山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖大變形隧道施工技術(shù)研究

馮 斌

（中交路橋南方工程有限公司,北京 101121）

0 引言

山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖大變形隧道施工環(huán)節(jié)存在著較為棘手的技術(shù)難題。軟巖自身的變形速度快，且變形量分布不均、持續(xù)時間長，施工環(huán)節(jié)很容易出現(xiàn)位移超量、塌方、冒頂?shù)葐栴}，給施工人員生命安全帶來威脅，造成嚴(yán)重的人員、經(jīng)濟損失。新時期我國公路工程向著地形、地勢更復(fù)雜的區(qū)域發(fā)展，如何克服該類技術(shù)問題，實現(xiàn)施工質(zhì)量和效能的優(yōu)化，成為各界關(guān)注的焦點問題。

1 山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖變形特點

圍巖變形情況是公路隧道施工環(huán)節(jié)必須關(guān)注的重點問題。隧道開挖會直接破壞圍巖原有結(jié)構(gòu)框架，使其產(chǎn)生彈性變形或塑性變形，給施工帶來一定影響。在山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖大變形隧道施工過程中，這種影響會更加明顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是圍巖變形速度快，變形初期表現(xiàn)尤為明顯，流變特征突出且持續(xù)時間長，很容易對襯砌、支護造成破壞，使其出現(xiàn)扭曲、斷裂等問題。與之相比，堅硬圍巖的施工條件要好很多，可以在開挖變形后迅速穩(wěn)定下來，變形速率也相對較小。二是圍巖變形量較大，由于巖體本身易破碎、易風(fēng)化，因此開挖后很容易出現(xiàn)塑性變形情況，進而導(dǎo)致破壞問題。常見的破壞形式非常多樣，比如噴射混凝土脫落、鋼架變形、拱頂坍塌[1]等。三是圍巖變形壓力增長快。山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖性能較為特殊，開挖后會在短時間內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)化破碎問題，因此壓力增長較快，若施工支護較為科學(xué)合理，該種變形尚可以得到有效遏制，若支護襯砌不及時，很容易出現(xiàn)安全事故。

2 山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖大變形隧道施工案例概況

為直觀說明山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖大變形隧道施工技術(shù)要點，文章以某地公路隧道工程為例加以論述。該隧道全長65.4 km，隧道洞身穿過大型山脈帶，地形切割較為明顯，多處分布著斷裂構(gòu)造帶，施工區(qū)域最大埋深1 432 m，最大地應(yīng)力30.6 MPa。采用雙洞分修方案，兩線路之間相距35.7~46.2 m，另外設(shè)置了平導(dǎo)、外移平導(dǎo)，共計四線平行開挖。隧洞周邊巖體類型較為多樣，包含灰?guī)r、炭質(zhì)千枚巖等，開挖后呈現(xiàn)碎塊狀，可以在較短時間內(nèi)風(fēng)化破碎。對局部區(qū)域進行開挖試驗和勘查后發(fā)現(xiàn)，開挖面的收斂變形速度相對較快，有明顯的坍塌、掉塊現(xiàn)象，可能會對支護體系產(chǎn)生擠壓和破壞（見表1）。為減少地質(zhì)地形條件帶來的不利影響，規(guī)避圍巖變形過快、變形量過大導(dǎo)致的支護變形、襯砌開裂風(fēng)險，該次綜合使用了復(fù)合式襯砌策略、長短錨桿群錨支護策略等，對施工方案進行優(yōu)化調(diào)整，下面對技術(shù)細(xì)節(jié)展開論述。

表1 YD362+750~YD362+775段測量結(jié)果

3 山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖大變形隧道施工控制技術(shù)分析

3.1 圓形斷面開挖技術(shù)

