峡口隧道进口段高地应力隧道施工技术.doc

峡口高地应力软岩隧道施工技术
作者 李晓燕
（中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆，401121）
摘要：高地应力隧道施工技术是目前该领域关注的热点和难点问题，结合峡口复杂地质隧道高应力地段的施工实践，针对砂质粉砂质页岩、碳质页岩、砂质泥岩、炭泥岩等软岩地层，在高应力作用下的变形特征，采用综合超前预报技术、环向台阶法开挖、微振控制爆破技术以及多种支护技术组合，摸索出一套相对有效的应对复杂地质高应力隧道施工技术措施。根据现场监控量测试验结果验证了本工程高地应力隧道设计的科学合理性，这对类似条件的隧道施工具有一定的参考借鉴价值。
关键词：高地应力；围岩稳定；超前预报；施工技术措施监控量测
Study on construction technology of high stress soft rock for Xiakou tunnel
Abstract: Construction technology of High stress tunnel is a hot and difficult problem in this field at present. Combined with the construction practice of complex geological for Xiakou tunne in high stress section, According to the deformation characteristics of sandy silty shale, carbonaceous shale, mudstone, sandy mudstone, carbon in soft rock strata under the action of high strain and used Integrated advance forecasting techniques, the hoop step method excavation, fretting the Controlled Blasting technology and a variety of supporting technology portfolio to explore a set of relatively effective technical measures to deal with the complex geological high stress tunnel construction. Based on the test results of ield monitoring measurement verify that he design of tunne with high stress in this engineering is rationable, which has certain reference value for similar condition of tunnel construction.
Key word: high ground stress; stability of surrounding rock; advanced prediction; construction technology; monitoring and measurement

0引言
随着我国铁路公路建设的不断发展，隧道工程已向长大深埋方向发展，特别是穿越高地应力区且地质环境恶劣的软弱围岩，施工极易出现松弛大变形[1]。 在山岭深埋隧道施工设计中，一般只考虑了与埋深无关的松弛压力，但在高地应力作用下的软弱围岩还需考虑“蠕变压力”作用[2]，此状态下软弱围岩自稳能力差，成洞后易发生挤压大变形，严重破坏隧道支护体系，尤其在深埋或地下水等因素影响下，常规支护方法及工艺无法有效遏制其变形发展，需开展非常规的、特殊的开挖和支护方法研究[3]。目前，国内外尚未建立高地应力软岩地质条件下的隧道控制软弱围岩大变形机理及处理对策的理论研究和施工处理体系[1]。
本文通过对峡口隧道施工技术系统研究，采取喷射混凝土、锚杆、钢筋网、可伸缩性U型钢架、仰拱、二次衬砌等初期组合支护措施，采用综合超前地质预报、围岩监控测量及超前支护等综合技术手段，有效控制了高地应力段中、高烈度岩爆和软岩挤压大变形，对国内外同类工程施工具有较强的理论意义和借鉴价值。
1工程概况
峡口隧道是宜巴高速公路重点控制性工程，位于湖北省兴山县，具有“高地应力、顺层、软岩、断层、深埋、大变形”等特点，地层岩性主要为砂质粉砂质页岩、碳质页岩、砂质泥岩、炭质泥岩、碳质页岩，岩体较破碎、拱顶易顺层片落。地下水以基岩裂隙水为主，偶有线状渗水现象，隧道最大埋深1480m，围岩内部地应力较大。
根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94），场区地应力等级为高、极高地应力，主要结果如表1：
表 1 不同岩体地应力等级的划分
名称
饱和抗压强度/MPa
Rc/σmax
备注
灰岩
54.8
4.20
高应力
砂岩
31.4
2.40
极高应力
页岩
41.0
3.14
极高应力
现场断面测试结果[4]显示，洞身最大水平应力为13.06MPa，横断面最大初始应力σmax为12.37 MPa，对应岩体（炭质页岩、砂质页岩、砂质泥岩、粉质泥岩）的单轴抗压强度为Rc为2.5~8.7 MPa，Rc/σmax为0.2~0.7，属高应力区，隧道极易产生大变形。
2 综合超前地质预报
目前国内外超前预报主要采用TSP超前预报系统、围岩地质素描和超前水平钻孔[5]等方式。在峡口隧道超前地质预报中主要采用综合超前地质预报技术，包含隧道主要不良地质和施工地质灾害宏观预报、隧道洞身主要不良地质体中长期超前地质预报、超前钻探和围岩地质素描，具体工作流程见图1：

