高地应力软岩隧道大变形控制方案现场试验_富志鹏.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；宁波市自然科学基金项目（）作者简介：富志鹏（），男，新疆呼图壁人，教授级高级工程师，工学博士，：。通讯作者：李博融（），男，陕西咸阳人，高级工程师，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）富志鹏，李博融，徐晨，等高地应力软岩隧道大变形控制方案现场试验长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：高地应力软岩隧道大变形控制方案现场试验富志鹏，李博融，徐晨，韩常领（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 ；宁波大学 岩石力学研究所，浙江 宁波 ）摘要：为了研究高地应力条件下隧道软弱围岩的变形破坏机制，探索适用于高地应力条件下的软岩隧道大变形控制技术，基于宝汉（宝鸡汉中）高速某高地应力软岩隧道工程，提出了“双层形钢拱架”初期支护和“原位应力释放双层形钢拱架”初期支护种建设方案，并通过现场试验的方法对比分析种方案的控制效果。结果表明：“双层形钢拱架”方案优于“原位应力释放双层形钢拱架”初期支护方案，后者对围岩的扰动较大，在围岩松散破碎条件下，优先选用“双层形钢拱架”方案，但在地应力极高的条件下，采用“原位应力释放双层形钢拱架”方案更合适。采用双层初期支护方案，可降低围岩损伤。此外，支护施工中应合理确定预留变形量，宁超勿欠，以保证拱架支护效果。关键词：隧道工程；高地应力；软岩隧道；大变形；现场试验；双层初期支护；原位应力释放中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，“”“”，（）“”“”，“”，“”，：；引言随着中国公路建设不断向山区延伸，特殊复杂地质隧道逐步增多。隧道在建造和运营中可能出现坍塌、地陷、突涌水、岩爆等诸多问题，严重威胁隧道的施工和运营安全。特别是工程力学性质差的软岩隧道，在建设过程中往往存在变形量大、变形速率快、变形时间长等工程问题，且缺乏成熟的工程经验和有效的控制技术。对于不同类型的软岩隧道，其变形机理不同，相对应的控制技术也不尽相同。如对于膨胀性软岩隧道大变形问题，相关设计规范有明确规定，即初支混凝土喷射时，通过预留变形缝及可缩式钢架以降低膨胀压力，高强度锚杆加密可同时采用；也强调了及时施作仰拱，尽早结构闭合的必要性。针对高地应力挤压大变形问题，研究主要集中在新型支护理论和支护结构体系，李峰提出了让压支护理念，在初支时采用可变行混凝土构件提供抗力限制围岩变形的同时，允许发生部分位移以释放围岩压力，以此降低支护结构所需承受的挤压性荷载。王夏夏基于恒定工作阻力和稳定大变形功能需求，研制了新型锚杆以承受高地应力环境下的围岩挤压荷载，经测试最大变形长度达到 ，恒阻力在 范围内，完全满足在变形过程中有效吸收围岩压力及能量。陈建勋等研发了钢格栅混凝土核心筒新型让抗结合支护结构，该结构具备先让后抗的变形控制作用，在高地应力软弱围岩隧道现场应用效果显著。等认为各类让压支护的机理不同，不能普遍适用。中国在针对软岩隧道大变形控制方面拥有一些经验，但还未形成系统性、普遍适用的、可以直接指导施工的规范。中国学者从“让抗结合”的理念出发，提出各种隧道大变形控制技术。如南昆（南宁昆明）铁路隧道通过采用加双层模筑混凝土衬砌有效抑制了高地应力软岩大变形问题。针对碳质板岩地层施工，对大小断面隧道分别采用微台阶预留核心土法、三台阶七步挖法，通过强支护以减小安全施工距离，及时做好洞内防排水以减少碳质板岩遇水劣化对围岩稳定性的影响。高应力软岩隧道设计须考虑预留足够变形量，施工时强调缩短施工进尺、加强支护并尽早封闭成环；初支时重视应力释放，避免侵限，仰拱及时封闭可有效减缓围岩变形速率；加强监控量测，密切关注变形量限值，二衬及时跟进防止坍塌 。