此次施工引入BIM技術(shù)、FLAC3D技術(shù)進行模型搭建和模擬分析。搭建內(nèi)容包含隧道圍巖結(jié)構(gòu)、隧道開挖結(jié)構(gòu)等，綜合參考地質(zhì)鉆孔資料，選取適宜的斷面開挖形式?，F(xiàn)階段可用的開挖形式較為多樣，主要包含圓形、橢圓形、馬蹄形等，不同形式的特征優(yōu)勢不同，開挖技術(shù)也存在一定差異。對于山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖大變形隧道來講，圓形斷面的適用性是最高的，由于其輪廓較為圓順，且不存在轉(zhuǎn)折、隅較，因此各方向受力情況較為均衡，有助于提升圍巖穩(wěn)定性和初支結(jié)構(gòu)可靠性。同時，高應(yīng)力軟巖本身的變形量大、壓力增長快，圓形斷面也能夠更好地調(diào)和隧道頂壓、側(cè)壓參數(shù)，確保其與底部隆起壓力的協(xié)調(diào)分配[2]。在圓形斷面的基礎(chǔ)上，配合進行了雙層支護設(shè)計，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)能夠有效地維持圍巖穩(wěn)定性，防止初支開裂塌陷。

3.2 平導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

隧道平導(dǎo)主要起到輔助施工作用，可以較好地改善主洞施工環(huán)境。案例工程方案設(shè)計初期，采用了三線并行開挖思路，平導(dǎo)位于中央?yún)^(qū)域，左右線同時開工。經(jīng)過現(xiàn)場開挖試驗和勘探后發(fā)現(xiàn)，大變形段地質(zhì)條件較為復(fù)雜，頁巖、炭質(zhì)頁巖等廣泛分布，輝綠巖脈大量侵入，分布規(guī)律不明顯，施工環(huán)節(jié)不僅容易受到高地應(yīng)力影響，還會受高瓦斯等因素威脅。且正線平導(dǎo)部分圍巖變形也十分明顯，經(jīng)量化測量判定為嚴(yán)重大變形，具有變形速率高、壓力大的鮮明特征，部分支護體系受此影響，也出現(xiàn)了破壞問題。以YD362+820斷面為例，區(qū)域內(nèi)豎直、水平方向均出現(xiàn)了變形收斂情況，變形、收斂量分別達(dá)到了371.25 mm和131.6 mm，對雙層支護鋼架產(chǎn)生了較大壓力，鋼架局部出現(xiàn)扭曲、折斷問題，平導(dǎo)的通風(fēng)、排水工作也難以保障。當(dāng)前右線施工相對滯后，但如果繼續(xù)沿用初期設(shè)計方案，勢必會加劇變形問題，因此通過現(xiàn)場調(diào)研和專家論證，對方案進行了適當(dāng)調(diào)整，決定將平導(dǎo)外移一段距離，消除群洞效應(yīng)可能帶來的不利影響。外移方向為右側(cè)，距離為70 m，同時對原有平導(dǎo)進行回填和加固，確保圍巖穩(wěn)定性的提升。

3.3 注漿堵水技術(shù)

山嶺重丘區(qū)高應(yīng)力軟巖隧道開挖環(huán)節(jié)，還需要重點關(guān)注注漿堵水問題。從設(shè)計參數(shù)看，工程襯砌對水壓的承受能力是有限的，上限值設(shè)定為0.6 MPa，超過該臨界值很容易出現(xiàn)漏水、開裂問題，給施工失敗埋下隱患。案例隧道部分區(qū)段下穿高川河區(qū)，測量長度約83 m，河流水位較為穩(wěn)定。從模型分析結(jié)果看，該河段灰?guī)r較發(fā)育，巖體易破碎、易風(fēng)化，隧道頂部還存在節(jié)理裂隙發(fā)育問題，后期如果與河水聯(lián)通，將會造成嚴(yán)重的滲水、塌陷事故?；诖?，施工環(huán)節(jié)引入了連續(xù)超前周邊注漿技術(shù)，與局部徑向注漿技術(shù)相配合，可以在外層打造出隔水環(huán)封閉層，確保高富水區(qū)段施工順暢性，降低后期涌水概率。注漿用料為水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在1 MPa左右。由于該項子工程屬于高風(fēng)險工程項目，因此施工環(huán)節(jié)需要進行跟蹤化、動態(tài)化的監(jiān)控監(jiān)測管理，提前分析和確定報警閾限值，做到及時響應(yīng)和及時處理。該次斷面拱頂下沉速率極限值[3]設(shè)置為5 mm/d，當(dāng)下沉量累計到100 mm，或者監(jiān)測數(shù)據(jù)異常突變時，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信息，現(xiàn)場施工必須馬上暫停，經(jīng)過圍巖注漿加固后，方可繼續(xù)施工。注漿時，鉆孔深度應(yīng)當(dāng)維持在1.5~5 m，持續(xù)注入直到漿液灌滿溢出，確保漿液充分填滿變形裂縫，確保圍巖外側(cè)形成結(jié)構(gòu)完整、強度較高的防水環(huán)體系，防止異常變形問題和滲水冒頂問題擴散蔓延。

