大断面软岩隧道的变形特征及控制措施研究

刘光明

摘要：根据老东山隧道在施工过程中多次出现了型钢扭曲、折断，喷射混凝土大范围开裂、剥落，洞周围岩变形得不到收敛等典型的大变形特征，为保证施工安全，对洞周围岩变形的时空效应特征进行深入分析；从围岩的岩性条件、地下水条件、地质构造条件等方面，阐述了软弱围岩隧道大变形产生的原因；在现场不断试验的基础上，通过加强超前支护及初期支护措施、控制各施工工序时间和间距，保证支护系统有效性、适时性，成为软岩大变形控制的关键，确保了隧道变形开裂得到有效控制。

关键词：软弱围岩，隧道，变形特征，控制措施

中图分类号： U45文献标识码： A

随着高速铁路隧道大幅度的增加，软弱围岩条件下的大断面隧道工程越来越多，软岩隧道施工风险大、造价高，能否制定有效、合理的施工措施具有重要的意义[1]～[2]。广昆线老东山隧道为典型的大断面软岩隧道,在施工过程中初期支护出现开裂现象，其变形具有显著的时空效应特征。本文通过对监控量测数据进行系统分析，从施工工艺工法及支护参数等方面提出处理整治措施，收到了良好的施工效果。

1．工程概况

成昆线扩能改造工程广通至昆明段（简称广昆铁路）老东山隧道地处云贵高原西部，隧道全长7578米，最大埋深约370m，隧道穿越老东山F4断层、官村至白云寺F2断层和哨村F1断层三个断层，施工风险较大。

老东山隧道大变形段掌子面上台阶为灰黄、灰绿夹紫红色砂岩夹泥岩，薄至中厚层状，中下台阶岩体为灰黄夹紫红色泥岩、砂岩互层，薄至中厚层状，泥岩、砂岩均为泥质胶结，属软质岩，强风化与全风化相间，砂岩以强风化为主呈碎块状，泥岩为全风化呈土状。

2．初期支护变形开裂特征与规律分析

2.1 初期支护变形开裂特征

根据老东山隧道现场施工过程中发生的变形破坏等实际情况，总结得到初期支护大变形的特征如下：

（1）变形量大。老东山隧道该区段拱顶最大下沉量450mm，边墙最大收敛量650mm；平均下沉均在150mm以上的段落有166m；边墙的水平收敛基本都在150mm以上。

（2）开挖初期变形幅度大，变形速度快。该区段上台阶开挖当天拱顶沉降和水平收敛变形量约为20～40mm，初期支护施工完毕后为10～20mm/d；仰拱混凝土完成后保持在6～10mm/d。

（3）变形开裂出现时间早、持续时间长。变形开裂一般发生在初期支护完成2～3d后，局部出现明显的裂纹，持续时间达到15d时，情况会较为严重，易出现侵限。

（4）变形开裂部位较为集中。大部分变形开裂首先出现在围岩软弱、有地下水出露侧，呈纵向开裂；随着时间的推移，出现环向开裂并不断加剧。

2.2 初期支护变形时空效应特征

图1 隧道拱顶沉降和三基线水平收敛曲线图

根据老东山隧道典型大变形断面拱顶沉降及水平收敛变化规律如图1所示，分析得到大变形时空效应的特征如下：

（1）上中下台阶开挖当天拱顶沉降和拱腰水平收敛变形量约为20～40mm，初期支护施工完毕后为10～20mm/d，仰拱混凝土浇筑完成后保持在6～10mm/d。

（2）初期支护完成后，围岩变形仍持续增大，没有收敛的趋势，掌子面开挖16d时拱顶沉降为275mm，边墙收敛为402mm。

（3）边墙收敛受下台阶开挖的影响较大，水平收敛最大，墙脚水平收敛值最小，主要是初期支护闭合成环后刚度增加的作用。

综上所述，洞周变形受施工扰动大、变化速度快、持续时间长；初期支护闭合后，洞周变形放缓，但仍以6～10mm/d的速率持续增加，得不到收敛。

3．隧道变形控制原则与控制措施

在现场实践及理论分析的基础上，确定了“以支为主，以让为铺，支让结合”的支护原则。有针对性的采取了一些控制措施，基本确保了隧道变形开裂得到有效的控制。

3.1初支变形开裂原因分析

综合分析老东山隧道所处的地层条件及变形的分布特征，可以确定其产生大变形的原因主要有以下几个方面[2]、[6]、[8]：

(1)岩性因素，老东山隧道围岩具有一定的膨胀性，其膨胀变形率可达12%；

(2)地下水因素，现场调查表明，几乎所有的初期支护变形开裂都伴随着有渗水的影响；特别是干湿交替频繁的环境下，岩体更易风化变形破坏，浸水后粘聚力和内摩擦角急剧下降；

