峽口隧道高地應(yīng)力軟巖大變形施工控制技術(shù)寶典

1、峽口隧道高地應(yīng)力軟巖大變形施工控制技術(shù)馬軍山（中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司 重慶 401121）【摘要】 湖北宜巴高速公路峽口隧道進(jìn)口段穿越薄層碳質(zhì)頁(yè)巖地層，保證隧道順利施工?！娟P(guān)鍵詞】 峽口隧道 碳質(zhì)頁(yè)巖 高地應(yīng)力 大變形 控制措施1 引言隨著我國(guó)鐵路、高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程已經(jīng)向長(zhǎng)大、深埋方向發(fā)展，建設(shè)穿越高地應(yīng)力且地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖區(qū)的長(zhǎng)大隧道工程不可避免1。例如蘭新復(fù)線烏鞘嶺隧道、二郎山隧道、宜萬(wàn)鐵路堡鎮(zhèn)隧道、蘭渝鐵路毛羽山隧道等在施工過(guò)程中都存在高地應(yīng)力軟巖大變形。在高地應(yīng)力區(qū)修建的地下工程，最大的難題就是軟巖大變形的控制問(wèn)題2。目前，關(guān)于圍巖大變形還沒(méi)有一個(gè)明確的和

2、清晰的定義，在理論上缺乏系統(tǒng)研究，在工程實(shí)踐中，圍巖大變形至今未列入設(shè)計(jì)規(guī)范。國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道修建技術(shù)進(jìn)行了大量研究，分別從支護(hù)措施、開挖方法等方面提出相應(yīng)觀點(diǎn)和解決辦法。在建湖北宜巴高速公路峽口隧道，2 工程概況33.1 圍巖變形特征640mm，最大周邊收斂190mm，拱頂下沉遠(yuǎn)大于周邊收斂，表明隧道區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。圍巖初期變形快且變形速率大，表明來(lái)壓快,圍巖具有軟弱、完整性差和自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)。如： ZK104+998斷面最大下沉可達(dá)85mm/d。變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)在大變形段，隧道圍巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在初期變形后，變形并未停止，而在持續(xù)發(fā)展，拱頂下沉較快。圍巖持續(xù)變

3、形，造成初期支護(hù)變形過(guò)大而發(fā)生破壞，導(dǎo)致初期支護(hù)侵限，進(jìn)行換拱處理。圍巖變形拱頂下沉變形遠(yuǎn)大于周邊收斂。圍巖變形具有明顯階段性監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，上臺(tái)階開挖拱頂下稱量占總量的35%左右，前面掌子面開挖和下臺(tái)階開挖拱頂下沉量占總量的65%，所以掌子面爆破和下臺(tái)階、仰拱爆破對(duì)圍巖變形影響很大。ZK105+150、YK105+060YK105+200段主要為薄層碳質(zhì)頁(yè)巖，巖體軟弱破碎、，水平薄層狀，層厚510cm，褶皺發(fā)育，自穩(wěn)能力差，開挖后易掉塊、坍塌。初期支護(hù)后，隨著圍巖變形，邊墻開裂，拱頂下沉，初期支護(hù)嚴(yán)重變形破壞，鋼架現(xiàn)扭曲變形成S狀或麻花狀。（掌子面圍巖情況圖1，初期支護(hù)邊墻開裂 2,鋼架扭

4、曲變形圖3，拱頂下沉最大值64cm,圖4）。對(duì)薄層碳質(zhì)頁(yè)巖初期支護(hù)體系（錨，網(wǎng)、鋼拱架、噴）現(xiàn)場(chǎng)圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，變形破壞規(guī)律表明：當(dāng)累積變形量不超過(guò)100mm時(shí)，初期支護(hù)安全可靠；當(dāng)累積變形量超過(guò)100mm時(shí)，拱部噴射混凝土表面脫落，縱向和環(huán)向均開裂，局部掉塊；當(dāng)累積變形超過(guò)200mm時(shí)，工字鋼開始變形，出現(xiàn)扭曲錯(cuò)位，噴射混凝土大面積開裂、掉塊，此時(shí)要進(jìn)行加固處理，開始換拱，不然就會(huì)出現(xiàn)塌方。4 隧道大變形機(jī)理分析4.1 高地應(yīng)力、軟巖是大變形的內(nèi)因地應(yīng)力特征在隧道區(qū)范圍內(nèi)，側(cè)壓系數(shù)均大于1，隧道區(qū)的水平地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，同時(shí)表明地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)；最大水平主應(yīng)力與隧道軸線交角

