山嶺隧道軟弱圍巖工程地質(zhì)特性及施工對策

張健儒

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

山嶺隧道軟弱圍巖工程地質(zhì)特性及施工對策

張健儒

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

如何在軟弱圍巖地質(zhì)條件下安全快速地修建長大隧道是當前隧道工程界面臨的重要課題之一，尤其是當隧道穿越高地應力軟弱圍巖時，常常形成大變形等地質(zhì)災害，嚴重影響施工安全和進度。通過對軟弱圍巖工程地質(zhì)特性、軟巖隧道變形機制及變形控制基本理念進行分析，并結合相關工程實例提出軟巖隧道支護結構安全穩(wěn)定性評判標準及施工應采取的相應對策。認為：1)軟弱圍巖隧道由于支護參數(shù)、施工方法選擇不當，支護結構強度和剛度不足以抵抗較高的圍巖壓力時，往往會出現(xiàn)結構大變形和破壞；2)軟巖地段初期支護承受施工期間全部荷載，二次襯砌需承受后期圍巖流變產(chǎn)生的荷載，軟巖隧道襯砌應通過增設鋼筋、加大厚度等方式增加結構強度；3)超前支護與加固技術可提高圍巖的自承能力并減小作用在支護結構上的荷載，且應當成為當前軟弱圍巖隧道施工技術研究的發(fā)展方向；4)在高地應力山嶺隧道方面，應進一步開展施工階段地應力測試，以利于針對性地選擇施工方法和支護參數(shù)。

山嶺隧道；軟弱圍巖；變形機制；高地應力；施工對策

0 引言

隨著我國鐵路及公路建設事業(yè)的大發(fā)展，長大山嶺隧道不斷出現(xiàn)。近年來，隧道工程穿越軟巖地層的工程實例也越來越多。如何在軟弱圍巖地質(zhì)條件下安全快速地修建長大隧道工程是當前隧道工程界面臨的重要課題之一。尤其是當隧道穿越高地應力軟弱圍巖時，常常形成大變形等地質(zhì)災害，嚴重影響施工安全和進度。文獻[1] 針對深埋高地應力條件下軟巖隧道結構變形控制進行了研究。文獻[2-3]針對高地應力條件下隧道工程輔助坑道施工期間支護變形開裂的整治措施進行了研究。文獻[4]通過介紹蘭渝鐵路兩水隧道施工中應用的幾種工法，并進行各種比選，認為大拱臺階法比較適合于雙線軟巖隧道的施工，能較好地控制圍巖變形。目前預防和治理隧道大變形已成為隧道工程界一項世界級難題。

近年來，筆者有幸參加了新建蘭州至重慶鐵路夏廣段木寨嶺特長隧道的施工建設，對高地應力地區(qū)軟弱圍巖復雜地質(zhì)條件下山嶺隧道施工難度有著切身體會。木寨嶺隧道斜井及正洞前期施工過程中由于支護選擇偏弱，不同程度地發(fā)生了初期支護變形開裂侵限等病害，給工程的安全和進度造成了極大影響。施工中后期多采用H150、H175等型鋼鋼架結合錨桿和噴射混凝土進行支護，隧道變形問題基本得到了有效控制。

本文通過對軟弱圍巖工程地質(zhì)特性、軟巖隧道變形機制及變形控制基本理念分析提出山嶺軟巖隧道施工對策，并對當前軟巖隧道修建過程中存在的問題進行探討。

1 軟弱圍巖工程地質(zhì)特性

圍巖是指受隧道開挖影響而發(fā)生應力狀態(tài)改變的周圍巖土體。根據(jù)巖土體的強度可將圍巖分為堅硬圍巖和軟弱圍巖2類。按照圍巖級別多劃分為Ⅳ～Ⅵ級圍巖。軟弱圍巖一般有以下突出特點：