图1峡口隧道超前地质预报工作流程
3 高应力段主要施工措施
3.1 超前支护
因围岩破碎，地应力高，围岩开挖后不能自稳，在掌子面掘进前采用Φ42mm小导管注浆预加固。小导管采用外径42mm、壁厚3.5mm热轧无缝钢管制作，前端成尖锥状，以减少入孔的阻力，注浆压力0.5~1.0Mpa。小导管2.9m范围内管壁四周钻6mm压浆孔，梅花型布置。间距15m，尾部有1m不设压浆孔，焊上Φ6的箍筋。通过小导管将水泥浆强制注入至拱部岩石裂隙内，极大的提高开挖安全性，有效的防止了塌方。
3.2 隧道开挖方法及钻爆技术
峡口隧道的开挖实践证明高地应力软岩段采用环向台阶法开挖是可行的。此方法可减少一次性开挖面积，各部分均错开开挖有利于减少掌子面高度，增强其稳定性，同时可以缩短开挖和支护的时间间隔，减少每次支护量，缩短每部分支护的工作时间，使开挖部分能及时支护。具体的开挖顺序和台阶长度如图2所示：

图2 环形台阶开挖法
采用微振控制爆破技术，严格控制装药量和延期时差，达到控制爆破振速的目的，最大限度地减少对周边围岩的扰动和破坏。峡口隧道高地应力段主要是IV级围岩，IV级围岩每循环进尺控制在2-2.4m, 周边眼线装药密度控制在0.075~0.1kg/m，平均装药量单耗控制在0.55~0.65kg/m，周边眼环向间距控制在25~30cm，外插角控制在1.5~2º。
3.3 初期支护
初期支护采用锚、喷、网联合支护结构，按初喷混凝土、立U型钢架、打锚杆、挂网、复喷混凝土至设计厚度的顺序紧跟开挖面进行施工。本隧道高地应力段采用的初期支护参数为：喷射砼26cm，Φ8钢筋网（间距25×25 cm）全断面布置，钢架采用U29型钢，间距1.2m，型钢间采用Φ22纵向连接筋连接成整体，锚杆采用Φ22砂浆锚杆，长4m，纵环向间距120×120cm，梅花型布置。初期支护安装见下图3：
图3 初期支护安装图
3.3.1 喷射混凝土
峡口隧道高地应力软岩大变形施工中，喷射混凝土强度等级为C20，喷射厚度为26cm，施工时分为初喷和复喷两个阶段，初喷4cm，复喷22cm。初喷混凝土作为围岩的第一层支护，可以有效的防止新出露的洞壁围岩风化、崩落，从而最大限度的减少围岩自承力的降低；可以填平围岩开挖轮廓的不平顺，可以减少或者消除局部应力集中，从而提高围岩的稳定性；通过封闭围岩，可以提高下一步施工工作的安全性。
初喷完后，立即施工系统锚杆，钢筋网和型钢钢架，并及时进行复喷混凝土施工。复喷完后，才允许进行下一循环开挖施工。喷射混凝土早期强度高（速凝剂的作用），与围岩黏结较牢固，能在短时间内与围岩形成一个拱形整体，共同承受荷载，从而起到加固围岩、提高围岩的自承能力和稳定性的作用。
3.3.2 锚杆
锚杆施工在初喷混凝土后进行。锚杆杆体采用Φ22mm，螺纹钢，单根长度４ｍ，环向、纵向间距为1.2ｍ，梅花型布置，锚杆方向与岩面垂直。锚杆端头设铁垫板，施工时垫板用螺母拧紧，使之紧贴岩面。锚杆杆体插入孔内长度不小于设计长度的９５％，外露长度不大于喷射混凝土厚度。
3.3.3 钢筋网
钢筋网采用Φ８ｍｍ钢筋焊接而成，网格间距２5ｃｍ。为了提高施工速度，钢筋网先在加工棚内焊接成２.4ｍ×２.０ｍ片状，现场再进行安装、焊接。现场施工时，利用已施工的锚杆作为钢筋网的支承点，与钢筋网焊接在一起。
3.3.4可伸缩性U型钢架
可伸缩性U型钢架是本隧道高地应力段为抑制隧道变形而采用的加强支护措施，每榀骨架由5个基本构件构成，一根半径为6.21m的拱顶弧形梁，两根半径为6.21m的拱腰弧形梁，两根半径为2.71m的立柱弧形梁，一根半径为9.21m底部弧形梁，整个U型钢钢架形成一个三心拱，其中拱腰弧形梁与拱与立柱弧形梁、立柱弧形梁与底部弧形梁均采用摩擦连接，搭接长度为50cm，该处使用两个卡箍固定（每个卡箍包括一个U型螺杆和一块U型垫板，两个螺母），连接处采用两根4.0锁脚锚杆，可更好的抵抗围岩应力，其余部分连接采用180×180×16mm的钢板作为连接板。安装示意如图4所示：
图4 可伸缩性U型钢架安装图
骨架的可缩性是用卡箍的松紧程度来调节和控制的，骨架在围岩的作用下，构件开始变形，当围岩地应力达到某一程度后，摩擦搭接部分开始产生微小的相对滑移，骨架下移，从而缓解围岩对骨架的压力，可缩性耗尽后钢架成为钢性支架承载。和其它钢架相比，该骨架可缩性大，加工、制作、安装简单，当其成为钢性支架时，其抗压、抗扭能力高于普通工字钢骨架。
3.3.5仰拱
及时施工仰拱是高地应力隧道施工的一项重要措施。高地应力软岩变形地段，仰拱紧跟开挖面。仰拱距开挖面下台阶长度一般不超过15ｍ。每环仰拱开挖长度不超过４ｍ，开挖后立即用U型钢架、钢筋网、喷混凝土进行支护，使整个支护系统封闭成环，并及时施工仰拱混凝土，以利于整体受力。仰拱钢架、钢筋安装如图5所示：

