玄真观隧道高地应力变形控制施工技术

摘要：兰渝铁路玄真观隧道施工中受到高地应力影响，造成初期支护喷射砼开裂掉块、钢架扭曲变形、仰拱填充砼隆起等破坏现象。该隧道区域原岩应力较大且以水平构造应力为主，施工过程中通过超前地质预报与监控量测工作、超短台阶开挖、减少对围岩的施工扰动、合理预留变形量、让应力充分释放、加强支护、提高仰拱衬砌刚度等措施，有效控制了围岩大变形。本文主要介绍了玄真观隧道高地应力变形原因分析与控制施工技术，并对高地应力引起大变形施工技术进行探索与实践，确保了工程顺利推进。

关键字：隧道工程；高地应力；软岩；大变形；控制措施

1、引言

目前我国铁路飞速发展，隧道比例大且铁路标准不断提高，穿越高地应力等各种复杂地质情况的长大隧道工程越来越多。隧道施工中会发生大变形，导至支护系统开裂、发生塌方、结构破坏等情况，严重影响施工进度与安全，增加施工成本。玄真观隧道斜井工区进入正洞施工以来，受高地应力影响，多处围岩和初期支护喷射砼片状错裂、崩块掉落、钢架扭曲、仰拱填充砼隆起等破坏现象，严重影响施工。施工中对地应力变形原因进行了深入分析，结合现场实际地质情况制定有效控制变形的技术措施，通过现场施工实践对控制地应力变形的难题得出了一些结论，可为同类隧道工程设计与施工控制提供理论依据，并有待继续研究和完善。

2、工程概况

兰渝铁路玄真观双线隧道全长7447m，为高瓦斯隧道。位于构造侵蚀低山区，单面山跌岭山貌；洞身地形起伏较大，坡面覆盖2～8m 坡崩积粉质粘土；地面坡度15°～35°，局部呈陡崖状，地面标高 570m～975m，相对高差405m。隧道区覆盖层主要为第四系全新统坡洪积层、残破积层、崩坡积层，下覆基岩为白垩系剑阁组、剑门关组砂岩、泥岩，呈中厚层状。

从2011年9月开始，玄真观隧道DK626+180（顺线路大里方向）开始出现掌子面及上台阶围岩开裂、初期支护喷射砼开裂崩块掉落、型钢扭曲变形、仰拱填充砼隆起等破坏现象。在临近的仲家山、四方山、肖家梁隧道施工时同样存在该现象，严重影响兰渝铁路隧道施工。经过玄真观隧道现场地质补勘和地应力测试，该隧道地应力最大主应力为11.9～18.9MPa，方位角为81～199°，最大主应力与水平面夹角（仰角）为13°～26°，与隧道轴线夹角40°～90°。从地应力绝对值看，地应力偏高，相对于岩石单轴抗压强度岩体处在极高地应力状态。

3、原设计及施工出现的问题

3.1、原设计情况。

玄真观隧道DK626+180～DK627+230段原设计为Ⅲ级围岩，泥岩夹砂岩，岩层平缓。设计采用Ⅲ级加强一般锚段复合衬砌，拱部设Φ22mm超前砂浆锚杆支护（长度3.5m）及系统Φ22mm砂浆锚杆，拱部设三肢格栅2m/榀，拱部挂网喷射砼厚23cm，边墙喷射素砼厚7cm。仰拱C30砼厚度45cm，仰拱填充C20砼，拱墙C30砼厚40cm（下锚段采用C35钢筋混凝土）。

3.2、施工中出现的问题。

DK626+180～DK626+846段施工中，喷射砼后约24h开裂，1-2d三肢格栅开始变形，2d后钢格栅扭曲变形，大多呈麻花状，初支砼开裂掉块。仰拱填充隆起1-445mm，中心水沟挤压严重，局部位置中心水沟侧壁开裂。经量测数据分析：开挖后8d内围岩收敛速率较大，最大水平收敛速率达191mm/d，最大拱顶下沉速率达103mm/d；最大水平累计收敛值为673mm，最大拱顶累计下沉值为462mm。在临近的仲家山、四方山、肖家梁隧道同样存在上台阶初期支护开裂、仰供填充上翘现象，严重困扰施工安全。结构破坏图片如下：

4、隧道变形原因分析

玄真观隧道围岩变形严重影响施工进度、危及施工安全，个别地段导致了二衬结构破坏。虽多次采取加强初支措施，但未能有效阻止玄真观隧道强烈变形与严重破坏，甚至愈演愈烈。其根本原因是对围岩变形破坏机制的认识不够、原因分析不彻底、针对性控制变形措施不强，必须认真分析变形破坏根本原因，正确制定各项措施指导开挖、支护和返修等工作，方可保证工程顺利推进。