1)巖石強度低。根據(jù)我國《工程巖體分級標準》[5]、《鐵路隧道設計規(guī)范》[6]等規(guī)范標準，一般將單軸飽和抗壓強度低于30 MPa的巖石稱為軟質(zhì)巖或軟巖。軟質(zhì)巖主要包括未成巖的巖石、已風化的巖石以及含有軟弱礦物的巖石。典型巖石有泥巖、砂巖、千枚巖、炭質(zhì)板巖及絹云母片巖等。

2)巖體破碎。受地質(zhì)構造影響嚴重的堅硬巖石也可稱為軟弱圍巖。若硬質(zhì)巖石受到強烈的構造運動影響，導致節(jié)理、裂隙、斷層等結構面發(fā)育，會造成圍巖強度降低、自穩(wěn)性變差。

3)圍巖賦存環(huán)境差。隧道圍巖一旦賦存于富水、高地應力等不良地質(zhì)環(huán)境中將極易引起涌水、塌方等地質(zhì)災害。賦存于這些不良地質(zhì)環(huán)境下的圍巖亦可稱為軟弱圍巖。

2 軟巖隧道變形機制

由于隧道開挖不可避免要對圍巖產(chǎn)生擾動，隧道開挖打破了原有的應力平衡狀態(tài)，會出現(xiàn)應力重新分布和動態(tài)調(diào)整。由于軟巖強度低、對工程擾動極其敏感，在受拉和受壓條件下將產(chǎn)生塑性區(qū)，使圍巖和支護結構產(chǎn)生變形。軟弱圍巖隧道開挖后突出表現(xiàn)在圍巖松弛壓力大，初期支護承受壓力大。

按照結構力學的基本原理，將隧道初期支護看作是由錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、鋼架等支護手段組成的復合體。該復合體是具有一定強度和剛度的承載結構。軟巖隧道的開挖過程同時也是周邊擾動圍巖對初期支護結構的逐級逐次加載過程。當作用在初期支護上的圍巖擾動荷載未超出結構本身的極限承載力的時候，結構將處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時支護結構會因為荷載的不斷增加發(fā)生變形。一旦圍巖擾動產(chǎn)生的荷載超出初期支護結構極限承載力，支護結構將會失穩(wěn)破壞，突出表現(xiàn)為鋼架扭曲、噴層開裂掉塊，結構變形出現(xiàn)突變等。

由以上分析可以看出，軟弱圍巖大變形是指在隧道開挖形成臨空面以后圍巖受自重應力及構造應力的影響發(fā)生朝向隧道凈空的變形。由于軟巖受擾后應力重分布時間相對較長，變形量相對較大，同時產(chǎn)生了一定的塑性圈(即松動圈)，若不適時采取相應措施，塑性圈會發(fā)生進一步變化，繼而引起新的應力重分布，這是軟弱圍巖不同于硬質(zhì)圍巖的特點，這也是復雜應力條件下軟弱圍巖本身固有的特性，屬于客觀因素；而由于支護參數(shù)、施工方法選擇不當，隧道支護結構強度和剛度不足以抵抗較高的圍巖壓力而出現(xiàn)大變形和結構破壞，則屬于主觀因素。

3 地應力對軟巖隧道工程的影響

3.1 地應力基本概念

地應力是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應力，也稱巖體初始應力、絕對應力或原巖應力。地質(zhì)力學認為﹐地殼內(nèi)的應力活動是使地殼克服阻力﹑不斷運動發(fā)展的原因。地殼各處發(fā)生的形變(如褶皺﹑斷裂)等都是地應力作用的結果。

通常地殼內(nèi)各點的應力狀態(tài)不盡相同﹐并且應力隨(地表以下)深度的增加而增加。由于所處的構造部位和地理位置不同﹐各處的應力增加的梯度也不相同，重力和構造應力是地應力的主要組成因素。

