峡口隧道高地应力软岩大变形施工控制技术.doc

峡口隧道高地应力软岩大变形施工控制技术马军山（中铁二十局集团第三工程有限公司 重庆 401121）【摘要】 湖北宜巴高速公路峡口隧道进口段穿越薄层碳质页岩地层，在隧道区范围内，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；最大水平主应力与隧道轴线交角较大，对隧道围岩的稳定性不利；地应力量值对碳质页岩而言为极高应力。在隧道施工过程中，通过采取提高支护体系刚度、合理预留变形量，以及采用长锚杆、短进尺预留核心土和二次衬砌跟近、提高二衬混凝土强度等常规措施控制了围岩变形，保证隧道顺利施工。【关键词】 峡口隧道 碳质页岩 高地应力 大变形 控制措施1 引言随着我国铁路、高速公路建设的不断发展，隧道工程已经向长大、深埋方向发展，建设穿越高地应力且地质环境恶劣的软弱围岩区的长大隧道工程不可避免1。例如兰新复线乌鞘岭隧道、二郎山隧道、宜万铁路堡镇隧道、兰渝铁路毛羽山隧道等在施工过程中都存在高地应力软岩大变形。在高地应力区修建的地下工程，最大的难题就是软岩大变形的控制问题2。目前，关于围岩大变形还没有一个明确的和清晰的定义，在理论上缺乏系统研究，在工程实践中，围岩大变形至今未列入设计规范。国内外许多专家对高地应力软岩隧道修建技术进行了大量研究，分别从支护措施、开挖方法等方面提出相应观点和解决办法。在建湖北宜巴高速公路峡口隧道，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；最大水平主应力与隧道轴线交角较大，对隧道围岩的稳定性不利；地应力量值碳质页岩而言为极高应力。隧道初期支护后出现严重的大变形情况。本文结合峡口隧道进口高地应力软岩大变形工程实例，研究薄层碳质页岩地层大变形的发展规律和力学机理，在施工过程中探求合理的治理措施，达到有效控制围岩变以及快速掘进的目标，从而保证工程的顺利施工；同时，进一步深化并丰富软岩隧道大变形研究，为该类隧道工程设计施工控制提供理论研究。2 工程概况在建的峡口隧道位于兴山县峡口镇境内，为路线穿越一近南北走向山岭而建设。隧道采用分幅式，其左幅起讫桩号ZK104+214ZK110+670，总长6456.0m，右幅起讫桩号YK104+223YK110+710，总长6487.0m。隧道进口小间距18m、出口26m，单幅隧道净空为(宽高)10.255m。灯光照明，机械通风，隧道最大埋深约1478m，属深埋特长隧道。隧道进口段通过的软岩地层主要为志留系龙马溪组(S11)：黑色页岩、碳质页岩、泥页岩夹薄层粉砂岩及砂岩，层间结合力差，岩体较破碎，呈水平薄层状，拱顶易顺层片落。通过对斜向上150孔及铅直孔水压致裂法地应力试验及测试结果的分析研究，得到如下结论3：（1）实测深度范围内,隧道边墙围岩最大水平主应力最大值为8.75MPa、最小主应力值最大值为6.07MPa；（2）铅直孔最大水平主应力最大值为13.06MPa、最小水平主应力值最大值为7.18MPa；（4）实测范围内，隧道区铅直孔的最大水平主应力方向基本为NE150；（5）结果表明:在隧道区范围内，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；（6）最大水平主应力与隧道轴线交角较大，对隧道围岩的稳定性不利。（7）隧道掌子面岩层的小褶皱也表明了该隧道区内是以构造应力场为主导，且与隧道轴线交角较大；（8）本次测试的隧道部位埋深仅240m，地应力量值对碳质页岩而言为极高应力。隧道软岩地层段采用上下台阶预留核心土法开挖，初期支护钢架采用I16型钢（1榀/1.0m）。支护后围岩变形较大,变形速率较快,拱顶最大下沉达640mm，周边收敛最大190mm。隧道大变形造成初期支护混凝土开裂、剥落，拱架发生严重的扭曲变形，需要大面积换拱，造成重大经济损失，严重困扰施工安全，影响工期。3 隧道变形破坏特征3.1 围岩变形特征3.1.1变形量、变形速率大隧道开挖后，围岩变形强烈，拱顶最大下沉640mm，最大周边收敛190mm，拱顶下沉远大于周边收敛，表明隧道区地应力场以水平应力为主导。围岩初期变形快且变形速率大，表明来压快,围岩具有软弱、完整性差和自稳能力差的特点。如： ZK104+998断面最大下沉可达85mm/d。3.1.2变形持续时间长在大变形段，隧道围岩变形持续时间长。在初期变形后，变形并未停止，而在持续发展，拱顶下沉较快。