4.1、高地应力、软岩是变形的内因。

（1）地应力特征：玄真观隧道位于“5.12汶川地震”严重影响区，地处龙门山支褶皱带东部，四川中坳陷斜燕山褶皱带中之川北凹斜东部，侏罗系、白垩系地层广泛分布，形成缓而开阔的背向斜，成孤立的鼻状弯穹构造。隧道于 DK627+220 穿越梓潼向斜核部，向斜走向 N20°W，为宽缓向斜；向斜核部宽 2～3Km，北东翼岩层产状 N15～80°E/2～7°S，南西翼产状近 E-W/2～8°N，最大埋深405m，褶皱核部的残余构造应力长期积累，岩体中存储了较高的应力。从DK626+840现场实测原岩地应力值较高，最大主应力值达 18.9MPa，实测最大主应力从绝对值上反映了隧道区测量段具有较高的地应力。最大主应力以近水平为主，最大主应力σ1 方向在 81～124°之间，隧道轴线方向约为 175°，最大主应力方向与隧道轴线的夹角为 51°～86°之间，呈大角度相交，对围岩稳定最为不利。通过对玄真观隧道高地应力变形数据对比分析结果表明：高地应力、最大水平主应力与隧道轴线夹角是产生变形的主要因素。兰渝铁路玄真观隧道DK626+840测点地应力测试成果见下表（表1）。

（2）岩体强度特征：隧道区覆盖层主要为第四系全新统坡洪积层、残破积层、崩坡积层，下覆基岩为白垩系剑阁组、剑门关组砂岩、泥岩，呈中厚层状，地质芯样为粉砂质泥巖。围岩岩质软弱、本身强度较底，又受构造影响，岩体水平分层并极为破碎，基本呈碎块状、薄片状。岩体原有结构随着应力的加大而很快遭到破坏，岩体沿裂隙、层面等结构面相互剪切错动；对于水平薄层岩体中的地下洞室，其变形机制多用挠曲加以解释。在高地应力区的卸荷条件下，岩体更容易发生挠曲变形以至破坏；由于洞室围岩的径向应力降底而切向应力增加高，层状岩体在横弯或纵弯作用发生挠曲变形，造成侧墙内挤严重，水平收敛大于拱顶下沉，该隧道呈显出典型的挤压性隧道特征。

4.2、工程扰动是变形的外因。

隧道开挖前，岩体处于三向受力的高地应力环境，处于稳定平衡状态。隧道开挖后，岩体原有天然应力状态遭到破坏，引起围岩应力状态重新分布，一部分地应力以变形能的形式释放，另一部分则向围岩深处转移，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。开挖卸载导致洞壁围压急剧降底，切向应力增大而径向应力减小，引起应力集中，并在洞壁上达到极限值。当应力值超过岩体屈服强度和流变下限阈值时，引起围岩塑性和粘性流动，产生随时间增长的变形，随着变形不断增加而围岩进入粘塑性应变软化阶段，长期强度值降底，又进一步加剧了隧道变形。因此工程扰动力是围岩变形的外部因素。

4.3、支护强度不足、施工方法不当是产生挤压变形的直接原因。

由于设计施工初期对高地应力条件下围岩变形认识不足，玄真观、仲家山、四方山、肖家梁隧道Ⅲ级围岩采取的初期支护参数较弱，导致围岩变形发展快，造成初期支护破坏，形成围岩与初期支护砼开裂掉块、钢架扭曲等。施工方法、初期支护闭合时间对围岩变形影响显著，软弱围岩采用传统的长台阶矿山法施工，工序间距太长，仰拱闭合滞后，不能及时形成封闭的支护结构体系，衬砌无法紧跟浇筑，致使初期支护在支护强度不足情形下产生大变形，导至钢格栅扭曲、断裂，初支侵限甚至引起坍塌失稳，而不得不重新进行初支拆换、扩挖等处理。而预留变形量小、应力释放时间控制不当、仰拱措施弱是造成仰拱填充隆起的主因。

4.4、不可忽视水的弱化作用。

兰渝铁路隧道出现初支开裂、仰拱隆起现象，有地下水位置明显严重于无水地段。地下水与软弱围岩发生水-岩作用，降低围岩的力学性能，为围岩发生塑性变形和膨胀变形提供了外部条件，一定程度上加剧了高地应力层状围岩对大变形的影响。该隧道粉砂质泥岩遇水易软化，强度极低，导致变形加剧，经统计三座隧道有地下水造成变形比例为62.6%，因此地下水是大变形的次要因素。当地下水不发育时，可通过局部引、排、堵等措施减少水对围岩弱化的影响。

