大斷面軟巖隧道變形控制技術(shù)研究

楊家松

(中鐵二局第二工程有限公司，四川成都 610091)

0 引言

近年來，埋深大于500 m的大斷面山嶺隧道(洞)越來越多，有的甚至超過2 500 m，地應(yīng)力＞100 MPa。由于一些項目沒有類似工程設(shè)計及施工經(jīng)驗或?qū)Υ搜芯枯^少，仍然按對應(yīng)的圍巖級別照搬既有規(guī)范所規(guī)定的預(yù)留變形量［1－2］和支護參數(shù)進行設(shè)計，在實際施工過程中卻發(fā)生了較大的變形，以至于隧道(洞)及地下工程要么輪廓尺寸無法滿足設(shè)計要求、要么變形導(dǎo)致支護失效發(fā)生坍塌，這種案例不在少數(shù)。而即便埋深小于500 m，乃至淺埋，往往對軟巖物理特性認識、地形，地質(zhì)與構(gòu)造等條件考慮不夠，因預(yù)留變形選擇不當(dāng)、量測預(yù)警值設(shè)置欠科學(xué)、支護措施弱、施工工藝缺陷等種種因素導(dǎo)致隧道坍方，或再次擴挖的案例也屢見不鮮。究其原因，圍巖的強度高低并非是產(chǎn)生變形的唯一依據(jù)，而地應(yīng)力影響必須高度重視，尤其是構(gòu)造地應(yīng)力的作用，即圍巖的強度應(yīng)力比與變形直接相關(guān)。對于圍巖強度應(yīng)力比大于4的各類情況，通常合理選擇預(yù)留變形量，在施工過程中適當(dāng)加密支護措施，變形就非常容易控制;然而在圍巖強度應(yīng)力比小于4的極高地應(yīng)力環(huán)境中，特別是小于1時，其情況就比較復(fù)雜了。若對軟巖的物理特性不清楚，會導(dǎo)致變形留的不足，圍巖“先放”空間有限，則支護弱了就無法難以“后抗”，這就是常說的對付軟巖變形要做到“先放后抗”的原則。統(tǒng)計分析奧地利的陶恩和阿爾貝格隧道、日本的那山和千惠隧道、國內(nèi)家竹箐、烏鞘嶺及鷓鴣山隧道以及臺灣木柵隧道等10余項典型大變形案例［3］可知，圍巖強度僅0.4～10 MPa，但其強度應(yīng)力比卻都小于1。為了有效控制變形，施工時首先加大了預(yù)留變形量，達到50 cm，多采用8～13.5 m的長錨桿，其次是重型鋼拱架或可縮式拱架，僅木柵隧道使用了錨索，而噴護則以(鋼纖維)混凝土居多。本文旨在從施工角度出發(fā)，對如何合理預(yù)留變形量，如何盡早檢測分析變形，最后依據(jù)變形特征與發(fā)展，從施工工藝和對設(shè)計參數(shù)的建議等要點進行論述;同時，重點介紹超深埋大斷面工程軟巖大變形采取的特殊支護措施，既借鑒采用了典型案例的長錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索、型鋼拱架外，又創(chuàng)新引入了錨筋樁、噴聚炳稀網(wǎng)狀維纖混凝土，控制變形效果較好。通過對其成果總結(jié)，再結(jié)合積累的相關(guān)工程經(jīng)驗進行系統(tǒng)歸納研究，認為山嶺大斷面軟巖隧道施工的預(yù)留變形量和支護參數(shù)應(yīng)結(jié)合圍巖的強度應(yīng)力比、圍巖強度、圍巖的軟化程度和膨脹性等物理特性綜合考慮，即便實施大斷面掘進，圍巖的變形均能夠有效控制，施工安全完全能夠得到保障。

1 變形控制的基本原理和預(yù)留變形量的定義與變形等級劃分

1.1 變形控制的基本原理

將隧道(洞)及地下工程所處位置圍巖的地應(yīng)力、強度有機地結(jié)合起來，科學(xué)合理地確定開挖預(yù)留變形量，與此同時掘進力求少擾動圍巖或?qū)嵤┤醣疲⒏鶕?jù)信息化成果動態(tài)設(shè)計支護參數(shù)，及時補強設(shè)計支護措施或修正預(yù)留變形量，以最大限度適應(yīng)變形或降低工程的二次擴挖概率。

