錢(qián)鑫，王飛，彭撞，楊朝棟，曾楠

（四川綿九高速公路有限責(zé)任公司，成都 610000）

1 引言

本文以九綿高速具有代表性的層狀變質(zhì)軟巖隧道為工程依托， 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已有的軟巖大變形隧道及洞口淺埋段隧道進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研， 研究九綿高速層狀變質(zhì)軟巖的災(zāi)變規(guī)律及致災(zāi)機(jī)理、隧道洞口淺埋段建設(shè)安全控制技術(shù)、大變形的預(yù)測(cè)分級(jí)與安全管控體系、 不同大變形等級(jí)下的適宜工法及支護(hù)體系、隧道長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)安全性等內(nèi)容，為后續(xù)提出軟巖大變形隧道及洞口淺埋段隧道相適宜的工法、支護(hù)體系、超前支護(hù)等提供依據(jù)。

2 九綿高速項(xiàng)目概述

九綿高速公路全長(zhǎng)244 km，全線共有隧道45 座，隧道長(zhǎng)度不等，占線路全長(zhǎng)的53%，路線主要跨越龍門(mén)山斷裂帶、塔藏?cái)嗔褞c虎牙斷裂等區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)斷裂帶構(gòu)造規(guī)模大、破碎帶寬、活動(dòng)性較強(qiáng)，地震災(zāi)害頻發(fā)。

隧址區(qū)軟巖分布范圍廣、巖體條件差、互層現(xiàn)象突出，以千枚巖、板巖為代表的層狀變質(zhì)軟巖（飽和抗壓強(qiáng)度常常小于10 MPa），遇水易軟化，具有明顯的各向異性及流變性等特點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)勘察報(bào)告得出：本工程項(xiàng)目洞口處地形陡峻、狹窄、偏壓、隧道埋深大、初始應(yīng)力高，部分隧道的最大埋深高達(dá)千米，初始地應(yīng)力值在20 MPa 以上，比如，以層狀變質(zhì)軟巖為主的白馬隧道， 最大埋深達(dá)1 092 m， 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得最大地應(yīng)力為34.73 MPa。

3 層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形原因分析

3.1 圍巖強(qiáng)度

斷層帶、砂礫巖以及泥土雜砂巖是本次隧道施工必須要穿越的區(qū)域，在這一過(guò)程中由于不同巖體的抗壓強(qiáng)度不同，在一定程度上增加了巖體變形與破壞的概率。 同時(shí)，由于軟弱圍巖的抗壓強(qiáng)度較低，掘進(jìn)過(guò)程中比較容易發(fā)生流塑變形問(wèn)題。 所以，圍巖強(qiáng)度影響對(duì)層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形的一個(gè)重要因素。

3.2 初期支護(hù)

硬質(zhì)圍巖、薄煤層、破碎地帶的抗風(fēng)能力較差，一旦圍巖被開(kāi)挖后就很容易風(fēng)化， 開(kāi)挖面在封閉之后也比較容易出現(xiàn)松動(dòng)圈，導(dǎo)致初期支護(hù)很難支撐松動(dòng)圈的荷載，發(fā)生變形、開(kāi)裂、導(dǎo)致混凝土脫落、掉皮等的現(xiàn)象。

3.3 施工方法對(duì)層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形的影響

施工方法也是導(dǎo)致層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形的一個(gè)重要因素。 此外，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，由于工期較短，項(xiàng)目所在區(qū)域內(nèi)地形地質(zhì)條件復(fù)雜， 預(yù)防軟弱圍巖發(fā)生變形所采取的措施不具有針對(duì)性。 加之，二次襯砌無(wú)法及時(shí)跟進(jìn)，上下臺(tái)階法和下臺(tái)階法差異較大等， 這些同樣是導(dǎo)致層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形的一個(gè)重要因素。

4 軟巖大變形隧道調(diào)研的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)近些年來(lái)中鐵西南科學(xué)研究院有限公司對(duì)隧道擠壓性變形的研究， 提出一種擠壓因子作為評(píng)判地應(yīng)力狀態(tài)的方法， 該方法的依據(jù)來(lái)源于施工現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度的測(cè)試和巖體強(qiáng)度的估算[1-2]。 擠壓因子Nc根據(jù)式（1）計(jì)算：