文獻[5]和文獻[7]顯示初始應力的分布有以下主要規(guī)律：

1)巖體的初始應力絕大部分是以水平應力為主的三向不等壓的空間應力場，3個主應力的大小和方向是隨著時間和空間變化的，是一個非穩(wěn)定的應力場。

2)實測的垂直應力基本上等于上覆巖體重力。

即：σv=γH=0.027H。

式中：σv為垂直原巖應力，MPa；H為計算點到地表的垂直距離，m。

3)水平應力普遍大于垂直應力。

3.2 高地應力定義

一般認為，高地應力是指初始應力特別是其水平初始應力分量大大超過其上覆蓋層的巖體的重力。

GB 50218—1994《工程巖體分級標準》[5]規(guī)定：

1)Rc/σmax=4～7時為高地應力，軟質(zhì)巖巖芯有餅化現(xiàn)象，軟巖隧道開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時間長，成洞性差(其中：Rc為巖樣飽和抗壓強度，MPa；σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應力，MPa)。

2)Rc/σmax<4時為極高地應力，軟質(zhì)巖巖芯常有餅化現(xiàn)象，軟巖隧道開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大變形，持續(xù)時間長，不易成洞。

目前山嶺隧道勘測設計階段通常采用地面垂直鉆孔獲取應力值，并結合區(qū)域地質(zhì)資料來綜合判斷隧址區(qū)的地應力情況。而在隧道開挖以后通過原位測試獲取地應力資料的方法在工程實踐中采用較少。

3.3 高地應力對隧道工程的影響

高地應力對隧道工程造成的災害最典型為：對硬脆性巖體而言為巖爆，對軟巖則為洞室大變形。由于長大山嶺隧道通常埋深較大，洞室開挖后軟弱圍巖在自重應力場和水平地應力場的共同作用下往往會發(fā)生較大變形。

4 軟弱圍巖隧道變形控制基本理念

文獻[7]將軟弱圍巖隧道變形控制的理念主要歸納為2個截然相反的思路：一個是為了減輕作用在支護上的荷載，容許一定位移；一個是為了控制圍巖松弛而盡可能早地控制位移，即“柔性支護”和“剛性支護”控制變形的理念。

4.1 柔性支護

柔性支護控制變形的理念是允許圍巖變形，釋放地應力，減小支護壓力，同時又能約束圍巖松弛和過度變形，保持隧道穩(wěn)定。通常的做法是在超前支護下開挖后先施作第1層支護約束圍巖的變形，而后在距掌子面后方一定距離進行2次補強支護使隧道結構穩(wěn)定，必要時采用錨索以及適時注漿補強等支護措施控制圍巖和結構變形。

4.2 剛性支護

剛性支護控制變形通常是指采取提高圍巖的自承能力和加強支護及襯砌的強度和剛度來控制變形。提高圍巖自承能力的措施有超前預注漿加固地層、水平旋噴、超前大管棚等支護手段。加強支護和襯砌強度和剛度通常采用長錨桿、重型鋼架和加大噴射混凝土厚度等措施。

柔性支護和剛性支護對比如表1所示。

表1 柔性支護和剛性支護對比表Table 1 Comparison and contrast between flexible support and rigid support

從表1對比分析可以看出：“柔性支護”先期施作的第1層支護往往發(fā)生變形屈服破壞，后期需要進行二次支護和補強加固，施工工序復雜、現(xiàn)場施工管理難度大；“剛性支護”施工工藝相對簡單、安全可靠性高、施工速度快。因此，對于長大隧道的施工，優(yōu)先采用“剛性支護”更容易達到快速施工的目的。

5 軟弱圍巖隧道施工對策

5.1 基本原則

通過對軟弱圍巖工程地質(zhì)特性、軟巖隧道變形機制及變形控制基本理念分析，并結合相關工程實例可以得出軟巖隧道施工應該堅持的基本原則有：

1)根據(jù)前期地應力測試結果，了解區(qū)域地應力分布狀況。

2)線路走向盡可能和最大水平主應力方向一致，盡可能減小地應力對隧道工程的影響。

3)隧道結構設計堅持“剛性支護”寧強勿弱的原則，采用長錨桿、厚層噴射混凝土、鎖腳錨桿和重型鋼架等組合支護措施，控制圍巖變形，達到向圍巖深處轉(zhuǎn)移二次應力的作用。