王福善等总结了木寨岭隧道施工经验，针对碳质板岩地段施工提出施工要点，初支施作在开挖后应先网喷钢架支护，待部分围岩应力释放后再施作仰拱；密切关注围岩变形速率，准备挂网及复喷，遇围岩破碎、开挖面稳定性差的情况，可在隧道周边钻孔释压，开展现场试验；开挖围岩较稳定的情况，现场应力释放可采用超前导坑，通过释压，再开挖隧道，可以避免隧道长时间持续变形，但该法操作性一般，可能会影响施工周期 。大曲率边墙解决高构造应力下的围岩变形过速效果明显，特别是控制水平收敛的变形量，针对碳质板岩段，应用大曲率拱墙利于洞室开挖稳定 。对于隧道中下部开挖单侧变形，增长系统锚杆、减小台阶长度并快速施作仰拱都是很好的措施，控制变形的同时可有效避免侵限换拱，可提高施工效率且节省经济，也积累了大断面碳质板岩施工控制经验。围岩稳定性受板岩各向异性影响较大，研究确定围岩加固圈厚度以及适用的初期支护参数尤为重要。施工中发现，三台阶七步挖法具有高效、经济的特点，通过加强喷层提高加固圈厚度对改善支护结构受力效果显著。在满足施工安全标准的条件下，韩常领等给出了最佳初支及加固圈厚度建议值。基于板岩隧道支护原理，李志军等考虑隧道不同埋深，利用有限元分析计算了三台阶七步挖法隧道施工期围岩变形及支护结构受力状态，结果表明各项受力状态良好，合理的施工技术参数可有 效 控 制 施 工 期 洞 内 变 形 收 敛，保 障 施 工 安全 。自进式长锚杆结合径向注浆小导管并缩短各台阶间距离，控制开挖步距，加强钢架拱脚的锁长安大学学报（自然科学版）年脚措施，并及时将初期支护封闭成环，能够较有效地控制隧道变形，避免初支开裂、钢架扭曲等安全质量事故。综上所述，国内外学者在深部软岩隧道支护理念与新型支护结构承载机理上开展了较多研究，但受困于复杂地质环境、岩性构造等因素影响，许多新型支护结构存在施工过程复杂、实际支护效果不佳等问题，中国中西部地区高地应力软弱围岩隧道支护理念与新型支护结构，尤其是有效的大变形控制方案研究还需进一步开展。为了探索高地应力软岩隧道的修建方案，研究不同方案对隧道大变形的控制效果，本文基于宝汉（宝鸡汉 中）高 速 某 高 地 应 力 软 岩 隧 道 工程，结合既有的设计和施工经验，针对隧道软岩大变形特点，提出了三台阶开挖，“双层 形钢拱架初期支护、无原位应力释放”和三台阶开挖，“原位应力释放双层形钢拱架”初期支护种建设方案，并通过现场试验对比分析种方案的控制效果，以期为类似地质条件下高地应力软岩隧道的大变形控制提供技术参考。依托工程概况宝汉高速某双向六车道分离式隧道设计单洞总长 ，属特长隧道，隧道左线纵断面如图所示。隧址区高程 ，相对高差 。隧道左线最大埋深 ，右线最大埋深 。根据区域地质资料，线路所经地区属秦岭中山区，其构造单元属秦岭褶皱系。隧址区构造不发育，仅局部发育次级褶皱。隧道试验段埋深约 ，围岩主要由片岩、绿泥云母片岩组成，局部含滑石云母片岩及板岩，呈夹层、互层状，岩质疏松，胶结差，开挖后呈块状，块可折断，机械破碎后呈粉末状居多，岩体完整性差，左右线围岩稳定性差。图为实际开挖揭露掌子面的围岩性状。图隧道纵断面（左线）（）图隧道掌子面围岩性状 隧道试验段围岩的岩石单轴饱和抗压强度小于，属于极软岩。现场采用水压致裂法测量了地应力，如表所示，可见在测试深度内最大水平主应力值为 ，最小水平主应力值为 ，估算出的各测试段垂直应力值为 。经计算，试验段围岩最大水平主应力约为 。隧道围岩强度应力比小于，强度相对较低，但围岩无明显流变特征。隧道轴线方向与最大水平主应力呈小角度夹角，主应力表隧道水压致裂地应力测量结果 序号测试段深度应力值 方向（）方向对隧道围岩的稳定有一定的影响。隧道大变形特征隧道开挖时遇到了较严重的大变形灾害。掌子面 段由于岩体强度低，裂隙、褶曲发育，地质构造复杂，围岩赋存环境差。钢架屈曲、喷射混凝土剥落由于地应力高，岩体强度低，裂隙、褶曲发育，地质构造复杂，围岩赋存环境差，施工中多次出现掌子第期富志鹏，等：高地应力软岩隧道大变形控制方案现场试验面失稳、垮塌、拱架背后持续流渣等地质灾害，施作完成的初期支护出现严重扭曲、变形、折断等现象，喷射混凝土开裂、剥落现象严重。