峡口隧道高地应力软岩大变形施工控制技术

峡口隧道高地应力软岩大变形施工控制技术

马军山

（中铁二十局集团第三工程有限公司重庆 401121）

【摘要】湖北宜巴高速公路峡口隧道进口段穿越薄层碳质页岩地层，在隧道区范围内，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；最大水平主应力与隧道轴线交角较大，对隧道围岩的稳定性不利；地应力量值对碳质页岩而言为极高应力。在隧道施工过程中，通过采取提高支护体系刚度、合理预留变形量，以及采用长锚杆、短进尺预留核心土和二次衬砌跟近、提高二衬混凝土强度等常规措施控制了围岩变形，保证隧道顺利施工。

【关键词】峡口隧道碳质页岩高地应力大变形控制措施

1 引言

随着我国铁路、高速公路建设的不断发展，隧道工程已经向长大、深埋方向发展，建设穿越高地应力且地质环境恶劣的软弱围岩区的长大隧道工程不可避免[1]。例如兰新复线乌鞘岭隧道、二郎山隧道、宜万铁路堡镇隧道、兰渝铁路毛羽山隧道等在施工过程中都存在高地应力软岩大变形。在高地应力区修建的地下工程，最大的难题就是软岩大变形的控制问题[2]。

目前，关于围岩大变形还没有一个明确的和清晰的定义，在理论上缺乏系统研究，在工程实践中，围岩大变形至今未列入设计规范。国内外许多专家对高地应力软岩隧道修建技术进行了大量研究，分别从支护措施、开挖方法等方面提出相应观点和解决办法。

在建湖北宜巴高速公路峡口隧道，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；最大水平主应力与隧道轴线交角较大，对隧道围岩的稳定性不利；地应力量值碳质页岩而言为极高应力。隧道初期支护后出现严重的大变形情况。本文结合峡口隧道进口高地应力软岩大变形工程实例，研究薄层碳质页岩地层大变形的发展规律和力学机理，在施工过程中探求合理的治理措施，达到有效控制围岩变以及快速掘进的目标，从而保证工程的顺利施工；同时，进一步深化并丰富软岩隧道大变形研究，为该类隧道工程设计施工控制提供理论研究。

2 工程概况

在建的峡口隧道位于兴山县峡口镇境内，为路线穿越一近南北走向山岭而建设。隧道采用分幅式，其左幅起讫桩号ZK104+214～ZK110+670，总长6456.0m，右幅起讫桩号

YK104+223～YK110+710，总长6487.0m。隧道进口小间距18m、出口26m，单幅隧道净空为(宽×高)10.25×5m。灯光照明，机械通风，隧道最大埋深约1478m，属深埋特长隧道。

隧道进口段通过的软岩地层主要为志留系龙马溪组(S11)：黑色页岩、碳质页岩、泥页岩夹薄层粉砂岩及砂岩，层间结合力差，岩体较破碎，呈水平薄层状，拱顶易顺层片落。

通过对斜向上150孔及铅直孔水压致裂法地应力试验及测试结果的分析研究，得到如下结论[3]：

（1）实测深度范围内,隧道边墙围岩最大水平主应力最大值为8.75MPa、最小主应力值最大值为6.07MPa；

（2）铅直孔最大水平主应力最大值为13.06MPa、最小水平主应力值最大值为7.18MPa；（4）实测范围内，隧道区铅直孔的最大水平主应力方向基本为NE150；

（5）结果表明:在隧道区范围内，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；

（6）最大水平主应力与隧道轴线交角较大，对隧道围岩的稳定性不利。

（7）隧道掌子面岩层的小褶皱也表明了该隧道区内是以构造应力场为主导，且与隧道轴线交角较大；

（8）本次测试的隧道部位埋深仅240m，地应力量值对碳质页岩而言为极高应力。

隧道软岩地层段采用上下台阶预留核心土法开挖，初期支护钢架采用I16型钢（1榀/1.0m）。支护后围岩变形较大,变形速率较快,拱顶最大下沉达640mm，周边收敛最大190mm。隧道大变形造成初期支护混凝土开裂、剥落，拱架发生严重的扭曲变形，需要大面积换拱，造成重大经济损失，严重困扰施工安全，影响工期。

3 隧道变形破坏特征

3.1 围岩变形特征

3.1.1变形量、变形速率大

隧道开挖后，围岩变形强烈，拱顶最大下沉640mm，最大周边收敛190mm，拱顶下沉远大于周边收敛，表明隧道区地应力场以水平应力为主导。

围岩初期变形快且变形速率大，表明来压快,围岩具有软弱、完整性差和自稳能力差的特点。如： ZK104+998断面最大下沉可达85mm/d。

3.1.2变形持续时间长

在大变形段，隧道围岩变形持续时间长。在初期变形后，变形并未停止，而在持续发展，

拱顶下沉较快。围岩持续变形，造成初期支护变形过大而发生破坏，导致初期支护侵限，进

行换拱处理。

3.1.3围岩变形拱顶下沉变形远大于周边收敛。

3.1.4围岩变形具有明显阶段性

监控量测数据显示，上台阶开挖拱顶下称量占总量的35%左右，前面掌子面开挖和下台阶开挖拱顶下沉量占总量的65%，所以掌子面爆破和下台阶、仰拱爆破对围岩变形影响很大。

3.1.5工序干扰易引起突变

初期支护完毕后，受工序对围岩的扰动影响，变形加速的特征非常明显，特别是掌子面爆破、下台阶、仰拱开挖时产生突变现象。带来较大的灾害，初期支护变形侵限处理困难、危险，不及时处理带来塌方。

3.2初期支护变形特征

隧道洞身ZK104+900～ZK105+150、YK105+060～YK105+200段主要为薄层碳质页岩，岩体软弱破碎、，水平薄层状，层厚5～10cm，褶皱发育，自稳能力差，开挖后易掉块、坍塌。初期支护后，随着围岩变形，边墙开裂，拱顶下沉，初期支护严重变形破坏，钢架现扭曲变

形成S状或麻花状。

（掌子面围岩情况图1，初期支护边墙开裂 2,钢架扭曲变形图3，拱顶下沉最大值64cm,图4）。

图1 掌子面揭露围岩节理、裂隙发育情况

图2 初期支护边墙开裂

图3 钢架扭曲变形