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(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，鐵路修建標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，出現(xiàn)了越來越多施工風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)的長(zhǎng)大深埋隧道，如何貫通高地應(yīng)力復(fù)雜地質(zhì)條件下的軟巖隧道已經(jīng)成為特長(zhǎng)隧道建設(shè)中的一個(gè)不可回避的難題[1-3]。針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道大變形問題，國(guó)內(nèi)外研究者已進(jìn)行了深入的理論研究。陳宗基[4]認(rèn)為，圍巖收斂機(jī)制應(yīng)包括塑性楔體、流動(dòng)變形、圍巖膨脹、擴(kuò)容、撓曲5個(gè)方面。王成虎等[5]將隧道圍巖大變形重新定義為發(fā)生在地下空間開挖面周邊的一種與時(shí)間相關(guān)的變形行為，并將隧道圍巖大變形產(chǎn)生的原因分為3類: 1)高地應(yīng)力作用下的巖體剪切破壞； 2)開挖引起的巖體結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)； 3)特殊圍巖開挖后發(fā)生的水化學(xué)反應(yīng)造成的體積膨脹，這種變形可能會(huì)在開挖期間停止，也可能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，按成因不同可分為應(yīng)力型、材料型和結(jié)構(gòu)型3種類型如表1所示。趙勇[6]提出了軟弱圍巖隧道變形控制的方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。關(guān)巖鵬等[7]基于新意法對(duì)大斷面軟巖隧道加固參數(shù)進(jìn)行了研究。Barla Giovanni[8]應(yīng)用新意法理論研究了在困難條件下大斷面隧道的全斷面開挖。

表1隧道圍巖大變形類型及成因[5]

Table 1 Types and causes for large deformation of tunnel surrounding rock[5]

變形類型成因變形特征應(yīng)力型 巖體強(qiáng)度過低,在高應(yīng)力作用下發(fā)生剪切破裂,進(jìn)而失穩(wěn),發(fā)生整體大變形 具有明顯的優(yōu)勢(shì)部位和方向材料型 黏土礦物(如高嶺石、蒙脫石、云母等)遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生體積膨脹引起大變形 無明顯的優(yōu)勢(shì)部位和方向結(jié)構(gòu)型 由于巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較弱,在地下空間開挖后,巖體沿結(jié)構(gòu)面(如層理、節(jié)理等)發(fā)生滑移、松動(dòng)產(chǎn)生的大變形 大變形沿巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生,一般具有突發(fā)性

目前，對(duì)于埋深大、高地應(yīng)力軟巖隧道的開挖與變形控制來說，國(guó)內(nèi)多以臺(tái)階法為主，國(guó)外則廣泛采用新意法。國(guó)內(nèi)蘭渝鐵路木寨嶺特長(zhǎng)隧道與瑞士圣哥達(dá)基線特長(zhǎng)隧道正是這2種施工工法的典型代表，2個(gè)隧道具有典型的共同特征: 1)屬于軟弱地層中的深埋長(zhǎng)大隧道； 2)地質(zhì)情況極為復(fù)雜； 3)施工風(fēng)險(xiǎn)高，其采取的針對(duì)軟巖大變形隧道的控制變形措施均代表了目前隧道建設(shè)的先進(jìn)水平。本文對(duì)2個(gè)隧道從大變形影響因素、圍巖分級(jí)、變形控制技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行綜合對(duì)比，以期研究結(jié)果為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 蘭渝鐵路木寨嶺隧道