式（1）、式（2）中，σcm為巖體單軸抗壓強(qiáng)度，kPa；p0為地應(yīng)力，kPa；γ為巖體重度，kN/m3；H為隧道埋深，m；σci為原巖單軸抗壓強(qiáng)度；mi為Hoek-Brown 常數(shù)，由室內(nèi)三軸試驗(yàn)確定的試樣摩擦特性定義；GSI 為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，表述巖石與巖體的整體性指標(biāo)。

通過(guò)綜合考慮，提出以下擠壓大變形分級(jí)值作為參考，如表1 所示。

表1 圍巖擠壓大變形等級(jí)劃分

李國(guó)良，熊春庚，李寧[3]將施工過(guò)程中的變形加速率來(lái)評(píng)價(jià)圍巖變形趨勢(shì)，通過(guò)上臺(tái)階法連續(xù)開(kāi)挖3～5 d，計(jì)算得出變形速率vp， 并根據(jù)該平均值對(duì)本工程項(xiàng)目圍巖的變形趨勢(shì)和支護(hù)體系進(jìn)行評(píng)判。

式中，n為變形速率的天數(shù)；vi為第i天的變形速率，是指當(dāng)日的總收斂值與前一日總收斂值的差值。

通過(guò)對(duì)上述圍巖變形情況的統(tǒng)計(jì)， 按照變形速率將圍巖劃分為一般、 低速、 中速和高速4 個(gè)等級(jí)， 變形速率vp分別為≤10 mm/d、10～30 mm/d、30～50 mm/d 以及≥50 mm/d，變形潛勢(shì)為正常、輕微、中等和強(qiáng)烈，如表2 所示。

表2 按圍巖變形速率的等級(jí)劃分

對(duì)不同大變形分級(jí)情況進(jìn)行軟巖隧道施工工法、 支護(hù)方式以及超前支護(hù)措施的統(tǒng)計(jì)分析， 最后采用工程類(lèi)比的方法初步提出不同大變形等級(jí)施工工法、 支護(hù)方式以及超前支護(hù)措施的建議。

1）軟巖隧道大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)前期大量的文獻(xiàn)調(diào)研以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料， 結(jié)合現(xiàn)有的圍巖擠壓大變形等級(jí)劃分及基于變形潛勢(shì)的大變形等級(jí)劃分[3]作為九綿高速層狀變質(zhì)軟巖隧道初步的大變形等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)， 而針對(duì)九綿高速的大變形劃分及預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)將在后續(xù)工作中進(jìn)行研究[4]。

2）軟巖隧道合理工法的統(tǒng)計(jì)分析及工法

軟巖隧道在不同等級(jí)下施工工法類(lèi)型： 輕微變形段多采用了上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工工法；中等變形段多采用上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法的施工工法；強(qiáng)烈變形段多采用上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階七步法以及單側(cè)壁導(dǎo)坑法。 而單側(cè)壁導(dǎo)坑法在九綿高速五里坡隧道中實(shí)施效果較差， 變形量較大。 白馬隧道調(diào)整工法為三臺(tái)階法（原為單側(cè)壁導(dǎo)坑法）后，對(duì)周邊收斂及拱頂沉降有較好的抑制作用， 后續(xù)研究中將以數(shù)值模擬的手段對(duì)不同工法隧道變形量的影響進(jìn)行對(duì)比研究。

3）軟巖隧道合理支護(hù)體系的統(tǒng)計(jì)分析

（1）對(duì)于輕微大變形段，采用“長(zhǎng)鎖腳錨桿+ 短錨桿”形式可以有效抑制圍巖變形，但對(duì)于中等—強(qiáng)烈大變形段，需采用“長(zhǎng)鎖腳錨桿+ 長(zhǎng)短錨桿”的形式；（2）對(duì)于強(qiáng)烈大變形段，若僅采用單層支護(hù)，很大可能面臨停工處置，多次反復(fù)變更（例如，臨時(shí)護(hù)拱，基本沒(méi)有實(shí)質(zhì)作用）后最終還得拆換，因此，建議采用雙層支護(hù)，更能有效抑制大變形；（3）九綿高速現(xiàn)場(chǎng)施工中，拆換風(fēng)險(xiǎn)和頻率高，導(dǎo)致成本大大提高，其本質(zhì)上還是因?yàn)橹ёo(hù)參數(shù)不合理，對(duì)于設(shè)計(jì)中等—強(qiáng)烈的大變形段落，應(yīng)注重支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，增加預(yù)留變形量；（4）為減小變形必須及時(shí)進(jìn)行仰拱閉合成環(huán)，降低初支侵限風(fēng)險(xiǎn)。