5、較大（斜向上150鉆孔的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W2740左右，鉛直鉆孔最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E150左右。）3，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性不利。4.1.2巖體強(qiáng)度特征碳質(zhì)頁(yè)巖薄層狀，強(qiáng)度低，層間結(jié)合差，易風(fēng)化，受到震動(dòng)后極易失穩(wěn)。4.2爆破震動(dòng)是大變形的外因蓄存在巖體內(nèi)部未受擾動(dòng)的應(yīng)力，稱之為地應(yīng)力(Insitu stress 或Geostress)，它是巖體中存在的一種固有力學(xué)狀態(tài)，是巖體區(qū)別于其它固體如土體的最基本特征3。隧道開挖前，巖體處于三項(xiàng)受力的高地應(yīng)力環(huán)境，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)4。隧道開挖后，巖體原有天然受力狀態(tài)遭到破壞，引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，一部分地應(yīng)力以變性能的形式釋放，一部分則向圍巖

6、深部轉(zhuǎn)移，發(fā)生應(yīng)力重分布和局部區(qū)域應(yīng)力集中，并不斷調(diào)整以期達(dá)到與當(dāng)前環(huán)境相適應(yīng)的新平衡狀態(tài)。開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力重分布，局部應(yīng)力集中，隧道圍巖開始變形，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和爆破震動(dòng)的影響，變形不斷增加。因此爆破震動(dòng)是圍巖大變形的的外部因素。因此隧道在開挖過(guò)程中，應(yīng)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。4.3支護(hù)強(qiáng)度弱、施工方法不當(dāng)是產(chǎn)生圍巖變形的直接原因國(guó)內(nèi)外許多工程實(shí)例表明,由于設(shè)計(jì)初期對(duì)高地應(yīng)力條件下圍巖大變形認(rèn)識(shí)不足,采用的初期支護(hù)參數(shù)較弱(鋼支撐較弱、預(yù)留變形小、二次襯砌施作滯后等)，導(dǎo)致圍巖變形發(fā)展快，已造成初期支護(hù)破壞。同時(shí)，施工方法、初期支護(hù)閉合時(shí)間對(duì)圍巖變形影響極為顯著。軟弱圍巖隧道，采用長(zhǎng)臺(tái)階法施工

7、，仰拱閉合滯后，不能及時(shí)形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，二次襯砌無(wú)法及時(shí)跟近，導(dǎo)致初期支護(hù)在支護(hù)強(qiáng)度不足的情況下產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致初期支護(hù)侵限，甚至引起塌方，而不得不進(jìn)行初期支護(hù)拆換，擴(kuò)挖等處理。5 大變形施工控制技術(shù)隧道在較大的構(gòu)造應(yīng)力與高地應(yīng)力作用下，其拱頂及兩側(cè)易發(fā)生破壞，為了抑制這種破壞，支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)采用以提高圍巖自身強(qiáng)度為主的支護(hù)控制系統(tǒng)，組織應(yīng)力場(chǎng)引起的巖層運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，以保證支護(hù)后的隧道穩(wěn)定。因此，解決大變形給隧道帶來(lái)的危害，一方面要找到合理的、能抗高地應(yīng)力的的支護(hù)系統(tǒng)5；另一方面，通過(guò)地應(yīng)力控制釋放技術(shù)，使正洞開挖時(shí)處于較低地應(yīng)力狀態(tài)，有效降低圍巖變形。目前隧道施工中多采取提高支護(hù)剛度控制變