蘭渝鐵路木寨嶺隧道是蘭渝線中僅次于西秦嶺隧道的第2長(zhǎng)隧道，位于甘肅省定西市漳縣與岷縣交界處、青藏高原隆升區(qū)邊緣。受多期構(gòu)造影響，區(qū)域斷裂、褶皺發(fā)育，海拔高，地勢(shì)起伏大，初始地應(yīng)力復(fù)雜，實(shí)測(cè)水平地應(yīng)力最大為27.16 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為0.49，處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。主隧道為雙洞單線分離式特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)19.020 km，線間距為22.5～50.0 m，縱向地質(zhì)剖面如圖1所示。隧道洞身最大埋深約715 m，最小埋深約30 m，共發(fā)育11個(gè)斷裂帶，最大帶寬約1 km，總長(zhǎng)4.5 km。受祁連褶皺帶和昆侖—秦嶺褶皺帶的影響，施工區(qū)域大部分地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，多為壓碎巖，又以軟質(zhì)板巖為主，夾及軟巖、炭質(zhì)板巖，占全隧道長(zhǎng)度的46.53%。其中，炭質(zhì)板巖屬于典型層理化軟巖，巖體層理裂隙發(fā)育，浸水后強(qiáng)度降低一半，是導(dǎo)致木寨嶺隧道圍巖穩(wěn)定性差、極易產(chǎn)生大變形和局部垮塌的重要因素之一。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段與一般段相比埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是嶺脊核心段F14斷層帶。F14斷層帶北起DK179+900，南至DK182+500，上、下盤巖性均為板巖夾砂巖夾炭質(zhì)板巖，破碎帶由壓碎巖組成，寬度約170 m，斷層帶影響左右線長(zhǎng)度合計(jì)1 876 m。2014年，隧道穿越嶺脊核心段F14斷層帶后，拱架扭曲，底部隆起，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)向洞身方向徑向變形開裂，施工進(jìn)展極為艱難。

1.2 圣哥達(dá)基線隧道

圣哥達(dá)基線隧道位于歐洲中南部，全線貫穿阿爾卑斯山脈，主隧道為2條平行的單線隧道，長(zhǎng)度超過57 km，凈空直徑為7.9 m，隧道系統(tǒng)總長(zhǎng)度達(dá)到151.8 km，是世界上最長(zhǎng)的隧道(包含鐵路隧道與公路隧道)。圣哥達(dá)基線隧道縱向地質(zhì)剖面如圖2所示。隧道主構(gòu)造單元垂直穿過阿爾卑斯山核部，從北向南依次通過3個(gè)地塊，即北部的Aar地塊、中部的Gotthard地塊和南部的Penninic Gneiss Zone，其中，90%以上的隧道所處地質(zhì)構(gòu)造主要由高強(qiáng)度的火成巖和變質(zhì)巖組成，在施工期間不太可能造成任何重大技術(shù)困難。但在25—65百萬年前的阿爾卑斯山地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中，受長(zhǎng)期擠壓、構(gòu)造應(yīng)力增大和溫度升高作用，致使3個(gè)地塊連接部的巖石力學(xué)特性惡化。

圣哥達(dá)基線隧道Sedrun車站所處的TZM地塊正是地塊連接部的典型代表。Sedrun車站地質(zhì)詳圖如圖3所示。覆土厚度約1 600 m，根據(jù)三維初始應(yīng)力場(chǎng)反演回歸分析[9]可知，垂直地應(yīng)力為27 MPa。從結(jié)構(gòu)的角度來看，TZM地塊可分為2個(gè)部分: 北部是由云母片麻巖和片巖在延性與脆性條件下經(jīng)過極其強(qiáng)烈的阿爾卑斯山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加所形成；南部由只有局部脆性剪切變形的巖石組成，主要部分為華力西早期片麻巖，包含偉晶巖脈、滑石片巖、蛇紋巖、角閃巖等，在鄰近Urseren-Gavera地塊部分巖石極其糜棱巖化。

圖2 圣哥達(dá)基線隧道縱向地質(zhì)剖面圖

圖3 圣哥達(dá)基線隧道Sedrun車站地質(zhì)詳圖

Fig. 3 Geological detail of Sedrun Station of Saint Gotthard Base Tunnel

2 大變形影響因素對(duì)比分析

2.1 巖性條件

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段主要以二疊系板巖及炭質(zhì)板巖為主，是典型的軟巖地層，受斷層帶影響，巖體層理裂縫發(fā)育，部分地段泥化嚴(yán)重。隧道開挖后引起圍巖應(yīng)力重分布，在大埋深及高地應(yīng)力條件下，軟巖和破碎巖體強(qiáng)度不足以承受重分布后的圍巖應(yīng)力，巖體將發(fā)生塑性變形和剪切滑移破壞。

