２０１１年第２期 西部探矿工程 １９９ 木寨岭隧道软岩段大变形原因分析及对策 武建广 （中铁隧道集团有限公司，河南洛阳４７１００９） 摘要：木寨岭隧道的主要工程特点是高地应力、软弱围岩地质条件下发生大变形。在现场工程实践 和试验的基础上，着重介绍了目前已施工的炭质板岩地段发生大变形的情况，对引发大变形的内在因 素和外部促发因素进行了分析，并对软岩段大变形的防治对策和技术措施进行了阐述，以期能为今后 同类工程提供参考和借鉴。 关键词：高地应力；软岩；大变形；原因分析；防治对策 中图分类号：Ｕ４５文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２０１１）０２—０１９９—０４ 在山岭隧道软弱围岩施工中，洞身开挖后空间效应 日益凸显，先后在２＃、３＃、５＃、６＃、７＃斜井出现不同程 明显，产生蠕动变形，引起支护破坏，易引发坍塌等安全 度的大变形，主要体现在结构水平收敛变形，且具有变 事故。目前，国内外尚未建立高地应力软岩地质条件下 形快、变形量较大的特点，变形处喷砼开裂，初期表面出 的隧道控制软弱围岩大变形机理及处理对策的理论研 现环、纵向裂缝，支护内鼓，拱架开裂、扭曲等现象，严重 究体系和施工处理体系。 影响施工安全。变形段变形速率大多均＞ｌＯＯｍｍ／ｄ， 木寨岭隧道为新建兰渝铁路极高风险隧道之一，正 其中最大累计变形超１３００ｍｍ（３＃斜井斜６＋４９处），最 洞及斜井洞身穿越地段以二叠系下统的软质板岩为主， 大变形速率达１８６０ｍｍ／ｄ（３＃斜井斜６＋６５处）。 夹极软岩炭质板岩，受构造影响岩体破碎，同时受高地 根据变形数据统计，在涉及大变形的５个斜井中， 应力的影响，极易产生围岩较大变形。该隧道在辅助坑 ５＃斜井最早出现变形，变形处喷砼开裂，经及时采取相 道施工阶段，已出现了不同程度的变形。准确找出变形 应措施后渐趋稳定，累计变形值约４４０ｍｍ；随着施工逐 原因，掌握变形规律，及时进行变形有效控制并合理预 步推进，变形不断增大，出现初支喷混凝土脱落，拱架扭 防变形的发生是我们需要探索的目标，同时也是进人正 曲等，其中在斜１０＋４Ｏ处，变形速率达到６２６ｍｍ／ｄ，累 洞后在软岩段快速施工的有力保证。 计变形达９６４ｍｍ，变形段大部分进行了二次套拱和拆 １工程概况 换拱措施。６ 斜井初期发生的大变形，主要与地下水 木寨岭隧隧道设计为双洞单线分离式特长隧道，全 出露有关，在此期间开挖面先后两次出现股状流水，围 长１９．１ｌｋｍ，设有８座辅助坑道。该隧道地质条件非常 岩遇水后承载力降低引起变形，均采取集中引流措施进 复杂，隧道洞身共发育ｌ１个断裂，最大带宽约ｌｋｍ，总 行了处理。７ 斜井是变形范围及历时最长的，变形段 长４．５ｋｍ；穿过３个背斜及２个向斜构造，属高地应力 达到７Ｏ 以上，变形处拱架内鼓，喷砼开裂，出现环、纵 区，极易变形。隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占 向裂缝，变形段大部分依靠施作二次套拱才有效控制了 全隧的４６．５ ，该岩石遇水易崩解软化，围岩稳定性极 变形。３ 斜井变形主要表现为突变，初期变形速率极 差；穿越的特殊不良地质段落长大、影响面宽，有湿陷性 大，变形段喷砼层大范围开裂剥落，变形范围均出现环、 黄土、山体滑坡、泥石流、岩堆、高地应力变形区等；总计 纵向裂缝；局部地段除水平收敛变形较大以外，其拱顶 各类软岩段长约１６．１ｋｍ，占隧道长度８４．２ ，极易发 沉降及底板隆起也较为显著，通过量测底板隆起最大近 生围岩大滑塌，施工难度很高 ｌｍ。对于变形相对较为显著的３＃、５＃、６＃、７＃斜井变 ２发生变形情况 形段变形数据进行统计，累计变形＞１５０ｍｍ的测点共 随着木寨岭隧道施工的逐步深入，软岩大变形现象 ３７７个，其中超２００ｍｍ的测点约７７ 以上。 ＊收稿日期：２０１￣１１－０７ 作者简介：武建广（１９７７一），男（汉族），山东泰安人，工程师，现从事工程技术与施工管理工作。 ２００ 西部探矿工程 ２０１１年第２期 ，够蚰、 ０…～，． 一～ ．…一，．ｉ蛆， 一 ．８鬻一～ ０７ 一 郇 拍ｊ ６ ｌ ～＿蓦 ～，－ 图１ ３ 斜井变形历时曲线 Ｌ ００ …一…一…¨ 一 一 ∞ 一 赫 舶 ９ 馓ｎｌ８ 如 Ｉ上 ００｝ ｍ Ｉｌ 一 ～ 鳢 ， ～ ＿ 营 ００ ｌ～ 淤 ００ ００ Ｌ ．．～ ． Ｌ １ ）Ｊ ． ．嚼 ００ Ｉ－ ００ Ｌ ｏ ：。３ ．．里一６ 程 ∞ ７４０ 图２ ３ 斜井变形纵曲线 ３软岩段大变形原因分析 （１）围岩特性对隧道变形的影响。目前发生大变形 抗压强度为０．２１９～０．３０２ＭＰａ，板岩饱和抗压强度为 １．７３＂－－－２．３９ＭＰａ。隧道通过易变形的板岩和炭质板岩， 的区段所揭示围岩均为炭质板岩，其岩性具膨胀性，属 变质岩，岩层走向与隧道轴线夹角从２０。～４０。之间不 等。岩层走向与隧道轴线夹角的大小关系到后期变形 发展，由于其夹角较小，岩层膨胀后所产生侧压相对较 大，故越易于产生侧向水平大变形。此外，通过地质素 描图中可以看出，在岩层产状相差不大的情况下，节理 越发育，隧道收敛变形越大。因此，围岩特性是隧道发 生大变形的物质因素。 （２）地应力场对隧道变形的影响。该隧道穿越区域 地应力方向为Ｎ３０。～４Ｏ。Ｅ，测得的最大水平主应力为 ２４．９５ＭＰａ和２７．１６ＭＰａ，属高地应力区；炭质板岩饱和 易发生严重的流塑性变形而导致岩体破坏。因此高地 应力是隧道发生大变形的重要条件。 （３）地下水对隧道变形的影响。地下水的存在和运 动会对岩体颗粒产生静力和动力作用，水体对岩体造成 损伤，导致岩体强度降低，孔隙率增大，开挖后围岩自稳 能力变差。同时，板岩和炭质板岩等岩体遇水易软化， 这更加大了地下水对围岩工程力学性能的损伤作用。 隧道局部地段存在囊状、壶状地下水，施工中地下水成 股涌出、大面积滴渗，单个断面最大出水量达到 １２００ｍ。／ａ，这大大降低了岩体的强度，加剧了围岩的变 形。因此，地下水发育是隧道发生大变形的内在因素。 ２０１１年第２期 西部探矿工程 ２０１ （４）初期支护对隧道变形的影响。通过对锚杆的监 基本平行于主隧道方向，而各斜井均与主隧道斜交，斜 测分析可知，炭质板岩地段围岩的松动圈最大值范围为 ２．８～５．５ｍ，而目前所施工的斜井设计加固Ⅳ、Ｖ级围 岩的锚杆长度分别只有２．５ｍ、３ｍ，锚杆长度偏短，未能 打人稳定岩体中形成可靠围岩加固圈，不能起到充分控 井走向与所受主应力方向基本垂直，直墙结构不利于由 地应力引起的侧向压力的控制，这在木寨岭隧道斜井变 形段中表现较为明显，均为较大的侧向变形。直墙结构 在侧压作用下内鼓变形后，结构抗力急剧减小，从而导 致塑性变形加大，不利于结构稳定。６＃斜井设计为双 车道曲墙断面，断面近似圆形，其断面也大于其它斜井， 但截止目前仅出现两次因地下水原因产生的变形，且变 制围岩流塑性变形的作用。Ｖ级围岩地段设置１榀／ｍ 工１２．６的单层钢架也不足以抵抗巨大的围岩压力。 （５）施工方法对隧道变形的影响。隧道围岩变形量 除与上述四项有关外，施工方法也是非常重要的。由于 工期紧，现场管理复杂，预防软岩变形措施不强、锚杆长 度不够、铺底施作有时滞后、台阶法施工时钢架连接不 牢固且锁脚锚杆有时不能打人稳定岩体等，这些都直接 影响了软弱围岩的变形。 综上所述，软弱围岩特性、高地应力、地下水发育是 软岩大变形内在因素，初期支护不强、施工方法不能完 全适应现场需要是加剧软岩大变形的外部促发因素。 ４软岩段大变形防治对策 针对现阶段所发生的大变形，施工中通过加强支护 措施可以有效控制变形发展，同时也可以避免因变形段 处理对生产进度、安全带来的不利影响。通过木寨岭隧 道大变形控制工程实践，将目前较为有效的大变形防治 对策做如下总结： （１）变形段回填注浆、增设径向注浆锚杆（４～６ｍ） 及加强钢架纵向连接。