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摘要：文章以国内某在建铁路隧道的工程实践，介绍了该隧道在施工中受到高地应力软岩地质的影响，初期支护出现大变形的特点，从地质因素、施工因素等方面分析了变形产生的原因，阐述了在施工工艺、施工技术等方面采取的控制措施。对今后类似隧道施工有着借鉴和指导意义。
关键词：隧道;软岩;高地应力;变形;施工技术
Abstract: the article with a domestic railway tunnel construction of engineering practices, this paper introduces the construction of the tunnel in by high geostress soft rock geological effects, primary support appear large deformation of the feature from the geological factors, such as construction factors, analyzed the causes of the deformation, this paper describes the construction technology, construction technology and take control measures. To the next similar tunnel construction has a reference and guidance significance.
Keywords: tunnel; Soft rock; High geostress; Deformation; Construction technology
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
隧道洞身穿越黄土高原的黄土梁峁区，全长13611m，为双线隧道，最大埋深295m。隧道进口段洞身主要通过上第三系、下第三系及白垩系泥岩，成分以石英、长石为主，粉细粒结构，泥质胶结，层片状裂隙发育，具有膨胀性，岩层走向与隧道平行，倾角为75°～90°。隧道区域最大水平主应力为20MPa，处于高地应力状态。隧道地下水类型为第四系松散残积物孔隙潜水和基岩裂隙水，本区地下水属中等富水。
隧道采用三台阶七步开挖支护工法，初期支护采用I20b型钢，间距80cm。支护后围岩发生多次大变形，拱顶下沉最大值达35cm，水平收敛最大值达108cm，初支开裂掉块，钢架扭曲变形，造成初支大面积侵限，需大量换拱作业，同时对下步施工作业安全产生了一定影响。
2隧道变形情况
2.1 初期支护破坏特征
隧道洞身岩体强度低，节理裂隙发育，围岩自稳能力差。开挖后常出现局部掉块及崩塌现象。随着变形逐渐增大，初期支护拱顶下沉开裂、边墙收敛内挤、变形破坏严重。如图1
图1 初期支护破坏、钢架扭曲变形
2.2 围岩变形特征
2.2.1变形持续时间长
初支产生大变形后，变形多未立即停止，而是持续发展甚至加速发展，应力释放时间持续较长，造成初期支护持续变形过大而发生破坏。
2.2.2 变形速率大、变形量大
围岩初期变形快而且变形速率大，一般10d内完成绝大部分变形。单断面最大拱顶下沉速率达115mm/d，最大收敛速率可达到121mm/d。围岩最大拱顶下沉累计为35cm，最大收敛值累计为108cm。
2.2.3 阶段性变形
监控量测数据显示，中下台阶和隧底开挖时，变形加速的特征非常明显，尤其受爆破震动影响变形速率突变几率加大。
2.2.4 不均匀、不对称变形
监测数据显示，初支完成后，不同段落变形量不同。在同一里程断面上水平收敛数据大于拱顶下沉数据；下部水平收敛数据均大于中上部；隧道左线变形数据均大于隧道右线。
2.3 变形破坏规律
经过统计分析：累计变形值小于150mm时，初支无明显异常；累计变形值在150～300mm之间时，初期支护混凝土局部出现纵向及环向开裂，轻微掉块，裂缝缓慢发展；当累计变形量大于300mm时，钢架出现扭曲，断裂，初期支护混凝土大面积剥落掉块，必须进行换拱作业，否则变形继续发展极易塌方。
3变形原因分析
3.1 工程地质原因