1.2 預(yù)留變形量的定義與變形等級劃分

預(yù)留變形量尚無標準的定義，本文定義為:假定隧道開挖后不產(chǎn)生變形的理想設(shè)計開挖輪廓線沿徑向增大開挖的空間δ(不含周邊鉆孔外插而增大的量)，單位cm。有關(guān)變形等級也沒有統(tǒng)一的說法，本文對大斷面(面積＞100 m2)作如下規(guī)定，也是比較公認的看法［4］:變形較小指累計變形＜30 cm、變形中等指累計變形30～50 cm、變形嚴重指累計變形＞50 cm。

2 施工工藝流程及卡控要點

2.1 施工工藝流程

施工工藝流程如圖1所示。當(dāng)采用臺階法分層開挖時，本預(yù)留變形量經(jīng)驗取值已適當(dāng)考慮變形疊加的影響。

圖1 施工工藝流程圖Fig.1 Construction flowchart

2.2 變形控制的要點

2.2.1 圍巖強度應(yīng)力比(Rb/σmax)分析

首先采納設(shè)計的σmax和Rb;其次估算，即設(shè)計僅描述了埋深或垂直地應(yīng)力，未指出構(gòu)造地應(yīng)力，則必須結(jié)合地質(zhì)素描成果、實際施工過程中圍巖表現(xiàn)出來的特征(是否存在斷層和褶皺、探孔巖芯是否餅化、暴露圍巖有無聲響與開裂、噴層裂縫程度、拱架扭曲暴露等現(xiàn)象等)，以綜合判斷是否有構(gòu)造地應(yīng)力存在。如果有這些現(xiàn)象存在，則地應(yīng)力可按自重地應(yīng)力的1～2倍考慮，甚至更大［5－6］。當(dāng)然有條件宜作地應(yīng)力測試，沒有條件可按本原則估算，其σmax取自重地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力之最大者，當(dāng)埋深H＞1 000 m時，自重地應(yīng)力近似代替σmax，Rb宜通過現(xiàn)場取樣試驗室直接獲取。同時要正確識別常遇到的軟巖:全風(fēng)化至強風(fēng)化巖層或土質(zhì)類地層、煤、千枚巖、板巖、泥巖、綠泥石片巖、斷層軟弱帶或這些類型的組合。

2.2.2 預(yù)留變形量確定

1)當(dāng)Rb/σmax≥7時，分情況預(yù)留變形量:①當(dāng)有偏壓和滲水存在時，掌子面為全風(fēng)化層或全風(fēng)化至強風(fēng)化巖層、粉質(zhì)砂黏土和黃土層(含水率過大或較小)、泥夾石等軟弱地層時，此類地層均應(yīng)加大預(yù)留變形量，即δ=(1.5～2)δ0(δ0按不同圍巖的規(guī)范取值，圍巖強度應(yīng)力比小、強度低偏大取值，反之偏小取值，下同。);②當(dāng)僅有偏壓存在或無偏壓存在且有地下水存在時，掌子面圍巖與①同或自穩(wěn)時間＜3 h的軟巖地層時，δ=1.5δ0;③當(dāng)無偏壓和滲水存在，掌了面圍巖與①同或為裂隙節(jié)理發(fā)育的巖層，此類地層自穩(wěn)時間相對較長(＞3 h)，δ=(1～1.5)δ0。

2)當(dāng)Rb/σmax=4～7時，分情況預(yù)留變形量:①Rb≤5 MPa或為膨脹巖時，δ=(2.5～3)δ0;②Rb=5～25 MPa時，δ=(1.5 ～2.5)δ0;③Rb≥25 MPa時，δ=(1 ～1.5)δ0。

3)當(dāng)Rb/σmax＜4時，分情況預(yù)留變形量:①Rb≤5 MPa、或軟化系數(shù) ＜0.5、或為膨脹巖時，δ=(4～5)δ0;②Rb=5 ～25 MPa時，δ=(3 ～4)δ0;③Rb≥25 MPa時，δ=(2 ～3)δ0。

2.2.3 開挖施工要點

1)上臺階高度要考慮砂漿長錨桿的施工有效空間，至少是在1倍洞徑的范圍內(nèi)有條件完成錨桿作業(yè)。上臺階高度宜在4.5～6 m，在采取較強的預(yù)支護措施和使用液壓臺車、濕噴機械手等大型施工設(shè)備的條件下，也應(yīng)控制在9.0 m以內(nèi)。