8、形，通過(guò)調(diào)整施工方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和支護(hù)時(shí)間等，以控制并使其適合圍巖動(dòng)態(tài)演化路徑，使隧道圍巖以穩(wěn)定方式達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。5.1提高支護(hù)系統(tǒng)剛度與整體受力性能調(diào)整支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)系統(tǒng)剛度原設(shè)計(jì)初期支護(hù)采用鋼架型號(hào)I16 1.0m（不成環(huán)），鋼架嚴(yán)重扭曲，拱部噴射混凝土產(chǎn)生裂縫并大面積掉落，初期支護(hù)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，無(wú)法保證施工安全。后調(diào)整到成環(huán)I18 0.6m，以提高支護(hù)剛度和強(qiáng)度，減小圍巖變形。根據(jù)新奧法原理，提高支護(hù)體系整體受力能力隧道大變形支護(hù)系統(tǒng)是指支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊圍巖的結(jié)合體,不僅指鋼架、噴混凝土等支護(hù)結(jié)構(gòu)本身，還包括錨桿、注漿等方式加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊圍巖的聯(lián)系，從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成

9、整體支護(hù)體系，抵抗開挖后地層應(yīng)力作用。具體措施主要有加強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)（42超前注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度4m）、鋼架間設(shè)置雙層連接鋼筋（22螺紋鋼筋，內(nèi)外雙層布置，環(huán)向間距1.0m）、雙層鋼筋網(wǎng)（8雙層鋼筋網(wǎng)）、錨桿采用中空注漿錨桿、初期支護(hù)后回填灌漿等。對(duì)于施工完畢未施作二襯出，發(fā)生大變形，通過(guò)設(shè)置套拱和拆換拱架提高支護(hù)強(qiáng)度，但對(duì)成本和進(jìn)度有很大影響。5.2采用超短臺(tái)階法施工，初期支護(hù)快速封閉成環(huán)大變形隧道在滿足施工開挖要求和臺(tái)階穩(wěn)定的情況下，盡可能縮短上臺(tái)階長(zhǎng)度，可以盡快使支護(hù)結(jié)構(gòu)形式閉合成環(huán)，控制圍巖變形。峽口隧道采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，加快工序銜接、縮短工序間距、快速封閉成環(huán)；仰拱緊跟下臺(tái)階

10、，距離掌子面不超過(guò)50m;二次襯砌緊跟仰拱，距掌子面不超過(guò)80m。及時(shí)施作仰拱，可有效減緩圍巖變形速率，使初期支護(hù)及早閉合成環(huán)，承受圍巖壓力。實(shí)踐表明，采用短臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，對(duì)于控制圍巖大變形，具有明顯的效果。5.3通過(guò)D25中空錨桿和長(zhǎng)錨桿控制圍巖大變形國(guó)內(nèi)外著名的的大變形隧道工程實(shí)踐表明，長(zhǎng)錨桿是控制軟巖大變形的重要手段之一。設(shè)計(jì)改進(jìn)后，將原來(lái)3.5m系統(tǒng)錨桿加長(zhǎng)，采用4.5m長(zhǎng)，D25中空錨桿，以穿透軟弱圍巖塑性區(qū)，達(dá)到對(duì)圍巖加固的目的。D25中空錨在施工中要嚴(yán)格控制錨桿長(zhǎng)度、角度、注漿壓力等工藝。一方面隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，長(zhǎng)錨桿施工難度大，對(duì)工藝要求嚴(yán)格，在具體實(shí)施過(guò)程中有許多技

11、術(shù)要求和要點(diǎn)必須進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到預(yù)期效果；另一方面從工程造價(jià)角度講也是不科學(xué)的。因此，長(zhǎng)錨桿控制變形是有很大作用的，但是不能一味的采用增加錨桿長(zhǎng)度的辦法來(lái)控制洞室變形。針對(duì)不同的地質(zhì)條件，到底采用多長(zhǎng)的系統(tǒng)錨桿才算是合理，既能有效控制大變形，又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理是要解決的問(wèn)題。5.4減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)在施工過(guò)程中應(yīng)盡量減少誘發(fā)圍巖變形的不利因素，控制圍巖變形發(fā)展。具體從以下幾方面進(jìn)行控制：采取輔助工法，利用超前預(yù)支護(hù)，對(duì)軟弱圍巖主動(dòng)進(jìn)行加固控制，施工中采用4.0m長(zhǎng)的42注漿小導(dǎo)管，以此作為超前于預(yù)支護(hù)的加固措施。嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)預(yù)留核心土，每循環(huán)進(jìn)尺控制在，以減少