4)軟巖地段初期支護承受施工期間全部荷載，二次襯砌需承受后期圍巖流變產(chǎn)生的荷載。軟巖隧道襯砌應通過增設鋼筋、加大厚度等方式增加結構的強度。

5)對于圍巖賦存環(huán)境較差，地下水較發(fā)育的地段，采用超前預注漿、水平旋噴、超前大管棚等輔助施工方法重點改善并加固地層，提高圍巖的自承能力，減小作用在支護結構上的荷載。

6)合理選擇初期支護預留變形量。人為加大預留變形量除增加開挖支護工程量以外，初期支護鋼架和噴射混凝土也會因結構變形過大而喪失承載能力。選擇合理的預留變形量有助于達到安全高效施工的目的。特殊地質(zhì)地段可以考慮預留二次支護的施工空間。

7)施工圖階段開展隧道支護結構預設計，在工程開工以后通過現(xiàn)場試驗結果進一步優(yōu)化設計參數(shù)。

8)建立初期支護穩(wěn)定性評判標準，在施工過程中實時對初期支護結構安全穩(wěn)定性進行評判，指導現(xiàn)場工程施工。

5.2 支護結構安全穩(wěn)定性評判標準

對于鐵路隧道支護結構安全穩(wěn)定性評判標準初步探討如表2所示。

表2 支護結構安全穩(wěn)定性評判標準Table 2 Criteria of safety and stability of support structure

注：表中數(shù)據(jù)為單側絕對收斂值。

施工現(xiàn)場可通過觀察初期支護結構工程特征，結合支護結構朝向凈空方向的累計變形情況綜合做出結構安全穩(wěn)定性評判，以利于采取針對性的補強加固處理措施。

6 典型工程實例

新建蘭州至重慶鐵路夏廣段木寨嶺特長隧道位于甘肅省定西市漳縣、岷縣境內(nèi)，隧道全長19.06 km，為蘭渝鐵路最長隧道，是全線重點控制性工程。隧道設計為雙洞單線分離式隧道，左、右線線間距為40 m，隧道最大埋深為600 m。隧道洞身穿越地層主要以二疊系板巖、砂巖及炭質(zhì)板巖為主。二疊系板巖及炭質(zhì)板巖多呈互層及夾層分布，長度占全隧的46.53%。炭質(zhì)板巖遇水易崩解軟化，圍巖穩(wěn)定性極差，加之隧址區(qū)地質(zhì)構造復雜，隧道施工難度極大，屬于極高風險隧道。

根據(jù)地應力測試結果隧址區(qū)最大水平主應力值為6.34～13.79 MPa，巖樣飽和抗壓強度為19.26～25.45 MPa，平均強度為22.25 MPa。圍巖強度應力比一般為1.15～4.01。根據(jù)《工程巖體分級標準》判定為極高-高地應力。

木寨嶺隧道斜井及正洞前期施工過程中由于支護選擇偏弱，不同程度發(fā)生了初期支護變形開裂侵限等病害，給工程的安全和進度造成了極大影響。施工中后期多采用H150、H175等型鋼鋼架結合錨桿和噴射混凝土進行支護，隧道變形基本得到了有效控制。工程施工過程中采取的主要施工對策有：

1)采用臺階法施工，臺階長度為3～5 m。

2)采用超前小導管進行超前支護，減小掌子面的先行位移，同時控制隧道開挖后的拱部坍塌。

3)鋼架架立以后及時施作鎖腳錨桿，改善初期支護結構的受力狀態(tài)，提高結構抵抗變形的能力。

4)及時施作初期支護仰拱，盡早實現(xiàn)初期支護全斷面閉合，縮短隧道變形收斂穩(wěn)定的時間。因為支護結構閉合與不閉合其承載力存在極大差異，對控制周邊圍巖的位移和松弛具有不可忽視的影響。

