分析近10座長(zhǎng)、短大變形隧道的施工經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為： 快速施工初期支護(hù)仰拱，控制初期支護(hù)仰拱與掌子面距離<20 m(如圖12所示)，能夠明顯起到抑制收斂的作用，應(yīng)在施工組織允許的前提下積極實(shí)施。特別是對(duì)臺(tái)階法施工的隧道而言，實(shí)施越早臨時(shí)橫向鎖腳系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)越小，前期整體沉降也隨之減小。

圖12 仰拱封閉示意圖

3.4 適時(shí)施作二次襯砌

初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后才能施作二次襯砌，否則可能使其受力過(guò)大而導(dǎo)致開(kāi)裂。單線隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)見(jiàn)表5。

表5 單線隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)

雙線隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)需根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析而定，但二次襯砌施作時(shí)距離掌子面的距離不宜大于70 m，這樣可有助于控制大變形的發(fā)展。

3.5 工程應(yīng)用

3.5.1 白巖子單線隧道

3.5.1.1 大變形控制措施

1)強(qiáng)化錨桿施工。4.5 m以內(nèi)短錨桿釆用藥包錨桿； 6 m以上長(zhǎng)錨桿采用中空錨桿； 塌孔、縮孔地段采用自進(jìn)式錨桿。變形發(fā)展迅速的嚴(yán)重變形段，利用短錨桿施作便捷、快速的特點(diǎn)，用于初期變形控制，為長(zhǎng)錨桿施作創(chuàng)造時(shí)機(jī)，同時(shí)長(zhǎng)短交錯(cuò)結(jié)合形成群錨效應(yīng)。

2)優(yōu)化施工措施及工藝。施工中根據(jù)圍巖破碎情況局部調(diào)整間距，保持錨桿總數(shù)不變。鎖腳錨管法向施工(無(wú)傾角)，并采用快凝漿液或藥包快速錨固，在變形至10 cm以上時(shí)，適時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿，加固圍巖； 采用雙層支護(hù)共同抵抗圍巖應(yīng)力，以達(dá)到控制變形的目的。

3)加強(qiáng)工法配套。盡可能減少開(kāi)挖分部、鋼架接頭等工序銜接薄弱環(huán)節(jié)，初期支護(hù)盡快封閉。采用兩臺(tái)階法施工，上臺(tái)階施工完成后及時(shí)施作臨時(shí)仰拱，下臺(tái)階與仰拱同時(shí)開(kāi)挖，仰拱與下臺(tái)階初期支護(hù)一起施作。

3.5.1.2 大變形控制效果

采用上述措施后，正洞收斂變形基本在25 cm以內(nèi)，最大收斂值22.3 cm，如表6所示。

表6 白巖子隧道不同斷面變形量和變形速率統(tǒng)計(jì)

3.5.2 云屯堡雙線隧道

3.5.2.1 大變形控制措施

1)加強(qiáng)初期支護(hù)。初期支護(hù)全環(huán)設(shè)置雙層HW200型鋼拱架，鋼架間距0.6 m/榀，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，控制了掌子面后方變形。

2)長(zhǎng)短錨桿結(jié)合。拱部設(shè)置6 m長(zhǎng)φ25中空錨桿，邊墻設(shè)置10 m長(zhǎng)φ32自進(jìn)式錨桿，仰拱設(shè)置5 m長(zhǎng)φ25中空錨桿，間距0.8 m×1.2 m(環(huán)×縱)，呈梅花形布置，如圖13所示。

3)徑向注漿。拱墻采用5 m長(zhǎng)φ42鋼花管徑向注漿，間距1.0 m×1.2 m(環(huán)×縱)，梅花形布置。注漿采用水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

4)短臺(tái)階快速成環(huán)。短臺(tái)階開(kāi)挖法以三臺(tái)階為基本模式。上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在5 m以內(nèi)，中下臺(tái)階長(zhǎng)度控制在10 m之內(nèi)，初期支護(hù)封閉成環(huán)距離掌子面控制在18 m以內(nèi)。各部位的開(kāi)挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)，平行推進(jìn)。

圖13 云屯堡隧道錨桿施作效果

嚴(yán)重大變形地段，開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)能力差，因此要嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺。上臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不得大于0.6 m，中、下臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不得大于1.8 m，開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)。仰拱距掌子面的距離控制在18 m以內(nèi)。仰拱開(kāi)挖時(shí)一次開(kāi)挖3 m，開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)封閉成環(huán)。開(kāi)挖2個(gè)循環(huán)之后，施作仰拱。

3.5.2.2 大變形控制效果

監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)采取以上措施，取得了良好的變形控制效果。

以D6K234+314斷面為例，拆除初期支護(hù)后拱頂累計(jì)沉降值為79.4 mm，上臺(tái)階周邊累計(jì)收斂值為61.3 mm，下臺(tái)階周邊累計(jì)收斂值為81.9 mm，變形得到有效控制。D5K225+681斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示，拱頂累計(jì)沉降值為61.5 mm，上臺(tái)階周邊累計(jì)收斂值為48.6 mm，中臺(tái)階周邊累計(jì)收斂值為49.2 mm，下臺(tái)階周邊累計(jì)收斂值為43.5 mm，較好地控制了軟巖大變形。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)高地應(yīng)力軟巖鐵路隧道大變形控制技術(shù)的研究和工程應(yīng)用，取得了一定成效，總結(jié)形成了以下結(jié)論：

1)預(yù)留變形量是避免發(fā)生大變形后初期支護(hù)侵限的重要基礎(chǔ)。

2)對(duì)于水平構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)的單線隧道，增大邊墻曲率可有效控制隧道邊墻收斂。

3)初期支護(hù)剛度的提高是控制高地應(yīng)力軟巖隧道大變形的又一關(guān)鍵因素，2次支護(hù)與長(zhǎng)短錨桿共同支護(hù)可有效提高初期支護(hù)剛度，減小圍巖變形。

4)快速施工仰拱，控制仰拱與掌子面距離 <20 m可有效控制大變形。

5)二次襯砌的適時(shí)施作可以盡快地為初期支護(hù)的變形提供支撐力，避免初期支護(hù)的延續(xù)變形進(jìn)而侵限二次襯砌空間，二次襯砌的施作時(shí)機(jī)以既能控制初期支護(hù)變形又可以避免后期二次襯砌混凝土因受荷過(guò)大而開(kāi)裂為宜。

對(duì)于大變形的研究還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步深入思考，建議從以下2個(gè)方向入手：

1)開(kāi)挖方法對(duì)松動(dòng)圈發(fā)展的影響。針對(duì)單線隧道、雙線隧道不同臺(tái)階開(kāi)挖長(zhǎng)度的松動(dòng)圈分別進(jìn)行試驗(yàn)，由此確定開(kāi)挖方法與松動(dòng)圈發(fā)展范圍之間的關(guān)系，進(jìn)而確定較為合適的錨桿長(zhǎng)度。

2)鋼管混凝土拱架在隧道大變形控制中的應(yīng)用。鋼管混凝土拱架為圓柱狀外形，是最合理的截面形狀，具有剛度大、強(qiáng)度高、支護(hù)能力強(qiáng)而且無(wú)異向性、不易扭曲變形的特點(diǎn)，在礦建工程中時(shí)有應(yīng)用，對(duì)控制大變形有較好的應(yīng)用前景?？梢葬槍?duì)不同斷面尺寸進(jìn)行鋼管混凝土拱架初期支護(hù)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析為下一步應(yīng)用提供依據(jù)。