隧道初期支护结构应与围岩形 成共同的受力体系，抵抗开挖后地应力重新分布对隧道 结构的作用。通过上述加强措施，可以充填变形导致初 支后产生的空隙，加固周边围岩松动圈，进一步加大钢 架等初支结构与围岩的联结力，从而有效提高初支与围 岩体系的整体性。 （２）加强初期支护，一般采取套拱或拆换拱架的方 式。斜井设计初支钢架均为工１２．６型钢，出现大变形 时，通过围岩注浆、增设锚杆等加固措施后，变形速率可 得到有效控制，但变形仍以相对较小的速率继续发展， 在经过一定时间的积累后，累计变形仍会突破限值，围 岩塑性区增大，极易由渐变发展为突变。为遏制变形持 续发展，绝大多数变形段均在施作套拱或拆换拱架之 后，经监控量测反馈变形得到了有效控制。据统计，变 形较大的３ 和７ 斜井大变形段长度占开挖总长度的 ７Ｏ ９／６左右，变形全段均采取了套拱或拆换拱架措施。另 外，为了尽可能避免斜井施工中大变形的发生，多数炭 质板岩地段钢架已由原设计的工１２．６型钢变更为工 １６或工２０ｂ型钢钢架。 （３）优化断面形式，即适当调整隧道结构的曲率。 原设计斜井均为直墙结构，由于木寨岭隧道主应力方向 形累计值也相对较小。实践表明，经断面优化为曲墙形 式后，斜井变形情况得到明显好转。因此，适宜的断面 形式也是防治大变形的重要措施之一。 （４）早高强湿喷混凝土的应用。湿喷混凝土通过掺 人适量外加剂可实现其早高强性能，一般６ｈ抗压强度 可达到ＩＯＭＰａ，２４ｈ抗压强度可达到２０ＭＰａ。喷混凝 土强度上升快，对于提高初支强度、抑制围岩变形具有 较大的作用。 （５）应力控制释放技术的应用。木寨岭隧道穿越区 域具有高地应力的特点，目前出现的大变形大多数与之 有关，随着埋深的增大，地应力也将加大，单纯地依靠增 大支护强度抵抗应力，不仅影响施工进度，还将加大施 工成本。根据以往工程实践经验，高地应力隧道施工 中，硬岩地段可通过合理的应力预释放取得较好效果， 软岩地段则效果不佳；应力释放过程中，如不对其加以 有效控制，所产生的大变形将持续增大甚至坍塌。研究 表明，对于高地应力地段，适宜的应力释放可减小后期 岩层作用于支护结构上的应力，从而保证支护结构变形 的可控性。通过支护参数优化、加强措施等手段提高初 支结构强度的同时，结合施工方法、工艺以及早高强喷 射混凝土的应用、分次支护等实现围岩应力的可控化释 放，最终使初支结构能有效抵抗控制释放后的地应力作 用，从而达到防治大变形的目的。应力控制释放技术正 在通过现场试验与理论研究相结合的方式进行。 上述部分防治对策在木寨岭隧道工程实践中得以 应用并行之有效，部分对策尚需结合现场科研加以完 善，并应用于下一步施工当中，为木寨岭隧道正洞施工 变形控制提供技术支持和保障。同时，真正有效防治大 变形的发生，除积极采取相应对策外，还需加强施工工 艺控制，严格按规范要求施工，确保每项措施落到实处， 这也是防治大变形的重中之重。 ５软岩段大变形施工技术措施 根据大量监控量测数据和地质揭示资料分析，结合 变形原因及防治对策，针对下一步正洞软岩段施工技术 工作提出以下具体措施： （１）项目部技术部门牵头，以科研课题组为主，超前 ２０２ 西部探矿工程 ２０１１年第２期 地质预报组、监控量测组及工区技术人员配合，建立定 期分析制度。对于对易产生变形地层的岩性、围岩产状 及其与隧道关系进行分类总结，逐步细化易发生大变形 段的岩性特征，进一步优化施工参数，以指导下一步施 工。 （１）木寨岭隧道为兰渝铁路重点控制工程之一，安 全、快速通过软岩段施工是该隧道保证工期的关键所 在。 （２）正确认识软岩大变形的内在因素和外部促发因 素，两者的共同作用导致了软岩大变形的发生。 （２）对于易发生大变形的炭质板岩地段施工，遵循 “快速开挖、快速封闭、及时支护、及时量测、及时反馈” 的基本原则进行施工，以确保隧道稳定为目的，先让后 抗，以抗为主，先柔后刚，刚柔并举。 （３）隧道开挖采用微台阶法。