5)仰拱和襯砌緊跟開挖掌子面，做到及時封閉成環(huán)。盡可能做到仰拱距離上臺階的長度不超過35 m，襯砌距離上臺階的長度不超過70 m。

6)襯砌采用鋼筋混凝土，防止后期結構變形開裂。

7 結論與體會

在復雜地質(zhì)條件下修建軟弱圍巖隧道，面臨的困難和挑戰(zhàn)是非常大的。軟巖隧道如何在保證施工安全的前提下實現(xiàn)快速和經(jīng)濟的目的是今后研究的主要方向。當前我國軟弱圍巖施工和國外先進技術相比仍然存在一定的差距。通過工程實踐，有以下體會：

1)按照新奧法設計原理，隧道初期支護為承載結構，二次襯砌作為安全儲備并起到飾面作用。軟弱圍巖隧道在支護及襯砌施工完成后，隧道結構還要承擔后期圍巖松弛和蠕變荷載。因此，軟巖隧道初期支護要承擔開挖期間的全部荷載，二次襯砌還要作為受力結構承擔荷載。

2)軟弱圍巖超前預加固技術的研究和開發(fā)應該成為當前軟弱圍巖隧道施工技術研究的發(fā)展方向。軟弱圍巖變形的一個主要特征就是掌子面前方及周邊圍巖變形較大。加強掌子面前方圍巖的預加固和超前支護一方面可以提高隧道開挖的安全性，另一方面也可以減少支護施工的工程量，從而達到安全快速施工的目的。

3)長大山嶺隧道受隧道埋深、圍巖巖性變化以及地質(zhì)構造影響，地應力對隧道施工的影響應該是一個相當復雜的過程。盡管在勘測設計階段取得了一些寶貴的資料，但是目前在支護參數(shù)選擇方面還不能做到地應力測試結果實時指導工程施工，大多數(shù)情況下僅憑經(jīng)驗選擇支護參數(shù)。高地應力山嶺隧道應進一步開展施工階段地應力測試，以利于針對性地選擇施工方法和支護參數(shù)。

4)應進一步加強軟巖隧道在斷層破碎帶等極端惡劣的施工條件下技術研究，全面提高我國軟弱圍巖隧道整體施工技術水平。

[1]李國良，朱永全.烏鞘嶺隧道高地應力軟弱圍巖大變形控制技術[J].鐵道工程學報，2008，3(114)：54-59.(LI Guoliang,ZHU Yongquan.Control technology for large deformation of highland stressed weak rock in Wushaoling tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society，2008，3(114)：54-59.(in Chinese))

[2]葉慷慨.木寨嶺隧道大坪有軌斜井施工大變形段分析及處理技術[J].隧道建設，2010，30(2)：190-194.(YE Kangkai.Case study on control of large deformation of Daping inclined shaft of Muzhailing tunnel[J].Tunnel Construction，2010，30(2): 190-194.(in Chinese))

[3]唐紹武，王慶林.木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井高地應力軟巖大變形施工技術[J].隧道建設，2010，30(2)：199-201，211.(TANG Shaowu,WANG Qinglin.Case study on large control of Dazhangou inclined shaft of Muzhailing tunnel in soft ground with hing ground stress[J].Tunnel Construction,2010,30(2): 199-201,211.(in Chinese))

[4]徐勇，劉仲仁，王維高，等.鐵路雙線軟巖隧道控制大變形施工工法比選[J].隧道建設，2010，30(2)：134-136.(XU Yong,LIU Zhongren,WANG Weigao,et al.Conmparison and contrast among different construction methods for double-track railway tunnels in soft ground[J].Tunnel Construction,2010,30(2): 134-136.(in Chinese))

[5]GB 50218—1994 工程巖體分級標準[S].北京：中華人民共和國建設部，1994.