5、高地应力变形控制施工技术

针对兰渝铁路玄真观、仲家山、四方山、肖家梁隧道高地应力造成的结构破坏，为抑制这种破坏，解决大变形给隧道施工带来的危害，支护系统设计必须合理、能抗高地应力，以提高围岩自身强度，阻止应力场引起的岩层运动的发展，保证支护后隧道稳定。另一方面通过控制地应力释放技术，使隧道开挖后处于较低地应力状态，有效降低围岩变形。在现场施工过程中，采取了以下强有力的措施，有效的控制了高地应力变形发生，确保了隧道安全。

5.1、加强超前地质预报与监控量测工作。

通过该项工作，动态控制地应力造成软岩变形是施工中的重要环节，预判前方地质情况，为动态调整施工参数、制定支护措施提供依据。施工中采用TSP203超前地质预报系统+工作面超前地质钻孔（5孔，φ108mm，长度50m）相结合，利用工作面地质素描+开挖后周边围岩情况进行判断，分析掌子面前方围岩地质情况并预测变形发展，为制定相应的控制措施提供依据。经过专业量测仪表和工具对围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测监控与数据分析，并纳入工序管理，确定大变形施工安全控制基准值，及时调整预留变形量、支护参数、仰拱衬砌施工时间，在保证变形得到有效控制的同时，避免安全事故的发生、降低施工成本，并为下步施工给予指导，达到信息化施工、动态控制的目的。兰渝铁路玄真观隧道监控量测必测项目及量测方法见下表（表2）。

5.2、采用超短台阶开挖、减少对围岩的施工扰动。

玄真观隧道高地应力段采用三台阶开挖，上台阶尽可能控制在6-8m内，预留变形量为25-50cm（根据围岩情况动态调整）。在施工过程中尽量减少诱发围岩变形的不利因素，控制围岩变形发展。①利用超前预支护，对软弱破碎围岩进行主动加固控制，施工中拱部120°范围采用长度4.5m、环向间距40cm的φ42mm小导管对围岩进行预注浆，使前方围岩板结成整体。②严格控制施工爆破参数，采用减弱震动控制爆破技术，尽量减少对围岩的扰动，开挖循环进尺为0.8-1.0m，以减少长进尺大药量引起的围岩扰动。③破碎地段采用铣挖机铣挖，避免爆破震动影响。

5.3、合理预留变形量，确定施工安全变形控制原则。

根据监控量测数据及时掌握围岩变形情况，玄真观隧道上半断面拱部预留25-30cm，拱脚预留45-50cm，有效释放蕴藏于高地应力场中的弹性变形性能。根据初期支护破坏规律统计分析，制定以下初期支护变形分类与控制原则。兰渝铁路玄真观隧道初期支护变形分类及控制原则见下表（表3）。

5.4、调整支护参数、加强支护，提高隧道支护体系整体受力性能。

将原设计为Ⅲ级围岩变更为Ⅳ级围岩加强，拱部φ22mm的中空组合系统锚杆、长度4.5m，边墙φ22mm的砂浆锚杆，长度4m，均按1.0×1.0m間距设置；全环I22b纵向钢架1m/榀，钢架之间设置钢筋网（间距20×20cm），纵向φ22mm钢筋（环向间距1.0m）连接；C25喷射砼厚25cm。利用多重支护的手段，使支护体系整体受力，确保隧道施工结构安全，开挖初期及时喷射15cm厚砼封闭围岩，使围岩和支护系统达到变形协调，释放部分位移；随即复喷10cm厚砼，以达到适度限制围岩挤压变形继续发展的目的。通过初期支护的加强，提高了围岩的自稳能力，型钢刚度大，拱架架立后能直接承受荷载，受力发挥作用快，有效控制了坍塌与过大变形。经监控量测数据显示开挖支护后在8d左右开始收敛、喷射砼开裂较少、钢架整体未发生大的变形，在线路右侧边墙3.7m高位置有钢架有扭曲现象，经过补打锚杆、增设I22b钢架、补焊钢板连接紧密，形成支护系统整体受力并有效控制了变形。

