王亞鵬

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855）

1 引言

在建成蘭鐵路成都至川主寺試驗(yàn)段（簡(jiǎn)稱“成川段”）位于四川省境內(nèi)，全長(zhǎng)275.8 km，是汶川大地震災(zāi)后重建項(xiàng)目，是我國(guó)又一條海拔3 000 m 以上的高原鐵路，平原標(biāo)以路基、橋梁為主，隧道標(biāo)以長(zhǎng)大隧道群為主，線路進(jìn)入龍門山山脈后，首座隧道——躍龍門隧道在施工中遇到各類軟巖大變形，工程地質(zhì)呈現(xiàn)出典型的“四極三高”特征，即：地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著；高地殼應(yīng)力、高地震烈度和高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)疊加，不良地質(zhì)惡化。截至2021 年4 月，開挖統(tǒng)計(jì)隧道范圍內(nèi)軟巖大變形段落占比46.6%，工程建設(shè)難度好比在“凍豆腐”上修青藏鐵路，在“軟豆腐”上修宜萬(wàn)鐵路。

2 軟弱圍巖變形的特點(diǎn)

圍巖變形是評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是隧道設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則之一。隧道開挖后，圍巖變形穩(wěn)定性大致經(jīng)歷3 個(gè)階段：彈性變形階段、彈性變形和塑性變形共存階段、以流變?yōu)橹?，流變和塑性變形共存，同時(shí)圍巖發(fā)生損傷、斷裂、擠出及膨脹耦合作用階段。硬圍巖以彈性變形和塑性變形為主，而軟弱圍巖則以塑性變形和流變變形為主，其圍巖變形主要有以下特點(diǎn)。

2.1 變形量大

隧道挖后，能夠產(chǎn)生顯著的塑性變形是軟弱圍巖最主要的顯性特征，往往表現(xiàn)為初期支護(hù)嚴(yán)重破裂，如噴射混凝土開裂脫落、鋼架扭曲，甚至引起二襯混凝土的開裂。

2.2 初期變形速度快

堅(jiān)硬圍巖在隧道開挖后，變形很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其變形速率很小。而軟弱圍巖隧道開挖后，變形速率較大。

2.3 變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

軟弱圍巖不僅初期變形速度快，而且延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有明顯的流變特征。眾多研究表明，軟弱圍巖隧道開挖后一段很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，支護(hù)或襯砌上的壓力一直在變化，這可解釋為軟弱圍巖蠕變的結(jié)果。

2.4 圍巖破壞范圍大

軟弱圍巖隧道周邊的塑性區(qū)擴(kuò)大，特別是支護(hù)不及時(shí)或結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度不足時(shí)圍巖破壞范圍更大。

2.5 壓力增長(zhǎng)快

圍巖壓力隨開挖時(shí)間而迅速增大，在很短的時(shí)間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸產(chǎn)生較大的圍巖壓力。如果施工方法和支護(hù)措施得當(dāng)，支護(hù)封閉后變形就應(yīng)得到控制；反之，即使支護(hù)封閉后，變形還會(huì)發(fā)展，以致支護(hù)發(fā)生破壞。因此，掌握施工階段大變形的發(fā)展規(guī)律和控制技術(shù)，是軟弱圍巖隧道施工的關(guān)鍵。

2.6 變形破壞形式多樣

軟弱圍巖隧道的變形破壞形式一般表現(xiàn)為噴射混凝土嚴(yán)重開裂、初期支護(hù)變形侵限、鋼架變形扭曲、隧底上鼓、拱頂?shù)魤K坍塌等。

3 工程概況

躍龍門隧道采用雙洞分修，左線全長(zhǎng)19 981 m，右線全長(zhǎng)20 042 m，左右線間距為29.999～62.493 m，隧道正線與平導(dǎo)、外移平導(dǎo)（2+1+1）四線并行開挖，線路設(shè)計(jì)為單面上坡，坡度17.8‰，最大埋深1 445 m，最大地應(yīng)力31.5 MPa，隧道突出特點(diǎn)為軟巖大變形段落密集。

施工中為避免開挖后塑性區(qū)應(yīng)變能集中、應(yīng)力持續(xù)性擴(kuò)展傳遞、有效改善圍巖自承能力，結(jié)合蘭渝鐵路軟弱大變形隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及成蘭鐵路隧道工程前期勘察、測(cè)試數(shù)據(jù)，躍龍門隧道施工中采用大變形控制技術(shù)主要有：以“新奧法”光面爆破、錨噴支護(hù)、復(fù)合式襯砌、監(jiān)控量測(cè)為核心支撐理論，以“主動(dòng)控制、超報(bào)超支、變形觀測(cè)、三維掃描、圓形輪廓、分步預(yù)留、盡早閉環(huán)、雙層支護(hù)、長(zhǎng)短錨桿、機(jī)械配套、徑向注漿、襯砌時(shí)機(jī)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)”為施工措施。

