摘要：软岩大变形作为公路隧道的常见不良地质，前期勘察无法准确预测可能发生段落和大变形等级，往往需要根据施工监控量测和对支护结构的变形特征分析采取动态设计，给施工和设计带来重大挑战。本文结合实际工程，在分析工程地质条件、监控量测数据的基础上，根据实际处治措施，总结提出针对软岩大变形的设计支护方案，以达到防患于未然，提高动态设计和信息化施工的水平。
关键词：隧道；软岩大变形；设计对策
引言
随着交通建设向西部山区不断发展，公路隧道所面临的地质情况也越来越复杂。高山峡谷区国省干道公路改建，受限于路线走廊带唯一、地形狭窄等制约因素，展线困难，隧道往往不可避免面临穿越软岩、断层破碎带等不良地质。受断层破碎带影响的隧道，岩体破碎，无法对其钻孔取芯，对其地应力测试困难，导致隧道前期勘察对高地应力引起的软岩大变形预测不足，施工中若不及时采取有效防治措施，极易导致初支开裂破坏、变形侵限，甚至结构失稳引发塌方，严重影响施工安全和工程进度。
研究表明，高地应力条件下的软岩大变形是在时间与空间上的非线性不可逆演化过程，及时采取有效的支护措施显得尤为重要。当前，支护结构的强度和支护时机是研究的重点。公路隧道设计规范对大变形防治提出28字原则，即“加固围岩、预留变形、先柔后刚，先放后抗，分次支护、及早封闭、底部加强”。本文结合在建软岩大变形隧道支护后变形特征，通过对监控量测反馈数据的分析，提出针对软岩大变形隧道的合理支护方案。
1 工程概况
本项目为单洞双向两车道傍山隧道，建筑限界为9×5m。隧道全长2298m，最大埋深274m。隧址区为川西高原高山峡谷，山体巍峨，地形陡峻，沟谷深切，地表侵蚀明显，属构造侵蚀、重力堆积地貌。隧道轴线与临近断层走向平行，平面距离150～200m。隧道轴线位于背斜翼部与断层之间，整个隧道穿行于断层影响带内，受断层、褶皱构造的影响，隧道围岩结构面发育，揉皱挤压、褶曲、扭曲现象及次级构造破碎带较发育，岩体破碎，全隧为Ⅴ级围岩。隧址区所处的构造应力环境复杂，具备高地应力条件。
隧道穿越的软岩地层为断层影响带内的泥盆系中下统片岩，岩质软弱，洞身段岩石饱和抗压强度Rc为13.84MPa，施工开挖揭露的岩体受褶皱、断层构造影响，存在挤压揉皱弯曲，结构面发育～极发育，多呈微张开状态，组合凌乱，泥质胶结，结合程度差，局部夹软弱破碎带，发育泥化夹层，岩体破碎～极破碎，岩体浸水软化后手捏即碎，无自稳能力。软弱围岩和岩体结构为大变形提供了良好的物质基础条件。
图1 洞身掌子面围岩情况
隧道地下水主要为基岩裂隙水，开挖揭示多为点滴状渗流出水，局部出现线状～淋雨状出水，甚至股状出水，围岩岩体开挖后即呈湿润状态。地下水对围岩大变形的影响主要是水 —岩相互作用导致围岩岩体及结构面的物理力学性能降低、应力场发生改变，从而为围岩发生塑性变形提供外部条件。
2 隧道软岩大变形等级评判
根据《公路隧道设计规范》（2018），洞周水平相对收敛值大于2%，可认为发生软岩大变形。结合本隧道开挖跨度，水平收敛大于235mm可认为发生软岩大变形。
张祉道结合长期工程实践给出的两车道隧道大变形分级定量指标为，变形量为20～35cm时为轻度大变形，变形量为35～60cm时为中度大变形。
《铁路隧道设计规范》（2016）规定相对变形量为3%~5%，则属于轻微软岩大变形。结合本隧道开挖跨度，相对变形量为353~588mm，则属于轻微软岩大变形。相对变形量超过588mm则属于中等软岩大变形。
可见，铁路与公路行业对软岩大变形评判的定量指标差异较大。本文以公路隧道行业标准作为评判依据，根据监控量测反馈数据，本隧道大变形等级为轻微～中等。
3 软岩大变形特征
本隧道大变形总体特征为高地应力引起的软岩大变形，变形量大，变形速率快，变形持续时间长，水平收敛速率大于拱顶沉降变形速率。
初支变形现象如图2～图5所示。
图5 初支拱腰挤出变形
4 变形监控量测与分析
4.1设计支护参数
针对勘察报告提出本隧道可能发生轻微大变形，原设计采用A5qj型衬砌用于发生轻微大变形段。施工中根据开挖揭示地质情况，并结合反馈的监控量测数据，动态设计采用ADa、ADb、ADc型衬砌。具体设计支护参数情况见表1。
表1 大变形衬砌支护参数表
4.2监测断面布置
本隧道监控量测主要为拱顶下沉和周边收敛。其中测点3为拱顶下沉。测线A、B、C为周边收敛。测线A用于量测上台阶开挖时的水平收敛。详见图6。