5.5、底部加强、控制地应力释放，抑制仰拱及填充隆起。

为防止隧底隆起，加强底部支护措施，仰拱初支增设φ25的砂浆锚杆（长度5.5m，1.0×1.0m间距设置）及W钢带（纵向间距1m），并在隧底铺设钢筋网（间距20×20cm），钢筋网压在钢带下方，喷射C25砼厚13cm。由于该隧道粉砂质泥岩的软硬不均（泥岩软、砂岩硬），地应力释放有一定的滞后效应，通过充分发挥围岩的自承效果，减小隧道周边的围岩变形，抑制地应力的滞后释放，同时让高地应力充分释放，依据监控量测数据当变形收敛速率小于3-4mm/d时应立即施工45cm厚C35钢筋砼（主筋采用?20mm，间距20cm双层布置）。经过底部措施的加强与应力充分释放，施工中有效抑制仰拱及填充隆起，确保了砼结构安全，减少了返工。

5.6、提高二衬刚度、适时构筑，是控制变形的关键。

按照现行《铁路隧道设计规范》要求，二衬变形收敛速率不大于0.2mm/d，但该隧道变形量大、收敛速率慢，远未达到规范要求时初期支护就已失稳破坏。根据现场变形监测数据规律分析，当变形收敛速率小于2-3mm/d时应构筑二衬砼。这是变形控制中的“先放后抗”原则，“先放后抗”是要求初期支护施作完成后允许发生一定程度的变形，达到设计预留的变形量后再施作二衬钢筋砼。同时提高二衬砼刚度，采用厚度45cm的C35钢筋砼（主筋?20mm，间距20cm双层布置），有效控制变形发展，确保了施工顺利推进。

5.7、注浆纳入工序化管理。

对隧道围岩压力注浆能起到加固围岩、增加稳定能力作用，同时可填塞裂隙、阻断地下水渗流通道，起到堵水作用。兰渝铁路玄真观、仲家山、四方山、肖家梁隧道将注浆工序化，开挖前对拱部120°范围φ42mm超前小导管注浆使围岩形成整体，开挖后对φ22mm的中空组合系统锚杆立即注浆，使扰动后围岩径向板结成为整体受力，将变形控制在合理范围内。注浆采用1：0.5的水泥浆，稠度控制在14-18s之内，浆液充填围岩裂隙后，将松散岩体固结成整体，大大提高了围岩自稳能力。待二衬砼强度允许后及时回填注浆，保证衬砌与支护密贴，防止支护与围岩变形过大，使得岩体因变形增大后发生剪切破坏，初期与围岩建立的应力平衡再次打破，危及二次衬砌结构的安全。

以上措施在兰渝铁路隧道施工现场进行了实践，根据监测反馈信息，对变形控制极为有效，杜绝了初支钢架扭曲、仰拱隆起现象发生；提高了对病害处理的经济性与高效性，确保了隧道工程的安全施工、降低了施工成本。

6、结论

（1）玄真观隧道软岩高地应力大变形是隧道施工中极少遇到的难题，施工过程中建立了高地应力条件下围岩变形与支护控制标准，坚持应用超前地质预报、监控量测技术、加强支护、控制应力释放、适时施作仰拱二衬，现场摸索积累了控制大变形施工经验。玄真观隧道于2013年8月30日安全顺利贯通，该工程施工经验可为以后类似隧道提供借鉴标准。

（2）高地应力软岩是隧道产生大变形的主要因素，而地应力自然存在无法改变，合理预留变形量、提高支护系统参数、加强仰拱二衬刚度等手段控制大变形；同时，以释放地应力、减小地应力对结构的影响，防止初期支护开裂侵限、仰拱填充隆起、二次衬砌开裂等破坏。

（3）对高地应力软岩大变形隧道，预留变形量为25～50cm可能不足以释放地应力，如果施工中采取及时“强支硬顶”（即衬砌紧跟掌子面）措施，对防止围岩大變形或塌方可起到有利作用，但衬砌结构早期受力较大，可能存在开裂风险。

（4）随着国内隧道工程越来越多，应加大高地应力大变形隧道的科研攻关力度，通过开展软弱破碎围岩物理力学参数的原位测试及工程试验段支护衬砌结构应力应变的测试，反演分析计算支护参数及衬砌结构强度，来评价隧道结构的安全性。

参考文献：

[1]张文强等木寨岭隧道大变形控制技术，现代隧道技术2010，4；

[2]李峰等木寨岭隧道7号斜井大变形影响因素分析，现代隧道技术2011，2；

[3]张文新木寨岭隧道高地应力软岩大变形施工技术，现代隧道技术2011，2；

作者简介：

欧有扬（1978-），男，汉族，四川省成都人；本科，工程师，一级建造师，从事铁路施工管理工作。