通過(guò)理論實(shí)踐相結(jié)合，截至2021 年4 月30 日，左線暗洞剩余380 m，右線暗洞剩余1 400 m，平導(dǎo)暗洞剩余600 m，左線計(jì)劃2021 年9 月貫通，右線計(jì)劃2022 年12 月貫通。

4 躍龍門隧道軟弱圍巖大變形段施工技術(shù)

4.1 圓形斷面開挖

借鑒蘭渝鐵路軟弱大變形隧道以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合BIM、FLAC3D 數(shù)值模擬理論分析及成果總結(jié)，參考地質(zhì)鉆孔資料，躍龍門隧道對(duì)圓形、橢圓形、馬蹄形斷面進(jìn)行工程模擬后發(fā)現(xiàn)圓形斷面沒有隅角，輪廓圓順，能有效保證深埋軟弱圍巖、初支結(jié)構(gòu)各方向上外部承壓均衡，頂壓、側(cè)壓、底部隆起壓力能平均分配，通過(guò)躍龍門隧道10 年來(lái)開挖成果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，軟巖大變形隧道采用圓形斷面與其他類型斷面相比，具有最佳受力結(jié)構(gòu)和施工安全性，同時(shí)配合雙層初期支護(hù)設(shè)計(jì)，與普通鐵路隧道一層初期支護(hù)相比，二支能更有效抵抗高地應(yīng)力軟巖一次支護(hù)后圍巖變形持續(xù)發(fā)展，避免初支開裂、崩塌的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 平導(dǎo)外移

躍龍門隧道原設(shè)計(jì)為“左線、中部平導(dǎo)、右線”三線并行開挖，正線及平導(dǎo)圍巖開挖揭示，洞內(nèi)大變形段落圍巖多為震旦系邱家河組（Zbq）硅質(zhì)巖、頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾灰?guī)r、白云巖、夾輝綠巖（βμ）巖脈等巖石組成，其中，輝綠巖（βμ）巖脈侵入體變化較大且無(wú)規(guī)律，地層巖性及不良地質(zhì)狀況極其復(fù)雜，伴隨高瓦斯、硫化氫、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)效應(yīng)的疊加，正線及平導(dǎo)各施工作業(yè)面均出現(xiàn)中等、嚴(yán)重大變形，大變形段落長(zhǎng)、變形速率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形量大，出現(xiàn)圍巖及初支破壞范圍大、支護(hù)破壞形式多樣、洞群影響敏感等顯著特征，以PDK99+805 斷面為例，豎直方向累積沉降變形220.4 cm，水平方向累積收斂122.9 cm，仰拱累積上浮140 cm，雙層支護(hù)鋼架扭曲、折斷，相鄰正洞施工后變形加劇，導(dǎo)致此處中部平導(dǎo)失去通行、通風(fēng)、排水功能。

目前，右線施工掌子面還未施工到設(shè)計(jì)平導(dǎo)位置，如相鄰右線正洞施工到此處勢(shì)必會(huì)影響平導(dǎo)再次變形，加大正洞、平導(dǎo)變形控制難度，經(jīng)施工單位多次組織專家評(píng)審、論證，提出優(yōu)化平導(dǎo)平面位置，降低中間平導(dǎo)未施工段群洞效應(yīng)的影響，采用中部平導(dǎo)外移至右線右側(cè)70 m 處方案，整體上形成“2+1+1”四洞并行線路結(jié)構(gòu)，對(duì)已施作平導(dǎo)分別采取如下措施：回填部分未穩(wěn)定中間平導(dǎo)，加固部分中間平導(dǎo)中巖墻，外移開挖支護(hù)后續(xù)平導(dǎo)。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，平導(dǎo)外移施工后，平導(dǎo)及對(duì)應(yīng)已施作二襯均未出現(xiàn)大變形和混凝土破壞，最大程度上減少了“群洞效應(yīng)”下初支、二襯變形破壞。

4.3 注漿堵水

山嶺隧道襯砌承受水壓極限值一般在0.6 MPa，超過(guò)此值襯砌混凝土難以抵抗周圍水壓力，必須采取措施降低水壓值。躍龍門隧道正線下穿高川河區(qū)段共86 m，高川河為常年性流水河流。通過(guò)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，下穿河道段圍巖為灰?guī)r且極度破碎，節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，河水與隧道頂裂隙易連通，以構(gòu)造裂隙水與巖溶裂隙水為主，屬巖溶富水段，隧道整體埋深較淺，下穿段3#斜井為長(zhǎng)度2 025 m、坡度103.78‰反坡，斜井高差200 m，存在嚴(yán)重突涌水及次生崩塌風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)專家評(píng)審及安全評(píng)估意見，下穿段采用“連續(xù)超前周邊注漿+局部徑向注漿”堵水方案，注漿加固后在開挖輪廓外形成隔水環(huán)封閉層，安全掘進(jìn)通過(guò)高富水區(qū)域，解除大變形隧道穿越河流突涌水風(fēng)險(xiǎn)。