[6]TB 10003—2005 鐵路隧道設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7]關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011.(GUAN Baoshu，ZHAO Yong,Construction technique of soft rock tunnel[M].Beijing: China Communications Press,2011.(in Chinese))

國內(nèi)首次采用大直徑盾構施工穿越長江天塹——南京地鐵10號線通車運營

2014年7月1日，由鐵四院總體設計的南京地鐵10號線通車運營。這是南京第一條過江地鐵，也是國內(nèi)首條穿越長江的單洞雙線大盾構隧道地鐵線，歷經(jīng)4年建設后通車，迎接在南京舉行的第二屆青奧會。

由十三、十四、二十三局集團等單位承建的南京地鐵10號線在江心洲站—濱江大道站區(qū)間穿越長江，長約4.2 km，是國內(nèi)最長、埋深最深、水壓最高、直徑最大的過江地鐵隧道。

隨著地鐵10號線的通車，鐵四院設計的江蘇省第一條過江隧道“逃生通道”、首套地鐵站臺屏蔽門系統(tǒng)，也將同時投入使用。與南京地鐵1號線、2號線所用安全門主要為防范落軌事故不同，10號線安裝的屏蔽門運用整面玻璃，將地鐵軌行區(qū)和車站完全隔離，使隧道通風系統(tǒng)和車站通風空調(diào)系統(tǒng)相互獨立。

在過江地鐵隧道施工中，十四局集團創(chuàng)造了大直徑盾構日掘進38 m、月掘進636 m的最新紀錄，在高水壓始發(fā)、刀具更換和改進、泥漿回打、復雜地層穿越技術等方面形成了30余項成果與專利，申報5項省部級科研成果，部分技術填補了國內(nèi)空白，中國工程院錢七虎院士對此給予了高度稱贊。

全長21.6 km，設站14座的南京地鐵10號線挺進江北，首次實現(xiàn)軌道交通打破長江天塹的阻隔，將南京城市版圖再一次向外圍拓展，對引導河西地區(qū)和浦口區(qū)發(fā)展，實現(xiàn)城市交通與區(qū)域交通一體化具有促進作用。

(摘自 中國鐵道建筑報 http://www.crcn.com.cn/html/2014-07/03/content_76882.htm?div=-1 )

EngineeringGeologicalPropertiesofSoftSurroundingRocksofMountain-crossingTunnelsandConstructionCountermeasures

ZHANG Jianru

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Safe and rapid construction of tunnels in soft surrounding rocks becomes more and more important.Especially when tunneling through soft surrounding rocks with high ground stress,serious deformation may occur,which may jeopardize the construction safety and the construction progress.In this paper,the engineering geological properties of soft surrounding rocks,the deformation mechanisms of tunnels in soft surrounding rocks and the basic deformation control concepts are analyzed,and the criteria for the safety and stability of the support structures of tunnels in soft surrounding rocks and the construction countermeasures are proposed.Conclusions drawn are as follows: 1)Due to the improper support parameters and construction methods adopted,the strength and rigidity of the support structure cannot resist the huge surrounding rock pressure and therefore serious deformation and failure may occur;2)In soft surrounding rock section,the primary support takes all the loads during construction,the secondary lining needs to take the loads caused by the deformation of the surrounding rocks in the later stage,and the lining of the tunnel in soft surrounding rocks should be strengthened by means of adding steel bars and increasing the lining thickness.3)Advance support and reinforcement can improve the self-support capacity of the surrounding rocks and can reduce the load acting on the support structure,therefore the advance support and reinforcement should be the focus of studies on construction technologies of tunnels in soft surrounding rocks;4)For mountain-crossing tunnels in high ground stress area,ground stress measurement should be further implemented so as to select proper construction methods and support parameters.

mountain-crossing tunnel;soft surrounding rock;deformation mechanism;high ground stress;construction countermeasure

2013-12-26;

2014-03-16

張健儒(1973—)，男，陜西隴縣人，1996年畢業(yè)于西南交通大學，地下工程與隧道工程專業(yè)，本科，高級工程師，從事鐵路隧道工程施工與技術管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.007

U 45

A

1672-741X(2014)08-0749-05