软弱围岩隧道大变形施工控制技术

软弱围岩隧道大变形施工控制技术

摘要：在我国西部山区，分布有大范围的软岩地层，其中千枚岩的分布极

为广泛，如兰渝铁路线上的木寨岭隧道，318线上的鹧鸪山隧道以及在建的九绵

高速等多条高速公路隧道等。该类岩体具有强度低、性状差、遇水易软化等特点，加之穿越高地应力、高烈度区软岩隧道建设过程中大变形灾害问题凸显，严重危

及了隧道施工安全。因此，开展软弱围岩隧道施工技术与支护技术的深入探讨，

对于保证工程施工的安全性与质量的来讲非常重要。本文以白马隧道为例，通过

对该隧道的施工总结分析了一套软岩大变形隧道施工控制方法，并进行了理论和

实地测试，对其在变形地段中的运用进行了探讨。

关键词：软岩隧道；大变形；施工控制措施

引言：当前，业界对软弱围岩隧道的受力机制和技术仍处在探索性和探索性

试验中，对其进行大变形特性的分析和找出行之有效的防治技术是非常必要的。

根据隧道的实际监测和理论研究，对白马隧道的大变形进行了研究，并给出了相

应的技术措施。

一、软弱围岩大变形控制理念

（一）刚性控制

采用刚性控制理念法，通过大钢拱架、大厚度喷射混凝土、超前大管棚、掌

子面长锚等措施，采用“以刚克刚”的方法克服了隧道的围岩变形。该技术主要

用于在埋深浅、地应力较小的情况下，对围岩的变形进行了有效的处理。适合于

围岩破碎、力学性能较低、地表沉降和隧道变形要求较高的地区。

（二）柔性控制

柔性控制理念主要是利用增大预留变形，使隧道产生位移，使围岩体的应力

得到最大程度的缓解，从而使支护体的受力最小化。其控制手段主要有分段综合

控制、伸缩支护和多重支护等。在地应力较小、埋深较小的情况下，采用刚性支

撑理论进行围岩变形的方法是切实可行的。但对于地下工程中的大深度和高地应力，宜采用柔性支护技术。

（三）刚柔结合控制理念

刚柔结合的控制理念是以刚性的预支护法来有效地控制掘进过程中的围岩体的应力释放速率；采用柔性初期支护对早期隧道的早期变形进行了抑制，同时采取了超前和早期支护措施，使围岩的变形保持在一个较好的水平。鉴于大变形的软岩隧道的受力特点，采用刚柔并济的方法来进行施工比较妥当。

二、工程概况

（一）概述

白马隧道左线全长13013米、右线全长13000米，最大埋深为1092米。LJ9合同段起讫点桩号为：K41+664～K50+015，左右线平均8.323Km，其中包含白马隧道出口端左线6056m，右线6000m，绵阳端竖井一组333m。地质构造复杂，断裂构造发育，穿越多条断层及影响带，围岩以碳质板岩和炭质千枚岩为主，岩体破碎，自稳能力极差，极易坍塌，围岩富水，存在高地应力，且为低瓦斯隧道，施工中极易发生大变形、塌方及高压涌突水等现象。

白马软岩隧道主要变形呈现一般无开裂现象→开始初支出现开裂并多数伴有渗水，严重时出现掉块、钢架变形直至侵限。围岩为中～微风化带岩石属软岩，薄层状结构为主，层间结合较差，岩体极破碎，为炭质千枚岩，基岩裂隙孔隙水呈承压股状涌出（见图1）。在工程完工后，出现了初支开裂、脱落、钢拱架弯曲等问题，拱顶沉降和周围的收缩性都比较大，造成了大的变形和早期支护的破坏（见图2）。

图1掌子面股状水涌出

图2 初支变形破坏

（二）白马隧道大变形概况

1、特征

（1）变形周期长、变形速度快。在白马隧道范围内，施工后由于软岩流变

导致的岩体应力再分配，导致了隧洞的变形和破坏。由于软岩石的流变，导致了

隧洞的整体变形。K46+863～K46+845已施工下台阶初支拱架两侧连续多天收敛数

据较大，最大收敛值达20.69mm/天，部分段落边墙出现开裂现象。经参建各方会

商后，将2组长3m锁脚锚杆调整为4组长6m的锁脚锚管，加强锁脚后收敛速率

有所降低。但按该方案实施后初支变形还是没有得到有效抑制，隧道初期支护仍

出现开裂、掉块、拱架扭曲和折断等现象。

（2）变形具有明显阶段性。从工程技术的角度来看，白马隧道的变形可以

分为三个阶段：①在上台阶前期的支撑和下一步的挖掘以前，整个支护的强度都

比较低，而拱顶的沉降和周围的收缩率都比较大，这时候是一个快速增长的时期；

②在下部台阶前期支护结束后，整个支撑体系的强度得到增强，岩体的变形速度降低。在围岩流动作用下，拱足部的受力产生了应力集中，整个变形仍在不断增加，这时，隧洞的变形已进入常态增长；③在仰拱关闭后，早期的支护结构是闭合成环的，具有更好的整体支护强度，从而极大地提高了早期支护的承载力和对围岩形变的耐受[1]。

（三）大变形原因分析

在复杂地应力作用下，白马隧道工作面的围岩褶曲是十分显著的。千枚岩的单轴压强度很低，但由于地应力的挤压，岩石密度较大。由于隧道爆破施工的干扰，使原来致密的岩层在地震作用下结构面张开，使其在隧道中产生了大的塑性变形，导致初支变形侵限、钢架扭曲折断、掉块塌方等。

（四）监测方案

1、地质及支护情况观察

白马隧道在爆破后，用肉眼观察、锤击检查、地质指南针等手段描述和记录了隧道的地质情况。确定围岩在爆炸后的稳定状态，确定围岩等级、围岩设计是否符合，并填好相关的记录表格，绘制简易图纸。如果在观察过程中出现了一些不正常现象，则要对现象发生的时间、开挖面的间距以及周围测量的各种资料进行详细的记载。

2、隧道周边收敛量测

沿着隧道周边的拱顶、拱腰和边墙部位分别埋设贴有反光片的钢筋，采用全站仪测量拱顶沉降及周边收敛情况，计算变形情况和变形速率，通过统计学的方法分析隧道的变形趋势，为隧道施工方案的制定提供依据[2]。

三、白马隧道隧道大变形控制技术

（一）优化施工方法

软岩隧道在施工过程中会出现一些变形，大变形属于正常变形衍生，而软岩隧道变形与施工时间和施工工序、工法等密切关联。白马隧道主要控制方法是：