2)嚴格施作超前預(yù)支護(包括周邊超前支護和掌子面加固)，擠壓變形段周邊宜采取雙層預(yù)支護。預(yù)支護灌漿對加固圍巖有利，要從嚴對待。

3)視圍巖穩(wěn)定與松散程度確定是否采取掌子面噴混凝土或預(yù)加固等措施。當(dāng)采取纖維錨桿預(yù)加固時，其有效加固長度至少大于核心受拉區(qū)范圍1.5倍［7］、間距為1 m×1 m，搭接長度不小于2 m。

4)開挖遵循短進尺、弱爆破原則［8］，并合理確定振速標準。對于Rb≤5 MPa的軟弱圍巖必須爆破時，其振速宜控制在1.5 cm/s以內(nèi)(距離掌子面15 m位置，下同);對于Rb=5～10 MPa巖石宜控制在3 cm/s以內(nèi);對于Rb＞10 MPa，巖石宜控制在5 cm/s以內(nèi)。

2.2.4 支護優(yōu)化設(shè)計與施工要點

1)無論圍巖強度應(yīng)力比如何，按設(shè)計和工藝要求施作支護后，如果圍巖長時間不穩(wěn)定且變形快達到預(yù)留變形的75%時(通過復(fù)測斷面分析)，此時必須盡快補強支護。所有措施用完仍有變形且不穩(wěn)定，那么只有緊跟襯砌，并加大襯砌混凝土的配筋，但當(dāng)斷面不足以設(shè)置二次襯砌混凝土?xí)r，只有擴挖處理。

2)長錨桿或加密錨桿、嵌拱、圍巖固結(jié)灌漿、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨筋樁、錨索等加強措施，這些措施均有工程案例采用，施工單位只能提出建議，如何選擇取決于設(shè)計與工程投資。

3)當(dāng)圍巖強度應(yīng)力比＜1，建議設(shè)置長砂漿和預(yù)應(yīng)力錨桿、鎖腳錨筋樁、必要時在大變形的部位設(shè)置錨索，其支護參數(shù)要依據(jù)松動圈的實際檢測成果進行設(shè)計。

4)極高地應(yīng)力的工程軟巖擠壓變形、軟弱圍巖或膨脹巖宜使用剛度較大的型鋼拱架。

5)鎖腳錨管在拱腳位置宜順拱架切向打入開挖輪廓線外，同時再結(jié)合徑向錨桿與拱架焊接，尤其是環(huán)向開挖時，錨管角度更容易控制。當(dāng)開挖高度＞5 m時，再在拱腰位置增設(shè)鎖腰錨桿。

6)當(dāng)為擠壓大變形時，鎖腳錨管宜使用錨筋樁，同時保證其豎向夾角外插＞30°。錨筋樁設(shè)置參數(shù)由設(shè)計確定，施工成樁后再用槽鋼縱向連接所有樁頭，以達到整體控制變形的效果。

7)噴射混凝土宜外摻0.8～1 kg/m3聚炳稀網(wǎng)狀纖維，較鋼纖維柔韌性好，對適應(yīng)變形有利。

2.2.5 信息成果卡控要點

1)假定隧道在有支護且能有效受力條件下的圍巖總變形為Δ(＜δ)，由3個階段變形增量組成:即開挖前后與支護施工期間的變形為Δ1、系統(tǒng)支護完成至初始量測時的增加變形為Δ2、監(jiān)控量測期間的增加變形Δ3，而 Δ1+Δ2占了 Δ 的60% ～70%，如果滯后安裝甚至可達到80%(斷面掃描驗證)，所量測到的Δ3僅占Δ的20%～40%，為此必須認真及時有效開展量測工作。

2)量測預(yù)警值設(shè)置要科學(xué)合理。鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程［9］規(guī)定實際變形U＞2/3U1B(=65%U0，式中U0為初期支護極限位移)時將停止施工，其預(yù)警值設(shè)置存在風(fēng)險。因為很多例子發(fā)現(xiàn)量測未超過該預(yù)警值(例如10 cm)，卻已存在變形過大(實測變形＞100 cm)導(dǎo)致坍方或影響襯砌厚度的案例。

3)軟巖的松動圈測試意義重于振動檢測，因為它是確定加強支護參數(shù)的直接條件。根據(jù)實現(xiàn)變形情況，大致沿洞徑設(shè)置5～9個測點，孔徑不小于76 mm，孔深要超過塑性區(qū)，一般不小于15 m。

4)爆破振動檢測充分利用時程曲線統(tǒng)計回歸分析近似計算公式，以優(yōu)化弱爆破設(shè)計。

5)宜設(shè)置鋼筋應(yīng)力計、應(yīng)變計、接觸應(yīng)力計等儀器觀測，其成果是優(yōu)化支護參數(shù)或確定加強支護參數(shù)的基礎(chǔ)。