圣哥達(dá)基線隧道受阿爾卑斯山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，變形量大，TZM地塊北部地層由厚度不等的片麻巖、千枚巖和片巖組成的傾斜巖層交替生成，其中，具有延性破壞的角礫破碎巖(kakiritic rocks，kakiritic rocks為已經(jīng)失去很大一部分初始能量的破碎巖石或被密集剪切的巖石)占70%，其余30%為脆性斷裂性質(zhì)的硬巖。TZM地塊的隧道初期變形量大、變形速度快，若不加以控制或控制不及時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

按工程軟巖分類，蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段屬于高應(yīng)力擠壓性軟巖，圣哥達(dá)基線隧道TZM段屬于高應(yīng)力-節(jié)理化復(fù)合型軟巖，兩者均屬于擠壓性變形類型。圍巖變形雖有一定韌性，但大變形侵限會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)破壞，對(duì)工程安全影響極大，因此有必要對(duì)擠壓變形的預(yù)留量和變形控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2.2 地應(yīng)力條件

蘭渝鐵路木寨嶺隧道處于兩大山系交匯處，隧道埋深大，地應(yīng)力高，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試表明，地應(yīng)力方向?yàn)镹34°，最大水平主應(yīng)力為27.16 MPa，炭質(zhì)板巖地段經(jīng)開挖爆破后應(yīng)力重新分布，徑向圍巖壓力小于起始膨脹壓力，而切向圍巖壓力大于膨脹壓力，極易造成隧道圍巖大變形和局部坍塌破壞。

圣哥達(dá)基線隧道具有覆土厚度大的特征: 覆土厚度超過1 000 m的有30 km，超過1 500 m的有20 km，超過2 000 m的約有5 km，最大覆土厚度約為 2 400 m。雖然隧道開挖后的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明邊墻水平位移大于拱頂沉降，但發(fā)生擠壓變形的圍巖巖性軟弱，地應(yīng)力主要取決于巖體自重應(yīng)力，大主應(yīng)力在垂直方向。

綜上所述，蘭渝鐵路木寨嶺隧道與圣哥達(dá)基線隧道均屬于高地應(yīng)力隧道，但蘭渝鐵路木寨嶺隧道以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，圣哥達(dá)基線隧道以自重應(yīng)力為主。

2.3 地下水條件

蘭渝鐵路木寨嶺隧道地下水位相對(duì)較低，圍巖地下水豐富。在構(gòu)造作用下，隧道內(nèi)的斷層破碎帶、褶皺帶、節(jié)理密集帶、巖性接觸帶為地下水的貯存運(yùn)移創(chuàng)造了良好的內(nèi)部條件。由于炭質(zhì)板巖含有較多的黏土礦物，巖石遇水后易膨脹，水在巖石裂隙中流動(dòng)，增大了巖石的裂隙，部分礦物質(zhì)被溶解，因此，巖石強(qiáng)度降低是必然的結(jié)果。另外，部分巖樣發(fā)生軟化現(xiàn)象。

通過過去130年間在Aar和Gotthard地塊上建造的隧道和水電站的地質(zhì)信息可知，圣哥達(dá)基線隧道穿過的陡峭傾斜斷層具有非常高的滲透性，隧道初始涌水量高達(dá)100～1 000 L/s。大多數(shù)滲流都發(fā)生在靠近剪切面的密集節(jié)理區(qū)和斷層碎裂帶，碎裂帶總厚度從幾dm到幾m不等，跡長(zhǎng)可達(dá)幾km。而通過超前鉆孔探測(cè)出貫穿隧道面的所有破碎帶的方法既不可行也不夠高效，同樣僅僅通過地表觀測(cè)很難對(duì)破碎區(qū)的滲透性進(jìn)行可靠的評(píng)估，這就使隧道在開挖的過程中必須有能抵抗高水壓的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