现场采用的 形钢拱架产生严重扭曲，中台阶位置初期支护变形严重，最大沉降量达 ，最大收敛值 ，如图所示。初期支护侵入二衬空间，致使多次拆换拱架，严重影响了施工安全和进度。图初期支护钢架屈曲、喷射混凝土剥落 仰拱病害严重右洞 段仰拱隆起严重且与二衬边墙分离。左侧最大隆起 ，中线最大隆起 ，右侧最大隆起 。仰拱填充混凝土开裂破坏，如图所示。仰拱钢筋存在扭曲变形现象，仰拱初支钢拱架受力较大，对应断面的二衬沉降量较大，且二衬开裂明显。仰拱隆起处破凿后发现其坑内积水严重，在隧底及混凝土裂缝处有地下水涌入。图仰拱隆起严重、仰拱填充开裂 隧道在左右线埋深 处发生了不同程度的大变形，围岩以绿泥石片岩为主。图给出了 、以及 三个典型断面的隧道变形随时间变化的曲线。可见，常规的单层钢拱架支护已不能控制隧图隧道大变形断面的位移监测时程曲线 道软弱围岩的变形。隧道拱顶沉降增长迅速，收敛时间长。尤 其 是 在 开 挖 至 上导 初 期 支 护 施 作阶段，施作单层钢拱架后沉降增长速率虽渐趋平缓，但仍然未有收敛的趋势，沉降稳定时间基本都控制 在 开 挖 后 的 个 月 内，部 分 断 面 变 形 于 个月后趋于收敛。监测断面沉降值在 ，甚至以上。在施作第层支护后沉降放缓，但是变形量仍保持较大数值，在下导施工后，沉降变形趋于稳定。围岩收敛增长趋势与沉降变形相近，与拱部沉降相比，收敛变形增长趋势较为平缓，基本都能在开挖后个月内达到稳定。初期中导开挖阶段收敛发展迅速；施作支护后，大部分断面收敛变形趋于平缓，但是部分断面仍然会发生突变。从收敛最大值来看，各种施长安大学学报（自然科学版）年工工法条件下收敛变形比较类似，大多是拱腰处发生大变形。隧道大变形控制方案现场试验为了探索软岩隧道大变形有效控制方法，在综合国内外软岩隧道修建经验的基础上，提出了三台阶开挖，“无原位应力释放、双层 形钢拱架”初期支护和三台阶开挖，“原位应力释放双层 形钢拱架”初期支护种建设方案，并通过现场试验对种方案下围岩大变形控制效果进行了对比。现场试验段设置了数个监控量测断面。各监测断面分别布设 个监测点，具体断面测点布置及编号如图所示。监测项目主要包括洞内变形收敛、初期支护与围岩间接触压力、钢架应变等。其中，隧道掌子面 段采用双层 形钢拱架初支进行试验段施工，隧道掌子面 段采用了原位应力释放拱墙部双层形钢拱架初期支护方案施工。图监测点布置 双层形钢拱架初期支护隧道掌子面试验段采用双层 形钢拱架作为初期支护的主要承载结构，每层支护喷射 厚 混凝土。其中，第层拱架与围岩之间预留 变形量，层拱架之间又预留了 的变形量。二衬拱部及边墙采用 厚 钢筋混凝土。仰拱采用 厚 钢筋混凝土，调整曲率。仰拱回填采用 素混凝土，调整曲率填充中心厚 。图为双层 形钢拱架初期支护段三台阶法施工过程中，围岩压力的变化规律及其分布特征。可以看出，中台阶开挖前作用在第层初期支护上的围岩压力相对较小。月日中台阶开挖并施作上、中台阶第层初期支护后，支护结构具备较强的刚度，因此作用在支护结构上的围岩压力迅速增长。直到月日左右下台阶开挖后，围岩应力重分布，隧道拱部的围岩应力出现小幅度下跌趋势，直至月 日仰拱施作后第层初期支护闭合成环，围岩应力出现缓慢增长趋势直至收敛。从围岩压力分布情况来看，拱顶部围岩压力较小，两侧拱脚及仰拱附近压力较大，围岩压力最大值达 。图双层 形钢拱架支护段 断面围岩压力时程曲线 图给出了 第层和第层钢拱架内、外侧应变时程曲线。应变以受压为正，受拉为负。可见：第层钢拱架内侧前期均受压，后期有测点转变为受拉，但在月 日仰拱开挖后又逐渐转变为受压，各测点无论拉压，其应力水平均不高；仰拱附近测点在仰拱开挖后均受压，应力水平基本保持不变，月日施作二衬后均达到稳定。外侧钢拱架主要受压，月日中导开挖前应力增长较为迅速，中导开挖后各测点应力变化趋缓；仰拱附近测点（测点、测点）在仰拱开挖初期压应力增长非常迅速，但很快达到稳定。第层钢拱架在月日左、右下导开挖前，内侧应力增长较为平稳，外侧增长相对较快；下导开挖后，大部分测点的应力在一段时期内均维持稳定；但在月日施作二衬后，拱顶（测点）以及上台阶左拱腰、