下穿施工中，根據(jù)位移控制基準(zhǔn)、位移管理等級(jí)，當(dāng)觀測(cè)斷面拱頂下沉或水平收斂速率為5 mm/d、累計(jì)100 mm 或數(shù)據(jù)突變時(shí)，立即暫停掘進(jìn)并進(jìn)行鉆注一體機(jī)徑向圍巖鉆孔注漿，鉆孔深度1.5～5 m，注入水泥水玻璃雙液漿填充變形裂隙，注漿壓力1 MPa，在圍巖外側(cè)形成防水環(huán)、擴(kuò)散拱結(jié)構(gòu)加固周圍巖體，并適當(dāng)加大監(jiān)控量測(cè)頻率。

4.4 兩臺(tái)階帶仰拱（短臺(tái)階）開挖

傳統(tǒng)軟弱圍巖多采用分部法開挖，有預(yù)留核心土環(huán)形開挖、三臺(tái)階七部開挖、（交叉）中隔壁等多種形式，躍龍門隧道巖體走向N40～60°E，傾向NW，巖層傾角65°～85°，穿越褶皺主要有大屋基倒轉(zhuǎn)背斜，南東翼發(fā)育高川坪倒轉(zhuǎn)向斜，根據(jù)隧道大變形段落地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，最大值為31.5 MPa，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開挖組合試驗(yàn)成果，躍龍門隧道采用兩臺(tái)階施工，下臺(tái)階帶仰拱一次性開挖，減少多次爆破對(duì)圍巖頻繁擾動(dòng)，減少應(yīng)力反復(fù)再分配，既不會(huì)過(guò)度損傷圍巖，又保護(hù)圍巖自穩(wěn)性，帶仰拱施工作業(yè)空間大，有利于大型機(jī)械設(shè)備施工，省時(shí)、省力、安全，輔以超前支護(hù)、超前注漿等措施后更能保證開挖安全、高效掘進(jìn)[1]。

輕微、中等變形等級(jí)采用兩臺(tái)階（下臺(tái)階帶仰拱）工法，嚴(yán)重大變形段落根據(jù)需要采用兩臺(tái)階（下臺(tái)階帶仰拱）+臨時(shí)仰拱+預(yù)留核心土，一支初支預(yù)留變形量15 ㎝、二支預(yù)留變形量25 ㎝，根據(jù)施工監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)及支護(hù)參數(shù)，有效發(fā)揮一支、二支承載作用，提高二次襯砌施作安全系數(shù)。

4.5 主動(dòng)控制

軟弱圍巖施工多先探后挖，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前支護(hù)相結(jié)合，躍龍門隧道因局部構(gòu)造嚴(yán)重扭曲，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖極度破碎，普通砂漿錨桿鉆孔完成后極易塌孔、縮孔，通過(guò)可操作性、工效對(duì)比，中空錨桿最適合軟巖大變形段落錨桿體系，能有效發(fā)揮錨桿支撐、懸吊、組合梁、加固作用，輔以專業(yè)錨桿鉆機(jī)，能快速提高圍巖自承能力、抗剪強(qiáng)度、屈服后殘余強(qiáng)度，有效改善圍巖連續(xù)性、抵抗高地應(yīng)力軟巖短期及長(zhǎng)期大變形，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)、聲波測(cè)試法探明松動(dòng)區(qū)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化錨桿參數(shù)及施作位置[2]。

兩層初期支護(hù)均采用錨桿進(jìn)行主動(dòng)加固，1 支φ22 mm 短錨桿，長(zhǎng)4 m，2 支φ32 mm 長(zhǎng)錨桿，長(zhǎng)6～8 m，長(zhǎng)短錨桿相結(jié)合，先短后長(zhǎng)形成群錨效應(yīng)，輕微變形段落采用4 m+6 m 錨桿組合方式，使圍巖松弛得到短錨桿錨固而減速，控制塑性區(qū)擴(kuò)展和初期變形，中等、嚴(yán)重大變形段落采用4 m+（6~8）m 錨桿組合方式，對(duì)圍巖深層松動(dòng)圈進(jìn)行加固，進(jìn)一步減緩圍巖和初支變形，有效控制軟巖大變形，施工中長(zhǎng)錨桿施工步距按滯后上臺(tái)階10 m，滯后下臺(tái)階5 m 控制，在雙線大變形Ⅲ型特殊襯砌段落，仰拱增加φ32 mm，長(zhǎng)8 m 自進(jìn)式錨桿，采用全環(huán)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)。