(3)地质构造因素，老东山隧道地处三条逆冲断层夹持的构造挤压带中，地层岩性复杂，砂岩、泥岩混杂，小断层、褶曲等各种不利结构面交错发育，隧道开挖后掌子面极易产生掉块和塌方形。

3.2 初期支护变形开裂控制措施[3]～[5]、[7]

3.2.1加强超前预支护及注浆加固

通过对隧道周边围岩进行注浆加固，一方面可提高围岩力学性能，另一方面可阻止地下水渗入隧道结构周边围岩区域，从而减小围岩的变形。施工时，注浆采用φ42mm钢花管，长度5.0m，间距1.0m梅花型布置，压注水泥浆和水泥水玻璃双液浆，注浆压力0.5～1.2Mpa，W/C=1∶1；具体浆液配比和注浆压力可由现场试验确定。

3.2.2调整初期支护参数

为了有效提前预防各种初支变形开裂险情，结合现场实际地质状况，对原设计的初期支护参数做了多项调整：预留变形量由13cm调整为25～50cm，在地质较差地段将I18b或I20b型钢钢架调整为H175或H200型型钢钢架，实施扩大拱脚、φ76大锁脚注浆导管等措施。

3.2.3施工方法优化

（1）开挖方式：为减少对洞周围岩扰动，采用液压锤代替中下导坑的爆破开挖，另外对渗水严重的段落，中下导坑分次进行落底，有效降低了安全风险。

（2）各施工工序的时间

软岩隧道各工序施工所占时间的长短对变形控制有较大影响，老东山隧道以“系统筹划、合理安排，重视施工效率、缩短作业时间，初期支护尽早成环，二次衬砌紧密跟进”为施工指导准则，将施工过程中开挖、出渣时间缩短为5小时，初期支护一般为7小时，初期支护成环后根据围岩围岩变形量测、初期支护监控量测结果确定二次衬砌浇筑时间，使其发挥部分承载作用（二衬施工时间为3天）。

（3）各施工工序的间距

上、中、下台阶工序的间距均控制在5m范围内，仰拱与下台阶的间距控制在15m范围内，，二衬与掌子面安全距离正常情况下应保持在30～50米，特殊情况下可阶段性保持在15～30米范围；上述工序间距根据现场实际情况调整，地质条件较差围岩段应尽量缩短，一方面保证初期支护早成环，保持初期支护变形量在可控的范围之内，当变形发展到临界状态前适时浇筑二次衬砌，另一方面保证各部工序有足够的施工空间，及遇到特殊围岩条件时施工方法“因地制宜”的可调整性。

4．结论

通过对软弱围岩隧道大变形特征分析，结合隧道现场施工措施的不断试验与调整，得出适合于软岩隧道大变形的控制措施。结论如下：

（1）软岩隧道初期支护开裂具有“喷射混凝土剥落，钢架局部扭曲、折断，初期支护开裂严重”等表观特征，并且洞周围岩变形具有受施工扰动大、变形速度快、持续时间长，初期支护闭合后变形得不到收敛等变形特征。

（2）软岩隧道施工应严格遵守“先预报、管超前、控爆破、短进尺、早支护、快封闭、勤量测”的方针，在软弱围岩隧道施工中具有指导性作用。

（3）软岩隧道围岩大变形主要是在岩性、地下水和地质构造的综合作用下，因开挖卸荷和围岩膨胀所导致的。

（4）通过加强超前支护及初期支护措施、控制各施工工序时间和各施工工序间距，保证支护系统有效性、适时性，确保初期支护尽早成环，根据变形量测成果适时施作二次衬砌，成为软岩大变形控制的关键。

参考文献：

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广昆铁路老东山地质资料及隧道施工监控量测资料