4）軟巖隧道合理安全控制基準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)分析及安全控制基準(zhǔn)在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，隧道拱頂下沉和水平收斂不斷增長(zhǎng)，輕微大變形斷面在緩慢變形階段的平均變形速率也達(dá)到5 mm/d 以上，遠(yuǎn)大于現(xiàn)行JTG/T F60—2009《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》中規(guī)定的變形速率安全標(biāo)準(zhǔn)（0.2～1 mm/d），因此，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于絕大多數(shù)軟巖隧道而言并不適用， 針對(duì)九綿高速層狀變質(zhì)軟巖隧道群，界定各等級(jí)大變形下安全控制基準(zhǔn)如表3 所示。

表3 九綿高速軟巖隧道大變形段安全控制基準(zhǔn)

5 層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形防治技術(shù)措施

5.1 調(diào)整初期參數(shù)，控制變形

通過(guò)使用長(zhǎng)錨桿、 水泥藥卷以及φ42 mm 注漿小導(dǎo)管等的方法加固圍巖， 并根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況調(diào)整圍巖初期參數(shù)，避免隧道出現(xiàn)較大的變形問(wèn)題。 其中，長(zhǎng)錨桿是有效控制層狀變質(zhì)軟巖產(chǎn)生變形常用的方法之一。 對(duì)于隧道中的碳質(zhì)硬巖應(yīng)當(dāng)使用4 m 長(zhǎng)的φ42 mm 的水泥藥卷， 拱腰和邊墻的位置使用6 m 長(zhǎng)的D25 mm 注漿小導(dǎo)管。

5.2 采取先柔后剛支護(hù)，承受荷載

先柔后剛指的是先施作柔性初期支護(hù)體系， 再進(jìn)行剛性二次支護(hù)，二次支護(hù)可以承受來(lái)自圍巖的荷載。 先柔后剛支護(hù)以混凝土為主要材料， 通過(guò)長(zhǎng)錨桿及支護(hù)可有效承受?chē)鷰r的壓力和變形。

5.3 通過(guò)封閉成環(huán)，增強(qiáng)荷載

及時(shí)進(jìn)行仰拱，仰拱應(yīng)當(dāng)在拱墻施工完成后及時(shí)進(jìn)行。 這樣，仰拱可以及時(shí)封閉成環(huán)，進(jìn)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和荷載。

5.4 注重監(jiān)控量測(cè)

隧道施工過(guò)程中，特別是層狀變質(zhì)軟巖隧道變形段，還應(yīng)當(dāng)注重監(jiān)控量測(cè)， 通過(guò)監(jiān)控量測(cè)可以及時(shí)了解圍巖的變形與支護(hù)情況，然后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，調(diào)整支護(hù)方式，確保隧道施工的安全與穩(wěn)定。

5.5 減少?lài)鷰r擾動(dòng)，加固圍巖破碎

隧道施工過(guò)程中， 應(yīng)盡可能地減少對(duì)層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形的不利影響，嚴(yán)格控制圍巖變形，采取科學(xué)合理的爆破方式，減少和降低由于爆破技術(shù)選用不當(dāng)對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)控制循環(huán)進(jìn)尺，采取合理的支護(hù)方式，對(duì)層狀變質(zhì)軟巖進(jìn)行超前支護(hù)， 減少?lài)鷰r破碎， 循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.75 m。

5.6 應(yīng)用短臺(tái)階法，立即封閉

具體的隧道施工過(guò)程中，還可以采用短臺(tái)階法，保證仰拱及時(shí)施作，降低圍巖發(fā)生變形的概率，確保初期支護(hù)可以立即成環(huán)，進(jìn)而能與圍巖一并形成拱，合理控制層狀變質(zhì)軟巖隧道出現(xiàn)大變形， 掌子面與仰拱之間的距離嚴(yán)格控制在20 m 之內(nèi)，掌子面與二次襯砌的距離不超過(guò)50 m。

6 結(jié)語(yǔ)

層狀變質(zhì)軟巖隧道大變形具有變形量大、 變形速率高等特點(diǎn)，如果處理不當(dāng)則會(huì)給隧道施工的質(zhì)量、進(jìn)度帶來(lái)不利影響。 本文通過(guò)對(duì)九綿高速公路項(xiàng)目的分析，得出該工程項(xiàng)目發(fā)生軟巖隧道大變形的主要原因有圍巖強(qiáng)度、 初期支護(hù)以及施工方法等，根據(jù)隧道大變形的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的技術(shù)防治措使得軟巖隧道大變形得到了有效控制。