围岩持续变形，造成初期支护变形过大而发生破坏，导致初期支护侵限，进行换拱处理。3.1.3围岩变形拱顶下沉变形远大于周边收敛。3.1.4围岩变形具有明显阶段性监控量测数据显示，上台阶开挖拱顶下称量占总量的35%左右，前面掌子面开挖和下台阶开挖拱顶下沉量占总量的65%，所以掌子面爆破和下台阶、仰拱爆破对围岩变形影响很大。3.1.5工序干扰易引起突变初期支护完毕后，受工序对围岩的扰动影响，变形加速的特征非常明显，特别是掌子面爆破、下台阶、仰拱开挖时产生突变现象。带来较大的灾害，初期支护变形侵限处理困难、危险，不及时处理带来塌方。3.2初期支护变形特征隧道洞身ZK104+900ZK105+150、YK105+060YK105+200段主要为薄层碳质页岩，岩体软弱破碎、，水平薄层状，层厚510cm，褶皱发育，自稳能力差，开挖后易掉块、坍塌。初期支护后，随着围岩变形，边墙开裂，拱顶下沉，初期支护严重变形破坏，钢架现扭曲变形成S状或麻花状。（掌子面围岩情况图1，初期支护边墙开裂 2,钢架扭曲变形图3，拱顶下沉最大值64cm,图4）。图1掌子面揭露围岩节理、裂隙发育情况图2初期支护边墙开裂图3 钢架扭曲变形图4 拱顶下沉最大值64cm对薄层碳质页岩初期支护体系（锚，网、钢拱架、喷）现场围岩量测数据进行分析，变形破坏规律表明：当累积变形量不超过100mm时，初期支护安全可靠；当累积变形量超过100mm时，拱部喷射混凝土表面脱落，纵向和环向均开裂，局部掉块；当累积变形超过200mm时，工字钢开始变形，出现扭曲错位，喷射混凝土大面积开裂、掉块，此时要进行加固处理，开始换拱，不然就会出现塌方。4 隧道大变形机理分析4.1 高地应力、软岩是大变形的内因4.1.1地应力特征在隧道区范围内，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；最大水平主应力与隧道轴线交角较大（斜向上150钻孔的最大水平主应力方向为NW2740左右，铅直钻孔最大水平主应力方向为NE150左右。）3，对隧道围岩的稳定性不利。4.1.2岩体强度特征碳质页岩薄层状，强度低，层间结合差，易风化，受到震动后极易失稳。4.2爆破震动是大变形的外因蓄存在岩体内部未受扰动的应力，称之为地应力(Insitu stress 或Geostress)，它是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其它固体如土体的最基本特征3。隧道开挖前，岩体处于三项受力的高地应力环境，处于稳定平衡状态4。隧道开挖后，岩体原有天然受力状态遭到破坏，引起围岩应力状态重新分布，一部分地应力以变性能的形式释放，一部分则向围岩深部转移，发生应力重分布和局部区域应力集中，并不断调整以期达到与当前环境相适应的新平衡状态。开挖卸荷导致应力重分布，局部应力集中，隧道围岩开始变形，随着时间的增长和爆破震动的影响，变形不断增加。因此爆破震动是围岩大变形的的外部因素。因此隧道在开挖过程中，应尽量减少对围岩的扰动。4.3支护强度弱、施工方法不当是产生围岩变形的直接原因国内外许多工程实例表明,由于设计初期对高地应力条件下围岩大变形认识不足,采用的初期支护参数较弱(钢支撑较弱、预留变形小、二次衬砌施作滞后等)，导致围岩变形发展快，已造成初期支护破坏。同时，施工方法、初期支护闭合时间对围岩变形影响极为显著。软弱围岩隧道，采用长台阶法施工，仰拱闭合滞后，不能及时形成封闭的支护结构体系，二次衬砌无法及时跟近，导致初期支护在支护强度不足的情况下产生大变形，导致初期支护侵限，甚至引起塌方，而不得不进行初期支护拆换，扩挖等处理。5 大变形施工控制技术隧道在较大的构造应力与高地应力作用下，其拱顶及两侧易发生破坏，为了抑制这种破坏，支护设计应采用以提高围岩自身强度为主的支护控制系统，组织应力场引起的岩层运动的发展，以保证支护后的隧道稳定。因此，解决大变形给隧道带来的危害，一方面要找到合理的、能抗高地应力的的支护系统5；另一方面，通过地应力控制释放技术，使正洞开挖时处于较低地应力状态，有效降低围岩变形。目前隧道施工中多采取提高支护刚度控制变形，通过调整施工方法、支护结构形式和支护时间等，以控制并使其适合围岩动态演化路径，使隧道围岩以稳定方式达到新的动态平衡。5.1提高支护系统刚度与整体受力性能5.1.1调整支护参数，提高支护系统刚度原设计初期支护采用钢架型号I16 1.0m（不成环），钢架严重扭曲，拱部喷射混凝土产生裂缝并大面积掉落，初期支护发生结构性破坏，无法保证施工安全。