綜上所述，能否解決地下水問題是隧道成功開挖與否的關(guān)鍵性因素之一。另外，在含水巖層中開挖時(shí)，圍巖會(huì)受到地下水泄出的影響，涌出的地下水作為一種動(dòng)水壓力使支護(hù)難度增大；且地下水的泄出還增加了周圍泥質(zhì)軟巖與水接觸的機(jī)會(huì)，會(huì)使泥質(zhì)軟巖中有膨脹潛能的礦物急劇膨脹。

3 隧道圍巖分級(jí)對(duì)比

隧道工程中的軟巖通常是指軟弱、破碎、富水等不良地質(zhì)條件下的圍巖，通常具有巖石強(qiáng)度低、巖體破碎、圍巖賦存環(huán)境差的特點(diǎn)。隧道軟弱圍巖就是用通常的初期支護(hù)及簡(jiǎn)易小導(dǎo)管支護(hù)不能控制開挖后的圍巖變形，而需要采用有針對(duì)性控制變形措施的圍巖。

3.1 蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，按強(qiáng)度應(yīng)力比、圍巖基本分級(jí)、初始地應(yīng)力影響對(duì)蘭渝鐵路高地應(yīng)力軟弱圍巖進(jìn)行分級(jí)，將Ⅳ級(jí)圍巖劃分成Ⅳa、Ⅳb、Ⅳc級(jí)圍巖，Ⅴ級(jí)圍巖劃分為Ⅴa、Ⅴb級(jí)圍巖，并制定了相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。但實(shí)際應(yīng)用效果不佳，究其原因主要是隧道大變形是多種因素共同作用的結(jié)果，不僅僅是圍巖級(jí)別的影響，在現(xiàn)有圍巖分級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往造成下一級(jí)支護(hù)參數(shù)要比上一級(jí)強(qiáng)，因此采用合理的高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖分級(jí)方法十分必要。張梅等[10]根據(jù)巖石類別、巖層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、巖層走向與隧道洞軸線的夾角等，按鋼架為I20、初期支護(hù)為C25噴射混凝土預(yù)測(cè)變形量，將高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖分為4級(jí)(見表2)，并驗(yàn)證了該分級(jí)方法能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

表2 蘭渝鐵路木寨嶺隧道高地應(yīng)力圍巖分級(jí)[10]

3.2 圣哥達(dá)基線隧道圍巖分級(jí)

圣哥達(dá)基線隧道主要從巖石的巖性和構(gòu)造特征(剪切程度、片理)方面對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)圍巖破壞試驗(yàn)得到的巖粉形態(tài)，可將圍巖的剪切程度分為6級(jí)(見表3)；根據(jù)圍巖的完整性可將圍巖分為9級(jí)(見表4)，圍巖的完整性從種類1(以閃長(zhǎng)巖、石英巖為標(biāo)準(zhǔn))到種類9(完全破碎的角礫巖、細(xì)粒物料)遞減，種類8、9不代表狹義范圍內(nèi)的圍巖完整性，因?yàn)樵趶?qiáng)烈剪切作用下巖石所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)，可以在某種程度上被視作另一種巖性。同時(shí)，在開挖的過程中也發(fā)現(xiàn)，圍巖的剪切程度與完整性之間有明顯的關(guān)系，樣本完整性越好，剪切程度越小。大部分軟巖可以通過剪切程度與巖性這2個(gè)因素進(jìn)行定性描述，但在Sedrun車站北部破碎區(qū)存在強(qiáng)烈剪切變形的軟巖，而剪切變形并沒有使破碎區(qū)巖體均質(zhì)化，舊的巖石結(jié)構(gòu)依然存在于這些剪切區(qū)域之間，因此，在密集剪切區(qū)段片理影響也是決定圍巖分級(jí)的重要因素之一。

表3基于剪切程度的TZM段圍巖分級(jí)[11]

Table 3 Classification of surrounding rock based on shearing degree in section TZM[11]

圍巖等級(jí)描述1無2零星剪切破壞、滑擦面3片狀、薄板狀巖石、糜棱巖、千枚巖4 剪切、破裂的巖石(巖粉比例<10%,對(duì)隧道開挖面的擾動(dòng)<25%)5 剪切、脆性的巖石(巖粉比例10%～30%,對(duì)隧道開挖面的擾動(dòng)>25%)6 巖石巖粉比例>30%,具有可塑稠度,對(duì)隧道開挖面絕大部分都有擾動(dòng)