3.4 臺階及仰拱開挖技術(shù)

從既有的軟弱圍巖隧道施工案例看，分部法是較為常用的開挖技術(shù)方案，根據(jù)操作細(xì)節(jié)不同，又可以劃分為預(yù)留核心土環(huán)形開挖、交叉中隔壁開挖等類型，能夠較好地應(yīng)對軟弱圍巖施工技術(shù)難題。案例工程巖體本身較為脆弱，整體走向為N40~60°E，傾向NW，勘查發(fā)現(xiàn)山脈穿越褶皺發(fā)育，巖層傾角較大，為65~85°，隧道開挖段落地應(yīng)力最大值32 MPa，采用分部開挖法是較為適宜的。具體來看，由于山脈巖層本身存在較為明顯的傾斜，因此推薦使用兩臺階施工方案，下臺階部分率先施工，帶仰拱一次性開挖，這樣可以有效減小施工擾動，避免頻繁爆破帶來的巖體坍塌風(fēng)險，在保證開挖施工需求的同時維持巖體自穩(wěn)性。一次性開挖的做法還能夠擴大施工空間，方便大型設(shè)備進入，有助于縮短工期、提升效率。對于輕微或中等變形區(qū)域來講，直接使用該種方式即可滿足需求，但嚴(yán)重大變形區(qū)域還需要預(yù)留一定的變形量。因此，在兩臺階施工的基礎(chǔ)上，搭配使用了“臨時仰拱+預(yù)留核心土”的技術(shù)方法，兩期支護分別預(yù)留15 cm和25 cm，能夠最大限度地保證施工安全。

3.5 隧道支護技術(shù)

案例工程位于山嶺重丘區(qū)，局部構(gòu)造扭曲明顯，且圍巖性能不太穩(wěn)定，支護體系設(shè)計難度較大，若采用普通砂漿錨桿方式，鉆孔環(huán)節(jié)面臨的潛在風(fēng)險非常大，很容易出現(xiàn)塌孔、縮孔等狀況。對比分析后認(rèn)為，采用中空錨桿較為適宜，可以較好地應(yīng)對軟巖大變形段施工難題，有助于強化錨桿的支撐、加固功能。鉆孔環(huán)節(jié)使用專業(yè)錨桿鉆機，能夠較好地達(dá)到維穩(wěn)、錨固目標(biāo)，確保圍巖抗剪強度的提升。為提升施工設(shè)計的科學(xué)性，此次還引入了地質(zhì)雷達(dá)、聲波探測技術(shù)[4]等，對施工區(qū)域松動區(qū)進行探查和圈定，確保錨桿參數(shù)、點位的優(yōu)化。支護作業(yè)分兩期進行，共使用長短兩種規(guī)格錨桿，直徑分別為32 mm和22 mm。對于輕微變形區(qū)段，搭配方式為短錨桿4 m+長錨桿6 m；對于中等、嚴(yán)重大變形區(qū)段來說，則使用短錨桿4 m+長錨桿6~8 m。不同規(guī)格的錨桿組合起來，能有效消除圍巖松弛帶來的不利影響，延緩變形速度的同時保證圍巖穩(wěn)定性。錨桿組內(nèi)采用梅花形布置方式，縱橫間距控制在1.0~1.2 m之間（見圖1）。施工時需要按照設(shè)計點位開孔，確保鉆孔、初支面處置，然后在壓力注漿技術(shù)的支持下，對錨桿進行安裝固定，壓力值控制在0.3~0.5 MPa較為適宜，混凝土內(nèi)可適當(dāng)摻入早強劑等化學(xué)試劑，最大限度地減少漿料收縮帶來的不利影響。注漿60 min后對混凝土進行強度檢測，達(dá)到20 MPa設(shè)計值方可通過驗收。支護完成后還需要加強初支變形監(jiān)測，以案例工程YD362+750~YD362+975大變形段為例，此次測量主要使用了全站儀裝置設(shè)備，每5 m劃分一個監(jiān)測斷面，累計劃分變形斷面45個，其中輕微變形斷面28個，中等、嚴(yán)重大變形斷面17個，拱頂沉降累計值最大為287.6 mm，水平收斂累計值最大為291.6 mm。通過收斂情況分析可以發(fā)現(xiàn)，長短錨桿組合支護的方式能夠較為明顯地解決高應(yīng)力軟巖大變形問題，支護體系作用下圍巖載荷效應(yīng)也更加分散，圍巖自承能力呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升趨勢，可以降低支護破壞、襯砌受損的風(fēng)險，保障高應(yīng)力軟巖大變形隧道順利施工。