根据变形情况施工中 采取小药量、短进尺、多循环的施工方法，开挖时尽量减 （３）软岩段施工积极采取工程实践中总结出的防治 变形对策和施工技术措施，并加强现场施工技术管理和 施工工艺控制，严格按照设计和规范要求施工，对防止 出现和已发生软岩段大变形控制至关重要。 少围岩扰动，快速形成封闭结构，改善支护结构的受力 状态，控制隧道的收敛及拱顶下沉；富水地段开挖前应 采取帷幕注浆、超前探孔排水等措施先治水。 （４）隧道开挖完成后初期支护应快速组织施工，尽 可能短时间暴露围岩，初期支护应做到步步成环，同时 要加强初期支护的施工质量管理。 （４）紧密配合动态设计，优化设计参数，结合现场试 验与工程实践，合理应用现场科研成果，尽快将科研成 果转化为有利于变形控制的施工参数，更好地指导下一 步软岩段施工。 参考文献： ［１］铁道第二勘察设计院．ＴＢ１０００３－－２００５铁路隧道设计规范 ［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００６． ［２］何满潮，景海河，孙晓明．软岩工程地质力学研究进展［Ｊ］． 工程地质学报，２０００，８（１）：４６—６２． （５）支护形式必要时采用可压缩钢支撑，喷早高强 混凝土与锚杆的联合支护，并快速封闭成环，喷混凝土 采用逐层加喷的湿喷作业；适当加大预留变形量，延长 变形时间；支护与围岩密贴粘结，形成一体，共同发挥支 护效果。 （６）及时加强施工监控量测，除进行常规的净空收 Ｅ３］陈涛．某隧道软岩大变形防治问题的探讨［Ｊ］．石家庄铁道 学院学报，２００８，２１（１）：３９—４２． ［４］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，２００９，２９（１）：７６—８１． ［５］周乾刚，方俊波．乌鞘岭隧道岭脊段控制千枚岩大变形快 速施工［Ｊ］．隧道建设，２００７，２７（４）：４３—４７． 敛变形等项目外，对初支钢筋应力和围岩接触压力等项 目也要进行监测，根据反馈信息，修改支护参数，以正确 评估初期支护极限承载能力。 ６结束语 （上接第１９８页） ３应用成效 ［６］Ａｍｉｒｓ．，Ｔ，姜松湖．高地应力区隧洞的几何形状设计［Ｊ］． 国外水电技术，１９９２（３）：２３－３１． 砌速度快，在掘进打眼期间就可灌注一模（１２ｍ）二衬 砼，大大缩短了施工工期，提高了施工工效。 深渡水隧道衬砌施工表明，使用全断面液压模筑台 车衬砌施工与传统的人工模筑作业相比，前者人员少、 时间省、程序优化。传统的人工模筑作业施工１２ｍ洞 长等量工作需要劳动力ｌ４人、工时４８ｈ，使用全断面液 压模筑台车施工，需要劳动力７人、工时４ｈ，和传统的 人工模筑作业施工相比较，减少劳动力５Ｏ ，每米立 （拆）模提高工效４倍、衬砌速度提高约３倍，全断面液 压模筑台车每月可完成隧道衬砌１５０ｍ以上。台车模 筑与传统人工模筑的施工方法相比，没有了搭设脚手架 通过现场检验，台车模筑衬砌表面光洁度高、成型 好，优于传统的人工衬砌砼的施工质量。全液压模筑台 车在深渡水小断面隧道施工中的成功应用，得到了业主 等各方的一致好评，并获得了西二线东段２００９年度 ＱＣ小组成果优秀奖，该隧道衬砌的成功经验被业主作 为样板工程在西气东输二线隧道项目中加以推广。 ４结束语 近年来，小断面隧道工程项目在输油、输气、引水等 领域不断增加。为了保证安全，满足机械化程度高、质 量好和工期紧的要求，模筑台车是必需的。 全液压模筑台车在深渡水小断面隧道衬砌砼施工 等工序，改善了工人的劳动条件和施工安全，提高了衬 砌的工艺水平，大大提高了模筑砼质量。 使用全断面液压模筑台车施工，在立模、拔模、养 护、移位期间不影响掘进作业、出渣运输作业，为小断面 隧道掘进和二次衬砌平行施工作业创造了条件，同时衬 中的成功应用，取得了显著的经济效益和社会效益，也 为全液压模筑台车在小断面隧道施工中的进一步推广 应用提供了有力的实践证明和参考借鉴。