图5 仰拱钢架、钢筋安装图
3.3.6二次衬砌
为了保证隧道净空，抵御巨大形变压力，高地应力段衬砌应采用钢筋混凝土结构，混凝土最小厚度为45cm，施工时间在围岩监控量测结果收敛后进行；对于部分地段围岩长时间不收敛的情况，为了保证施工安全，待其变形速度小于一定值时，立即施工钢筋混凝土衬砌。峡口隧道进口段净空测量数据显示，衬砌未出现侵限现象，衬砌表面也未出现高地应力引起的裂缝。
3.4围岩监控量测
围岩监控量测项目包括应力量测和净空变形量测。
3.4.1应力量测
应力监测采用埋设压力盒和钢筋应力计，根据现场实际，选定某监测断面处进行现场测试，该断面隧洞埋深约1113m，初衬支护按Ⅳc设计，采用U29型钢支护，榀间距1.2m；二衬设计为C25钢筋混凝土，厚度45cm。分别在拱顶、两侧拱腰和拱脚位置布设土压力盒和钢拱架表面应变计，共安装土压力盒5个、钢拱架表面应变计5个。传感器安装位置示意图如下图6所示：

图6 监测断面传感器安装示意图
对隧道左右侧拱脚、拱腰及拱顶等部分进行了围岩压力测试，各测点围岩随时间变化曲线如图7所示：

图7 监测断面接触应力监测曲线图
从围岩接触应力监测结果可知，掌子面开挖后，随工作面向前推进，围岩接触应力迅速增加，在第10-11天时达到峰值，随后应力增加缓慢。其中拱顶位置接触应力最大，最大值为146.10KPa，尚处于安全范围。
隧道左右侧拱脚、拱腰及拱顶等部分钢架应力各测点应力随时间变化曲线如图8所示：

图8 监测断面U钢应力监测曲线图
3.4.2 净空变形量量测项目
包含拱顶下沉量测和水平收敛量测。拱顶下沉采用精密水准仪、收敛计和挂钩钢尺量测，并配以拱顶点挂钩吊挂；水平收敛量测采用数显式收敛计进行监测，拱顶下沉和水平收敛量测布设在同一断面，间距在Ⅲ级围岩地段每20m设一个断面，在Ⅳ级围岩地段每10m设一个断面，在Ⅴ级围岩地段每5m设一个断面。

图9 监测断面时间--位移曲线图
如图9所示，开挖近2个月的时间内，拱顶最大下沉变形量为10.52mm,墙腰水平收敛最大变形量为7.92mm，拱腰水平收敛最大变形量为8.34mm，开挖后5天内变形速率较大，前15d的变形量达到总变形量的85%，支护局部有少量开裂、剥落现象，未出现大面积坍塌。
4 结论
(1) 通过采用综合超前地质预报措施，根据预报结果，对掌子面前方可能诱发的重大地质灾害建立预警体系，进行动态施工，动态设计、动态管理，是高地应力软岩隧道施工行之有效的措施。
(2) 采用环向台阶法开挖方法、微振控制爆破技术、施工支护采用先柔后刚，先放后抗，采用可伸缩性的U型钢架，同时将喷射砼分两次进行，待变形后再喷第二次，是保证该类工程围岩施工变形稳定及支护结构安全的重要手段。
(3)通过监测结果显示，本文提出的综合超前预报方法和组合施工措施是可行的，这对国内外类似工程施工具有重要的参照价值。
参考文献
[1] 王水善. 堡镇隧道软岩高地应力地层大变形控制关键技术 [J]. 隧道建设, 2009, 02: 102-106.
[2] 孙伟亮. 堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技术 [J]. 隧道建设, 2009, 01: 81-86.
[3] 李建军. 大相岭泥巴山隧道高地应力段施工技术 [J]. 铁道建筑技术, 2012, 01: 89-94.
[4] 陈卫忠, 李海波, 黄理兴等 湖北省宜巴高速公路17标段峡口隧道地应力测试报告 [A]，中国科学院武汉岩土力学研究所.
[5] 赵天熙. 超前地质预报技术在西格二线关角隧道的应用 [J]. 铁道建筑, 2010, 02: 34-37.