后调整到成环I18 0.6m，以提高支护刚度和强度，减小围岩变形。5.1.2根据新奥法原理，提高支护体系整体受力能力隧道大变形支护系统是指支护结构和周边围岩的结合体,不仅指钢架、喷混凝土等支护结构本身，还包括锚杆、注浆等方式加强支护结构与周边围岩的联系，从而使支护结构与围岩形成整体支护体系，抵抗开挖后地层应力作用。具体措施主要有加强超前预支护（42超前注浆小导管，长度4m）、钢架间设置双层连接钢筋（22螺纹钢筋，内外双层布置，环向间距1.0m）、双层钢筋网（8双层钢筋网）、锚杆采用中空注浆锚杆、初期支护后回填灌浆等。对于施工完毕未施作二衬出，发生大变形，通过设置套拱和拆换拱架提高支护强度，但对成本和进度有很大影响。5.2采用超短台阶法施工，初期支护快速封闭成环大变形隧道在满足施工开挖要求和台阶稳定的情况下，尽可能缩短上台阶长度，可以尽快使支护结构形式闭合成环，控制围岩变形。峡口隧道采用上下台阶预留核心土法施工，加快工序衔接、缩短工序间距、快速封闭成环；仰拱紧跟下台阶，距离掌子面不超过50m;二次衬砌紧跟仰拱，距掌子面不超过80m。及时施作仰拱，可有效减缓围岩变形速率，使初期支护及早闭合成环，承受围岩压力。实践表明，采用短台阶预留核心土法施工，对于控制围岩大变形，具有明显的效果。5.3通过D25中空锚杆和长锚杆控制围岩大变形国内外著名的的大变形隧道工程实践表明，长锚杆是控制软岩大变形的重要手段之一。设计改进后，将原来3.5m系统锚杆加长，采用4.5m长，D25中空锚杆，以穿透软弱围岩塑性区，达到对围岩加固的目的。D25中空锚在施工中要严格控制锚杆长度、角度、注浆压力等工艺。一方面随着锚杆长度的增加，长锚杆施工难度大，对工艺要求严格，在具体实施过程中有许多技术要求和要点必须进行控制，否则难以达到预期效果；另一方面从工程造价角度讲也是不科学的。因此，长锚杆控制变形是有很大作用的，但是不能一味的采用增加锚杆长度的办法来控制洞室变形。针对不同的地质条件，到底采用多长的系统锚杆才算是合理，既能有效控制大变形，又能达到经济合理是要解决的问题。5.4减少对围岩的扰动在施工过程中应尽量减少诱发围岩变形的不利因素，控制围岩变形发展。具体从以下几方面进行控制：采取辅助工法，利用超前预支护，对软弱围岩主动进行加固控制，施工中采用4.0m长的42注浆小导管，以此作为超前于预支护的加固措施。严格控制爆破参数，尽量减少对围岩的扰动，同时预留核心土，每循环进尺控制在0.6-1.2m，以减少由于长进尺大药量引起的围岩扰动。下导坑开挖采用松动爆破，破碎地段采用挖掘机开挖，以免爆破震动的影响。5.5合理预留变形量根据围岩量测数据及时掌握围岩变形情况，合理预留补强空间。由原来的120mm，调整为200mm。适当的预留变形可有效释放蕴藏于高地应力场中的弹性变形能，这也是大变形隧道支护的一般原则。5.6适时进行二次衬砌，是大变形控制的关键对于大变形围岩隧道，变形量大，收敛速度慢，远未达到规范要求的的收敛变形速率时初期支护就已失稳破坏，因此，确定合理的的二次衬砌施作时机对于大变形围岩隧道至关重要。根据现场变形检测规律分析，峡口隧道软岩地段变形速率小雨1-2mm/d时，应施作45cm厚的钢筋混凝土二次衬砌，距离掌子面70-80m左右，可有效控制大变形发展。这是软岩大变形控制中“先放后抗”的原侧。以上措施在现场进行了实践，根据监控量测反馈的信息，对于变形控制较为有效，但仍需通过现场的不断总结优化，进一步提高其经济性和高效性。5.7监控量测与信息化施工加强现场监控量测、重视地质超前预报、动态控制软弱围岩大变形是隧道施工中的重要环节。峡口隧道施工过程中，采用TSP203plus地质超前预报、地质雷达、超前钻孔等多种手段进行了综合超前地质预报，起到了及时掌握掌子面前方地质情况，为提供相应的应对控制措施提供了依据。施工过程中对隧道拱顶下称，周边收敛进行连续监控量测与数据分析，对围岩压力、钢架应力、二次衬砌接触压力和混凝土应力等项目进行了系统的监控量测，并对监控数据统计分析，通过及时调整支护参数、预留变形量等，在保证预留得到有效控制的同时，避免或减小换拱对施工造成的不利影响，并知道下一步施工，达到信息化施工、动态控制的目的6。6 结论（1）峡口隧道进口段穿越薄层碳质页岩，最大水平主应力方向基本为NE150，与隧道走向基本垂直，对隧道围岩稳定不利。（2）隧道开挖后