图7 K200+614断面监控量测位移—时间曲线
图10 K201+100断面监控量测位移—时间曲线
采用不同的大变形衬砌支护的监控量测反馈数据统计见表2。
表2 监控量测数据统计表
5隧道软岩大变形原因分析
（1）围岩岩性条件
隧道洞身段为中风化片岩，且受构造和断层影响，结构面发育，局部极发育，岩体破碎～极破碎，多呈碎裂～镶嵌～散体结构，结构松散，粘结力差。特别是遇水软化后，强度降低明显，手捏即碎。片岩岩体抗压强度Rcm= 1.94～2.49MPa＜3.5MPa，围岩岩体条件满足围岩大变形的条件。
（2）地下水赋存条件
本隧道为傍山隧道，穿越山体浑圆，地表汇水面积较大，地下水赋存较丰富。开挖揭示掌子面局部接近干燥状态，但在支护过程中，因开挖临空面形成有利导水通道，地下水逐渐浸润掌子面，掌子面变得湿润，严重时呈泥化状。隧道围岩本身为软岩，遇水浸泡软化，强度降低，加剧变形压力的释放。
（3）高地应力
本隧道岩体破碎，按常规水压致裂法无法取芯测试地应力情况。根据隧址区地质构造和开挖后支护变形现象推测构造水平应力大。隧道围岩以水平构造应力为主，导致水平收敛明显大于拱顶沉降。
（4）地质构造
隧道轴线与断层平行，穿过背斜东翼近轴部，岩体破碎，褶皱发育。复杂的地质构造为构造应力的形成创造有利条件。
6 设计对策
针对本隧道地质情况，施工中结合监控量测反馈变形情况主要采取如下措施：
（1）及时调整预留变形量。预留变形量往往由设计单位根据工程经验类比给出固定值，设计及施工技术规范均要求根据监控量测数据进行调整。实际施工中，需加强监控量测，及时进行数据处理，为调整预留变形量提供指导。
（2）周边注浆或超前注浆加固围岩。软岩大变形段，拱顶易坍塌，超前支护宜采用双层小导管或大管棚超前支护，防止拱顶掉块塌方，同时对洞周径向注浆，可提高围岩强度，对控制塑形变形发展有利。
（3）加长、加密锚杆。采用Ada型衬砌的监控量测数据表明，当水平收敛明显大于拱顶下沉速率时，拱部和边墙可采用不同长度的锚杆，加长、加密拱墙下部锚杆对控制水平收敛较有效。通过对比ADc和ADb型衬砌支护效果，注浆小导管加固围岩比中空锚杆更有效，类似工程经验也表明，采用长度大于围岩塑性变形区的长锚杆或注浆小导管对控制大变形十分有利。本文限于篇幅，对围岩塑性变形区范围不作进一步探讨。
（4）加长锁脚锚杆，提高锁脚锚杆强度。发生软岩大变形的隧道，围岩相对软弱，采用台阶法施工，加强锁脚，避免下台阶开挖引起急剧变形。试验表明，采用φ42注浆小导管比φ22药卷锚杆更有效。
（5）初支尽早封闭成环。软岩大变形围岩段，开挖卸荷形成临空面后，围岩变形压力快速释放，要保障支护结构具有足够的柔度容纳变形，又要具有足够刚度抵抗变形，现实可操作性并不强，施工中更多采用加强支护，主动地抵御变形压力。施工中宜采用微台阶法施工，使初支尽早封闭成环。
（6）二衬施作时间较常规隧道提前。二衬施作时间在变形速率小于3mm/d时施作，二衬采用钢筋混凝土衬砌。监控量测数据表明，提前施作二衬以承受部分荷载，二衬无开裂变形现象，结构安全总体可控。
（7）加强监控量测频率，监测数据实时共享。对于可能发生软岩大变形隧道，加强监控量测频率，实时处理数据预测变形收敛最终值，实时共享监测结果以便参建各方进行技术讨论，及时调整支护参数，防止处理不及时引起隧道结构失稳。
7 结语
（1）结合隧道工点地质条件，通过对监控量测数据分析，采取针对性的支护参数调整对软岩大变形隧道的支护设计是合理可行的。
（2）针对软岩大变形隧道，紧密结合监控量测反馈数据，采取加大预留变形量、周边或超前预注浆加固围岩、加长加密系统锚杆、加长锁脚锚杆、加密初支钢架等支护措施，采用微台阶工法，及时初支，适时及早施作二衬对大变形进行主动抵抗，针对轻微～中等软岩大变形隧道，施工效果较好。
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论文作者:甘立松,李强,袁松
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/19
标签：隧道论文; 围岩论文; 量测论文; 应力论文; 断层论文; 拱顶论文; 结构论文; 《防护工程》2019年10期论文;