6)因量測到的數(shù)據(jù)不能夠代表隧道的實際變形，必須及時復(fù)測斷面，一方面可以修正預(yù)留變形量，另一方面可以盡早發(fā)現(xiàn)是否存在大變形及變形特點。斷面復(fù)測有條件時最好使用掃描儀，以使變形分析可靠。

2.2.6 結(jié)構(gòu)(二次襯砌)混凝土施作時機

新奧法的精髓強調(diào)支護變形基本趨于穩(wěn)定后是施作結(jié)構(gòu)混凝土的最佳時機，但針對大變形軟弱圍巖而言，如果變形速率較小且數(shù)月難以趨于穩(wěn)定時，設(shè)計在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮加強襯砌，這對于特別強調(diào)安全步長的鐵路隧道工程尤為重要。另外，不同行業(yè)對變形速率傾向于穩(wěn)定的規(guī)定是不同的，這個取決于設(shè)計或相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 案例1

錦屏二級電站C2標1#，2#引水隧洞典型綠泥石片巖長772 m，埋深1 450～1 800 m、實測1 350 m處的σmax=43.5 MPa，Rbmax=37.1 MPa、Rbmin=6.2 MPa，軟化系數(shù)0.5、微膨脹。綠泥石片巖如圖2所示。原開挖洞徑13.4/13.8 m，支護參數(shù)為:①φ28 mm超前中空錨桿、L=4.5 m、@=0.3 m。②型鋼或格柵拱架，@=0.5～1 m，其中格柵200 ×200，主筋 φ25、HW 型鋼為200×200×8×12。③6/9 mφ32 mm砂漿錨桿徑向相隔布置，@=0.5×1。④φ8 mm鋼筋網(wǎng)、濕噴厚25 cm CF30聚炳稀網(wǎng)狀維纖混凝土。結(jié)構(gòu)混凝土先仰拱施工且采取針梁式臺車，無法緊跟(通常完成開挖后統(tǒng)一施作混凝土)。施工期，因?qū)こ誊泿r變形機制認識差異，導(dǎo)致上臺階的邊墻、底板邊腳等部位大變形，在按設(shè)計支護施工情況下發(fā)生最大變形110 cm。據(jù)此方案優(yōu)化為:①預(yù)留變形量 Rb/σmax=(0.14～0.85)＜1，Rb=6.2 MPa＞5 MPa，預(yù)留變形量0.45/0.60 m((3 ～4)δ0，不含允超)，開挖洞徑增至14.3/14.6 m。②雙層超前小導(dǎo)管，管長6 m、@=0.3～0.4 m，其中第 1 層外插 30°～45°;掌子面 φ25 mm纖維錨桿，長4.5 m(核心受拉區(qū)3 m)、@=1 m，同時噴厚5～8 cm聚炳稀網(wǎng)狀纖維混凝土(實際摻量0.9 kg/m3)。③圍巖灌漿，孔深9 m、間距2 m×2 m，壓力0.5～2 MPa、分段灌注純水泥漿。④HW200型鋼，@=0.5 m。⑤12 t預(yù)應(yīng)力錨桿，長9 m、@=1.0 m，縱向與槽鋼整體聯(lián)接。⑥錨筋樁9 m(3φ32 mm小鋼筋籠)、@=1 m，θ=30°，縱向槽鋼與樁頭焊接并灌注混凝土。⑦1 000 kN錨索(7φ15.2 mm鋼絞線)，l=15 m、@=3 m。軟巖大斷面綜合支護措施如圖3所示。