表4基于完整性的TZM段圍巖性分級(jí)[11]

Table 4 Surrounding rock classification based on integrity in section TZM[11]

圍巖等級(jí)描述1結(jié)晶花崗巖、閃巖、石英巖2富含長(zhǎng)石和部分石英的片麻巖、混合巖3條紋片麻巖4富含云母和白云石的片麻巖5富含片巖的片麻巖6片巖7千枚巖8角礫破碎巖(斷層泥)9塑性程度高、細(xì)粒比例大的角礫破碎巖

綜合對(duì)比蘭渝鐵路木寨嶺隧道和圣哥達(dá)基線隧道的圍巖分級(jí)，發(fā)現(xiàn)二者雖然分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不一樣，但本質(zhì)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。蘭渝鐵路木寨嶺隧道根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》按巖石類別、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理面傾角等因素進(jìn)行圍巖分級(jí)，實(shí)則是以《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的BQ法為基礎(chǔ)藍(lán)本，如式(1)所示，并依據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度及完整性程度指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)； 而圣哥達(dá)基線隧道依據(jù)圍巖的剪切程度與圍巖完整性程度進(jìn)行分級(jí)，其分級(jí)方法與BQ法相比大同小異。此外，國(guó)內(nèi)BQ分級(jí)方法還考慮了地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面、初始地應(yīng)力等影響。將圣哥達(dá)基線隧道圍巖分級(jí)方法、蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)方法與國(guó)內(nèi)BQ法比較，從式(2)中可知，兩者均未考慮地下水的影響。蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)影響因素更多，適用性更強(qiáng)； 圣哥達(dá)基線隧道分級(jí)缺少對(duì)主要軟弱結(jié)構(gòu)面與初始地應(yīng)力影響的研究，但分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)更加細(xì)化，且對(duì)特殊地段圍巖進(jìn)行了考慮，針對(duì)性更強(qiáng)。

BQ=90+3Rc+250Kv

。

(1)

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

。

(2)

式(1)—(2)中: BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)； [BQ]為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值；Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，MPa；Kv為完整性程度指標(biāo)；K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3為初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

4 變形控制技術(shù)對(duì)比

在目前的軟巖大變形隧道施工中，“先柔后剛、先放后抗”的支護(hù)方式優(yōu)于“強(qiáng)支硬頂”已經(jīng)成為了一種共識(shí)。但在當(dāng)前的工程實(shí)踐中，按“強(qiáng)支硬頂”理念施工的工程仍有不少，其中，最常見的病害為設(shè)計(jì)較厚鋼筋襯砌的隧道發(fā)生了開裂，嚴(yán)重影響了運(yùn)營(yíng)安全。而“先柔后剛、先放后抗”是否可以有效控制變形則取決于預(yù)留變形量設(shè)置是否合理，若預(yù)留變形量過大，則易造成地層過度松散，產(chǎn)生更大的松散圍巖圍壓，軟弱圍巖變形就更加難以控制；若預(yù)留變形量過小，則會(huì)造成隧道初期支護(hù)侵限，被迫更換。所以預(yù)留變形量的大小、初期支護(hù)程度和開挖工法成為變形控制的關(guān)鍵。

4.1 預(yù)留變形量

張梅等[10]推薦預(yù)留變形量按式(3)計(jì)算，并根據(jù)蘭渝鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，如表5所示。

U預(yù)留=U初期支護(hù)+U補(bǔ)償。

(3)

式中:U預(yù)留為預(yù)留變形量，cm；U初期支護(hù)為初期支護(hù)變形量，cm；U補(bǔ)償為初期支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)空間，cm。

表5蘭渝鐵路木寨嶺高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量

Table 5 Design reserved deformation of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway with soft rock under high ground stress cm