圖1 長短錨桿群錨組合示意圖

3.6 二次襯砌技術(shù)

此次工程施工規(guī)模較大、影響范圍較廣，為縮短工期采用了四線并行開挖方式，有助于提高施工效率，但也給襯砌施工帶來了一定難度。襯砌搭建過早，很容易受群洞效應(yīng)制約，出現(xiàn)變形超量、襯砌失敗風(fēng)險，搭建過晚則會增加事故隱患。通過模型分析和參數(shù)計算分析后發(fā)現(xiàn)，襯砌搭建環(huán)節(jié)需要重點考慮幾個指標(biāo)參數(shù)，在確定初支變形穩(wěn)定的前提下，對安全布局情況、后行洞初支封閉情況等進行檢測驗收，合格后方可組織襯砌施工。滿足這些條件的隧道結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，此時施加襯砌有助于降低內(nèi)輪廓控制難度，同時滿足變形量預(yù)留要求。該次施工對初期支護的穩(wěn)定性要求較為明確，當(dāng)隧道支護水平收斂小于0.2 mm/d，且連續(xù)7天平均值達(dá)到此要求，拱頂下沉小于0.15 mm/d時，即可視為穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)，可以開展二次襯砌施工。穩(wěn)定性觀察周期定為1個月，若限定時間內(nèi)部分區(qū)段遲遲未能達(dá)到收斂穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，則要采取必要的補強、注漿加固等措施。此外，并行施工下不可簡單地考慮單獨一線的施工情況，而要綜合多線情況進行分析計算，避免群洞效應(yīng)加劇垮塌風(fēng)險。其中先行洞二支施工要適當(dāng)后調(diào)，待到后行洞開挖至先行洞一支時再行操作，跟蹤觀察左右線初期支護變形情況，待到其全部收斂之后，方可進行二次襯砌施工，以達(dá)到減少相互擾動、維持作業(yè)面安全的目的。注意：該次工程二襯安全步距必須嚴(yán)格控制，不得超過300 m上限，若區(qū)段變形收斂時間過長、穩(wěn)定速度過慢，還應(yīng)及時補強優(yōu)化，保證施工效率和質(zhì)量的提升。

4 結(jié)語

綜上所述，山嶺重丘區(qū)地形地質(zhì)特征較為復(fù)雜，建造軟巖大變形隧道時面臨的潛在風(fēng)險較為多樣，控制不當(dāng)很容易影響施工安全和隧道質(zhì)量，實踐中務(wù)必要給予充分重視。要從圍巖力學(xué)動態(tài)特征入手，準(zhǔn)確把握其變化趨勢和規(guī)律，綜合優(yōu)化圓形斷面開挖技術(shù)、平導(dǎo)設(shè)計技術(shù)等，先控制、后釋放，保障隧道修建質(zhì)量。同時做好注漿堵水、隧道支護和二次襯砌工作，為施工安全性、可靠性的提升奠定堅實基礎(chǔ)。