圖2 綠泥石片巖Fig.2 Chlorite schist

圖3 軟巖大斷面綜合支護措施Fig.3 Support of large cross-section tunnel in soft rock

上下臺階法施工，進尺1 m，弱爆破。Atlas三臂臺車鉆鑿錨桿孔，錨桿采取先灌漿后插桿工藝、Nomet機械手濕噴混凝土。根據(jù)量測選擇加強支護措施的施作時機。效果:振速v＜3 cm/s(距掌子面10 m)，松動范圍3～5.2 m(徑向設(shè)置5φ76 mm檢測孔，孔深15 m)。收斂穩(wěn)定時間由9～12個月下降至1～3個月(穩(wěn)定標準0.15～0.2 mm/d，美國基康收斂計，精度0.1 mm，不能用全站儀，因達不到該要求)，多點位移計孔口累計變形43 mm、錨索受力700～900 kN、錨桿和錨筋樁鋼筋應(yīng)力＜230 MPa、接觸應(yīng)力＜2.91 MPa，混凝土的鋼筋應(yīng)力 ＜50 MPa、應(yīng)變 ＜ 200 με、無應(yīng)變 ＜69.23 με，鋼拱架應(yīng)變 ＜1 649.18 με。這些數(shù)據(jù)足以驗證支護受力良好，而混凝土承受外力極小。同時對斷面掃描458個數(shù)據(jù)統(tǒng)計，僅有16.9%的點因噴層過厚需稍加處理外，其余89.1%的點滿足設(shè)計要求且有富余。

3.2 案例2

京福鐵路某隧道在DK780+970～+955段上臺階(高5.5 m)發(fā)生大變形，其中拱頂初期支護下沉10～70 cm。變形部位埋深35 m，線路偏壓，無地質(zhì)構(gòu)造存在。洞身為全風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r，在連續(xù)降雨后受地表水下滲土體變軟。開挖斷面尺寸14.86 m×12.4 m，面積152.4 m2，上下臺階開挖。變形部位原設(shè)計支護:Ⅴb型鋼I22a，間距0.6 m/榀，拱墻噴混凝土C30，厚28 cm。φ6鋼筋20 cm×20 cm、錨桿 1.5 m ×1.5 m(拱部)、1.2 m ×1.2 m(邊墻)，L=4 m。變形部位處理措施:預(yù)留變形量25 cm(設(shè)計圖規(guī)定Ⅴ級圍巖10～15 cm，規(guī)范為12 cm)，屬于淺埋偏壓，滲水、全風(fēng)化，圍巖強度應(yīng)力比＞7，滿足 δ=(1.5～2)δ0要求。擴挖前，為保障處理施工安全，先對變形部位圍巖作臨時支撐和5 mφ50 mm小導(dǎo)管徑向注漿加固圍巖(@=1.5 m×1.5 m，1∶1水泥漿，壓力1～1.5 MPa);換拱前先施作φ50 mm雙層超前小導(dǎo)管，再擴挖換拱。下臺階一次長度控制在3 m內(nèi)并及時支護成環(huán)，之后再對邊墻進行灌漿加固處理。拱架均變更為HW175型鋼、間距0.6 m/榀，其余原設(shè)計參數(shù)不變。效果:結(jié)構(gòu)混凝土厚度滿足設(shè)計，工程竣工2年，現(xiàn)場察看二次襯砌無裂紋。

4 結(jié)論與建議

軟弱圍巖山嶺隧道也是坍塌事故的多發(fā)帶，國家有關(guān)部委聯(lián)合出臺文件強制性限制隧道各工序作業(yè)人數(shù)，并要求提高機械化施工水平，傳統(tǒng)的CRD、三臺階法施工就有其局限性，但上下臺階法、CD法有其明顯優(yōu)勢，同時也能夠在采取預(yù)加固措施后實現(xiàn)較大斷面掘進。

合理加大預(yù)留變形量、支護參數(shù)先偏于保守設(shè)計是大斷面軟弱圍巖隧道(洞)變形控制技術(shù)的先決條件。在現(xiàn)場試驗段取得成果后再進行優(yōu)化設(shè)計調(diào)整，即便變形未能夠有效控制，但也有利于快速分析原因與進一步采取對策;同時還要從根本上重視各類量測及爆破與松動圈檢測、斷面復(fù)測工作，這是盡早發(fā)現(xiàn)變形和為支護優(yōu)化、施工方案調(diào)整的基礎(chǔ)。由于軟巖地質(zhì)條件更為復(fù)雜，設(shè)計參數(shù)一般采取動態(tài)設(shè)計原則，為此施工單位更應(yīng)該對關(guān)鍵工序進行卡控，確保不削弱支護力，一旦有變形發(fā)生，才能為設(shè)計分析原因提供可靠依據(jù)。

大變形長達2個月都難以趨于穩(wěn)定，遇極高地應(yīng)力大變形地層，又特別強調(diào)開挖工法、安全步距，并把其列為鐵路隧道建設(shè)“隧9條”的強制性規(guī)定中，因此本文介紹地應(yīng)力50 MPa條件下(除本工程外，目前國內(nèi)還沒有其他案例)，工程軟巖采取長臺階大斷面開挖、控制變形采取錨索與錨筋樁等有效措施的觀點，于鐵路、公路工程而言尚有商榷之處。

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