國(guó)外Mezger等[11]首先基于節(jié)理面傾角和節(jié)理面與洞軸線之間的夾角研究得到片理影響因子，如式(4)所示； 然后，結(jié)合表3確定圍巖所處剪切程度的級(jí)別，得到巖體影響因子，如式(5)所示； 再引入比例常數(shù)β得到高地應(yīng)力軟巖大變形隧道收斂經(jīng)驗(yàn)公式，見式(6)； 最后在Sedrun車站北部覆土厚度達(dá)到1 600 m 的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，將實(shí)測(cè)收斂結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的收斂值進(jìn)行對(duì)比(如圖4所示)，對(duì)比結(jié)果表明，兩者具有較好的一致性，其中，平均位移差為 2.0 cm，最大位移差為2.4 cm。在超前鉆探時(shí)，可以鉆探得到巖體剪切程度和節(jié)理面傾角這2個(gè)重要參數(shù)。

圖4 Sedrun車站北部收斂監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

Fig. 4 Comparison between calculated values and monitoring values of convergence deformation in north of Sedrun Station

隧道開挖方法也是影響預(yù)留變形量的因素之一，例如: 采用三臺(tái)階開挖法施工必然會(huì)造成臺(tái)階拱腳變形內(nèi)移，特別是在高地應(yīng)力條件下，每開挖一個(gè)臺(tái)階就會(huì)向內(nèi)移動(dòng)一定距離，最終造成下臺(tái)階施工后變形侵限。因此，應(yīng)采取不均勻預(yù)留變形量，在拱腳處適當(dāng)加大預(yù)留變形量。針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道，可以在勘察設(shè)計(jì)階段根據(jù)超前地探得到的數(shù)據(jù)，采用式(6)對(duì)隧道收斂量進(jìn)行預(yù)估，確定隧道開挖半徑與臨時(shí)支護(hù)，在實(shí)際施工時(shí)，再根據(jù)開挖方法的特點(diǎn)，采取不均勻預(yù)留變形量。

4.2 支護(hù)方法與參數(shù)

以往對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道大變形的控制通常不考慮高地應(yīng)力釋放與支護(hù)之間的平衡，這就使得當(dāng)加大預(yù)留變形量強(qiáng)調(diào)應(yīng)力釋放時(shí)，往往由于應(yīng)力釋放過度導(dǎo)致隧道凈空侵限；而通過增大初期支護(hù)剛度來抑制大變形時(shí)，效果也不好，因?yàn)檐泿r自穩(wěn)時(shí)間短，不僅要求支護(hù)及時(shí)，還需要較大的支護(hù)阻力，所以對(duì)于高地應(yīng)力軟巖隧道應(yīng)采用既有足夠支護(hù)阻力又有一定可讓性的支護(hù)方式，使支護(hù)不僅能限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，還能適應(yīng)圍巖變形。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道遵循“邊放邊抗”的支護(hù)原則，提出了圓形斷面導(dǎo)洞擴(kuò)挖與多重支護(hù)相結(jié)合的方案。采用先開挖超前導(dǎo)洞，再在開挖正洞時(shí)將小導(dǎo)洞回填，然后采用臺(tái)階法分上、中、下三部分開挖的方法，如圖5所示。與直接使用三臺(tái)階法開挖相比，采用導(dǎo)洞擴(kuò)挖法能將總變形潛能分2次釋放(導(dǎo)坑承擔(dān)一部分，隧道初期支護(hù)承擔(dān)一部分)，可減小初期支護(hù)開裂破壞發(fā)生的可能性，且由文獻(xiàn)[12]可知，導(dǎo)洞擴(kuò)挖法可顯著降低正洞擴(kuò)挖時(shí)的變形速率，加快圍巖施工應(yīng)力場(chǎng)的平衡趨勢(shì)。蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用“超前小導(dǎo)管注漿+3層初期支護(hù)+錨注支護(hù)+ 二次襯砌”的支護(hù)方式(如圖6所示)，首先，通過超前小導(dǎo)管注漿對(duì)前方掌子面進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)和超前預(yù)加固； 然后，開挖上臺(tái)階，施作第1次支護(hù)時(shí)，容許圍巖有一定量的變形，釋放部分地應(yīng)力；開挖中臺(tái)階時(shí)，施作第2次支護(hù)，平衡圍巖壓力與支護(hù)抗力，進(jìn)而控制隧道大變形；開挖下臺(tái)階時(shí)，進(jìn)行第3次支護(hù)與注漿加固，提高圍巖整體性，減少地下水滲流隱患； 最后，再施作二次襯砌。對(duì)于部分變形嚴(yán)重的洞段，錨注后可采用自進(jìn)式錨桿進(jìn)一步加固，提高圍巖的整體力學(xué)性能，控制塑性變形。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明[12]，第1層初期支護(hù)拱頂沉降量為308.33 mm，第2層初期支護(hù)拱頂沉降量為104.2 mm，第3層初期支護(hù)拱頂沉降量為76 mm，拱頂總沉降量為488.53 mm，3層支護(hù)對(duì)變形的控制效果明顯，支護(hù)參數(shù)見表6。