12、由于長(zhǎng)進(jìn)尺大藥量引起的圍巖擾動(dòng)。下導(dǎo)坑開挖采用松動(dòng)爆破，破碎地段采用挖掘機(jī)開挖，以免爆破震動(dòng)的影響。5.5合理預(yù)留變形量根據(jù)圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)掌握圍巖變形情況，合理預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間。由原來(lái)的120mm，調(diào)整為200mm。適當(dāng)?shù)念A(yù)留變形可有效釋放蘊(yùn)藏于高地應(yīng)力場(chǎng)中的彈性變形能，這也是大變形隧道支護(hù)的一般原則。5.6適時(shí)進(jìn)行二次襯砌，是大變形控制的關(guān)鍵對(duì)于大變形圍巖隧道，變形量大，收斂速度慢，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范要求的的收斂變形速率時(shí)初期支護(hù)就已失穩(wěn)破壞，因此，確定合理的的二次襯砌施作時(shí)機(jī)對(duì)于大變形圍巖隧道至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形檢測(cè)規(guī)律分析，峽口隧道軟巖地段變形速率小雨1-2mm/d時(shí)，應(yīng)施作45cm厚的鋼筋混

13、凝土二次襯砌，距離掌子面70-80m左右，可有效控制大變形發(fā)展。這是軟巖大變形控制中“先放后抗”的原側(cè)。以上措施在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)踐，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)反饋的信息，對(duì)于變形控制較為有效，但仍需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的不斷總結(jié)優(yōu)化，進(jìn)一步提高其經(jīng)濟(jì)性和高效性。5.7監(jiān)控量測(cè)與信息化施工加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、重視地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)控制軟弱圍巖大變形是隧道施工中的重要環(huán)節(jié)。峽口隧道施工過(guò)程中，采用TSP203plus地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆孔等多種手段進(jìn)行了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，起到了及時(shí)掌握掌子面前方地質(zhì)情況，為提供相應(yīng)的應(yīng)對(duì)控制措施提供了依據(jù)。施工過(guò)程中對(duì)隧道拱頂下稱，周邊收斂進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控量測(cè)與數(shù)據(jù)分析，對(duì)圍巖壓力、鋼架

14、應(yīng)力、二次襯砌接觸壓力和混凝土應(yīng)力等項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)控量測(cè)，并對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)、預(yù)留變形量等，在保證預(yù)留得到有效控制的同時(shí)，避免或減小換拱對(duì)施工造成的不利影響，并知道下一步施工，達(dá)到信息化施工、動(dòng)態(tài)控制的目的6。6 結(jié)論（1）峽口隧道進(jìn)口段穿越薄層碳質(zhì)頁(yè)巖，最大水平主應(yīng)力方向基本為NE150，與隧道走向基本垂直，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定不利。（2）隧道開挖后出現(xiàn)嚴(yán)重的大變形，隧道變形具有嚴(yán)重性、快速性、長(zhǎng)期性等特征。（3）峽口隧道圍巖大變形機(jī)理分析表明：高地應(yīng)力、軟巖（水平薄層碳質(zhì)頁(yè)巖）是大變形的內(nèi)因；爆破擾動(dòng)力是大變形的外因；支護(hù)強(qiáng)度不足、施工方法不當(dāng)是產(chǎn)生大變形的直接原因。其中高地應(yīng)力、最大主應(yīng)力與隧道軸線夾角（水平薄層碳質(zhì)頁(yè)巖）是產(chǎn)生大變形的主要因素。（4）根據(jù)峽口隧道圍巖特征和變形規(guī)律，在新奧法施工思想的指導(dǎo)下，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采取常規(guī)措施（提高支護(hù)系統(tǒng)的剛度與整體受力性能；初期支護(hù)快速封閉成環(huán)；采用系統(tǒng)錨桿和長(zhǎng)錨桿控制圍巖大變形；合理預(yù)留變形量；適時(shí)施作二次襯砌。）對(duì)大變形實(shí)施動(dòng)態(tài)反饋與控制。參考文獻(xiàn)1 劉高，張帆宇，李新召,等.木寨嶺隧道大變形特征及機(jī)理分析J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24（S2）:552155262 周乾剛,方俊波.烏鞘嶺隧道嶺脊段控制千枚巖大變形快速施工J.