長(zhǎng)短錨桿交錯(cuò)梅花形布置，縱橫間距1.2 m×1.0 m～1.2 m×1.2 m（環(huán)×縱），鉆孔與初支面基本垂直，采用有壓注漿，壓力0.3～0.5 MPa，快凝早強(qiáng)無(wú)收縮注漿料60 min 內(nèi)強(qiáng)度可達(dá)到20 MPa，安裝墊板及緊固螺母后，要求螺母極限載荷不小于190 kN[3]。

圖1 采用長(zhǎng)短錨桿群錨組合

以躍龍門隧道右線YD2K99+685～YD2K100+570 大變形段長(zhǎng)短錨桿施作效果為例，施作后，初支變形得到有效控制，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 圍巖級(jí)別及設(shè)計(jì)施工方法

采用全站儀自由設(shè)站觀測(cè)方式進(jìn)行非接觸量測(cè)，測(cè)點(diǎn)采用膜片式反射片作為標(biāo)靶，間隔5 m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，此段內(nèi)變形較大斷面共計(jì)139 個(gè)，其中，拱部沉降最大斷面為YD2K100+190，累計(jì)拱頂沉降值298.1 mm，其余斷面累計(jì)拱頂沉降值在25.2～285.2 mm；其中，水平收斂最大斷面為YD2K100+180，累積收斂值為326.3 mm，其余斷面累計(jì)收斂值在14.6～319.2 mm，通過(guò)收斂曲線和回歸分析時(shí)態(tài)曲線分析，長(zhǎng)短錨桿組合能控制圍巖、初支持續(xù)變形，初支施作使得圍巖荷載效應(yīng)傳遞給周邊圍巖，初期支護(hù)僅承擔(dān)少部分荷載，隨著淺層圍巖松動(dòng)荷載和深層圍巖形變荷載被錨噴支護(hù)體系主動(dòng)干預(yù)，發(fā)揮圍巖自承能力，減少初支及襯砌被動(dòng)受力破壞，為后續(xù)工序安全施工提供保證。

4.6 襯砌施作時(shí)機(jī)

躍龍門隧道因四線并行開挖，襯砌施作時(shí)機(jī)至關(guān)重要，群洞效應(yīng)下太早施作襯砌易產(chǎn)生變形，太晚施作襯砌既不安全又使工效降低，通過(guò)量測(cè)數(shù)據(jù)及理論計(jì)算，襯砌施作時(shí)機(jī)必須同時(shí)滿足初支變形穩(wěn)定、安全步距、后行洞初支封閉成環(huán)且收斂3 個(gè)要求，此時(shí)施作隧道襯砌既能滿足建筑限界和內(nèi)輪廓要求，又能滿足運(yùn)營(yíng)階段安全儲(chǔ)備和極限條件下預(yù)留30 ㎝套襯施作可能性[4]。

群洞效應(yīng)下要保證二次襯砌結(jié)構(gòu)安全，先行洞二支必須在后行洞掌子面開挖至先行洞一支時(shí)，再施作先行洞第二層支護(hù)，在左右線初期支護(hù)全部收斂后再及時(shí)施工二次襯砌，有效避免左右線相互擾動(dòng)、避免后行洞施工對(duì)先行洞造成影響，二襯安全步距閾值為300 m，對(duì)于高地應(yīng)力大變形隧道段落初支變形長(zhǎng)時(shí)間未收斂，施工中需采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)措施，二襯安全步距可適當(dāng)調(diào)整，最大限度地滿足襯砌結(jié)構(gòu)混凝土密實(shí)性、水密性、強(qiáng)度充分，無(wú)潛在裂縫、冷縫、脫空（空洞）、不密實(shí)、掉塊、滲漏水等質(zhì)量缺陷隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

軟巖大變形隧道施工，最基本作業(yè)工序?yàn)殚_挖和支護(hù)，開挖擾動(dòng)地層圍巖后，通過(guò)施作初支、二襯結(jié)構(gòu)，控制隧道周邊圍巖力學(xué)動(dòng)態(tài)，構(gòu)筑長(zhǎng)期穩(wěn)定隧道構(gòu)造物，完成圍巖、地下水及周邊環(huán)境再次平衡，實(shí)現(xiàn)“預(yù)設(shè)計(jì)—施工—變更設(shè)計(jì)—施工—竣工”動(dòng)態(tài)、信息化過(guò)程。采取“先控制、后釋放”軟巖控制方法，既能滿足隧道使用功能，又能保證隧道耐久及可維修性，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、超前預(yù)加固等措施，讓隧道開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)既針對(duì)又靈活。以軟巖大變形隧道工程案例為經(jīng)驗(yàn)資料，結(jié)合數(shù)字化、信息化技術(shù)，在施工中不斷總結(jié)和探索，保證軟巖大變形隧道施工安全、科學(xué)、有效。