圖5 蘭渝鐵路木寨嶺隧道開挖示意圖

Fig. 5 Sketch of excavation of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway

圖6 蘭渝鐵路木寨嶺隧道導(dǎo)洞擴(kuò)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面示意圖

Fig. 6 Cross-section of supporting structure of pilot tunnel enlarging of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway

表6 蘭渝鐵路木寨嶺隧道與圣哥達(dá)基線隧道支護(hù)參數(shù)

在極為困難的應(yīng)力-應(yīng)變條件下，圣哥達(dá)基線隧道采用超前加固掌子面的全斷面開挖的“新意法”，通過可縮式支護(hù)系統(tǒng)(如圖7所示)加固掌子面超前核心圍巖，控制掌子面超前核心土變形，從而控制隧道圍巖的收斂變形。通過監(jiān)測(cè)得到徑向位移平均值為 20～30 cm，最大值為75 cm，說明擠壓性變形控制方法很成功，日進(jìn)度為1.3 m，造價(jià)低于預(yù)期造價(jià)?；谛乱夥ǖ娜珨嗝骈_挖技術(shù)不僅能縮短隧道掌子面封閉時(shí)間，還能有效減少隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)?？煽s式支護(hù)系統(tǒng)采用摩擦型可縮性U型鋼支架，其具有塑性破壞特征，能抵抗初始大變形，對(duì)可能產(chǎn)生的松散壓力荷載有一定的承載能力，同時(shí)也讓圍巖變形得到一定程度的釋放。與蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用的H型鋼和工字鋼不同，U型鋼鋼架可以通過接頭的滑移縮短鋼架的周長(zhǎng)，避免或減少因扭轉(zhuǎn)和翹曲破壞引起的鋼架失效。除了可縮性鋼架外，配合使用噴射混凝土與掌子面錨桿對(duì)限制變形也有較好的效果，掌子面錨桿可以和核心土形成加固復(fù)合體，提高承載能力，但在施工中需要注意，在實(shí)際變形結(jié)束后才能施加噴射混凝土等適用于破壞準(zhǔn)則的支護(hù)材料，否則支護(hù)抗力將提升不到穩(wěn)定平衡的必要水平。采取的主要措施如下: 1)隧道全斷面開挖，一次開挖80～135 m2； 2)為了適應(yīng)收斂而不侵限隧道凈空，需預(yù)先超挖0.1～0.7 m； 3)使用TH44/70 U型鋼可縮性鋼架，在嚴(yán)重?cái)D壓的巖石中，型鋼間距為0.33～0.67 m，鋼鐵量為9.4 t/m； 4)采用長(zhǎng)度為12 m的徑向錨桿，使用鋼纖維增強(qiáng)噴漿混凝土，每次開挖后立即施作； 5)掌子面采用自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)18 m，每開挖6 m打設(shè)一次，加固后全斷面開挖； 6)收斂速度減慢后，即鋼架接頭滑移到位時(shí)，立即噴射混凝土覆蓋，防止鋼架在軸向壓力下發(fā)生翹曲，保證鋼架承載能力的完全發(fā)揮。

(a) 縱斷面 (b)A-A剖面

支護(hù)安裝順序: ①掘進(jìn)； ②封閉作業(yè)區(qū)； ③安裝鋼拱架； ④安裝徑向錨桿； ⑤噴射混凝土。

圖7可縮式支護(hù)系統(tǒng)的縱斷面和剖面圖

Fig. 7 Longitudinal profile and cross-section of yielding support system

4.3 支護(hù)機(jī)械化施工及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從施工方面來看，蘭渝鐵路木寨嶺隧道施工工序較多，組織難度大，雖然在第3層支護(hù)施作后，基本將平均變形速率控制在1 mm/d以下[13]，但在二次襯砌施作前圍巖變形并未完全收斂穩(wěn)定。在高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下，二次襯砌還要承受巖石流變引發(fā)的荷載，使支護(hù)系統(tǒng)的剛度加大，支護(hù)系統(tǒng)的受力條件惡化，二次襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性受到威脅。圣哥達(dá)基線隧道在距掌子面70 m處進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，雖然時(shí)間間隔較長(zhǎng)，但圍巖的自承能力和支架承載能力已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)最佳平衡點(diǎn)，能保證隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

從費(fèi)用控制及經(jīng)濟(jì)性方面來看，蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用的相對(duì)保守和繁瑣的施工方法與工期和費(fèi)用控制相矛盾，其在工期與費(fèi)用控制上都有一定的不可預(yù)見性。圣哥達(dá)基線隧道采用的全斷面開挖的新意法在軟巖大斷面施工中有利于施工管理，同時(shí)也為機(jī)械化施工開挖提供了更好的施工環(huán)境，減小了原巖應(yīng)力重分布的波及范圍及塑性區(qū)范圍，更好地保持了原巖狀態(tài)，降低了運(yùn)營(yíng)期隧道病害發(fā)生的可能性。由文獻(xiàn)[14]可知: 在軟巖大斷面隧道中，采用新意法施工每延米成洞成本約為29萬元，而傳統(tǒng)分部開挖法每延米成洞成本約為42萬元，成本對(duì)比如表7所示。新意法雖然在超前支護(hù)階段成本較高，但與分部開挖法相比，開挖和初期支護(hù)成本較低。

表7新意法和分部開挖法施工成本對(duì)比

Table 7 Comparison of construction cost of Pietro Lunardi method and bench excavation method 萬元

5 結(jié)論與討論

蘭渝鐵路木寨嶺隧道與圣哥達(dá)基線隧道工程建設(shè)難度相當(dāng)，在地下工程領(lǐng)域內(nèi)均為世界級(jí)難度，且均處于高地應(yīng)力、埋深大、地質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境中。本文針對(duì)中外2個(gè)典型的高地應(yīng)力、深埋大、地質(zhì)復(fù)雜的特長(zhǎng)隧道工程進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1)高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖大變形是在巖性、地下水、地應(yīng)力場(chǎng)、圍巖地質(zhì)構(gòu)造等多種因素共同作用下，因開挖卸荷、應(yīng)力重分布、圍巖發(fā)生塑性剪切滑移所致。蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段屬于H型軟巖，圣哥達(dá)基線隧道TZM段屬于HJ型軟巖。

2)在高地應(yīng)力軟弱圍巖分級(jí)上，圣哥達(dá)基線隧道與蘭渝鐵路木寨嶺隧道均以BQ法為基礎(chǔ)藍(lán)本，但蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖分級(jí)更全面，圣哥達(dá)基線隧道圍巖分級(jí)針對(duì)性更強(qiáng)。

3) 針對(duì)高地應(yīng)力軟巖區(qū)開挖后易發(fā)生強(qiáng)烈變形和坍塌的問題，蘭渝鐵路木寨嶺隧道采用臺(tái)階法兼超前管棚、小導(dǎo)管注漿等施工控制措施；圣哥達(dá)基線隧道采用新意法約束超前核心土的方法以及預(yù)加固措施來予以控制。

4)從機(jī)械化施工的角度來看，目前我國(guó)仍以中小型機(jī)械的半機(jī)械化施工為主，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及施工水平的提高，隧道施工機(jī)械化程度將逐漸提高，未來如何將新意法“中國(guó)化”是今后重要的研究方向。