隧道受多次地质构造作用影响引起区域围岩地应力较大，且主要为水平构造应力。区域最大水平主应力优势方向为N29°～35°W，与隧道N62°E呈大角度相交，对隧道围岩稳定极为不利，是产生变形的内因。
3.2 水文地质原因
地下水与软弱围岩发生水-岩作用，降低了围岩的力学性能，隧道内围岩遇水浸泡软化崩解，导致围岩承载力低，为围岩发生变形提供了外部条件。
3.3 支护参数影响
在设计初期对高地应力围岩认识不足，因此采用的支护参数较薄弱（钢架规格小间距大、锚杆较短、预留变形量小、衬砌刚度不足等），导致初期支护极易发生变形，甚至发生二衬混凝土开裂。
3.4 施工扰动影响
隧道开挖后，三向受力稳定平衡状态被破坏，围岩地应力状态重新分布，产生局部应力集中，当应力水平超过围岩强度屈服值和流变下限阈值时，引起围岩塑性和粘性流动直至围岩发生粘塑性应变软化。
4大变形控制施工技术
根据上述原因分析，结合工程实际，经多次专家讨论及工程实践，确定在高地应力围岩段的施工中，必须坚持“短开挖、强支护、快封闭、勤测量、二次衬砌适时紧跟”原则，同时采取必要的施工技术，以提高支护刚度、降低围岩地应力，避免变形产生。
4.1 传统的施工工艺控制
4.1.1 扩大预留变形量
根据监控量测数据及时掌握围岩变形情况，预留二层初支补强空间。采用拱部与边墙不等值预留变形量，拱部预留35cm，边墙预留60cm。合理扩大预留变形量可有效释放高地应力场中的弹性变形能，即先卸压再进行强支护。
4.1.2 提高初期支护刚度
一次初期支护全环设I25a钢架，间距0.5m；双层Ф22纵向连接筋，环向间距1m；拱墙设双层ø8钢筋网；全环喷射C30早高强混凝土，厚度33cm。
二层初期支护拱墙设I16钢架，间距0.5m；双层Ф22纵向连接筋，环向间距1m；设ø8钢筋网；全环喷射C25混凝土，厚度23cm。
二次衬砌采用C40钢筋混凝土，全环厚度60cm，Ф22主筋间距调整为12.5cm，Ф14分布筋间距调整为20cm。
4.1.3 超前注浆及径向注浆
在拱部120°范围内，采用Ф42mm小导管，环向间距20cm，纵向间距1.0m，长度2.6m，预注水泥单液浆。在富水地段，加密导管间距，预注水泥水玻璃双液浆。超前小导管预注浆在隧道周围形成了一个预加固圈，避免了上台阶掘进过程中的坍塌变形。
对初期支护背后采用Ф42mm小导管进行径向注浆回填并加固松动圈，小导管长度4.0m，拱墙范围内间距1m×1m梅花形布设。通过径向注浆可以将裂隙水堵在注浆区外，同时还能固结松动圈松散体，提高围岩自稳能力。
4.1.4 短步距、快封闭、少扰动
通过优化三台阶工法，采用超短台阶施工，初期支护快速封闭成环，减少对围岩的施工扰动，可抑制围岩变形产生。根据实践经验，上台阶长度为3～5m，中下台阶长度为2～3m，仰拱距掌子面距离不大于35m。隧底支护闭合时间不大于10d，使整个初期支护快速封闭，共同承载围岩应力。在施工中严格控制爆破参数，尽量采用弱爆破和减震控制爆破，围岩破碎段采用机械开挖。实践证明，采用短步距、快封闭、少扰动对于控制圍岩大变形，效果十分明显。
4.1.5 二次衬砌适时紧跟
按照现行《铁路隧道设计规范》要求，二次衬砌施工应在变形收敛速率不大于0.2mm/d时进行，但对于高地应力围岩隧道，变形量大，收敛持续时间长，在未达到规范要求时初期支护就已经失稳破坏。因此，确定合适的二次衬砌施作时机对于高地应力围岩隧道至关重要。根据监控量测数据分析，同时结合现场实践经验，当变形速率小于3～5mm/d时可以及时跟进二次衬砌施工，衬砌距离掌子面50m左右为宜，可有效控制大变形产生。
4.2超前导洞应力释放技术
在隧道断面内开挖超前导洞进行应力释放：一是超前应力释放作用；二是超前应力预调整作用；三是超前地质预报作用；四是对正洞支护参数的预设计作用。目前为止，超前导洞应力释放技术在高地应力隧道施工中尚处于试验阶段。
4.2.1 超前导洞施工方案
超前导洞长30m，开挖尺寸为7.8m（宽）×4.8m（高），导洞拱顶位于正洞中线2.5m处，导洞采用全断面法施工。如图2
图2超前导洞应力释放试验施工
4.2.2 超前导洞施工顺序
明洞施工及正洞加固→超前导洞锁口段加固→超前导洞开挖支护→正洞扩挖→正洞初期支护→超前导洞支护拆除→正洞仰拱→正洞衬砌
4.2.3 超前导洞试验结果分析
根据阶段性试验结果分析表明采用超前导洞施工，对拱顶下沉数据和下台阶水平收敛数据影响不大，而对上中台阶的水平收敛数据影响较大，分别减小了51%和35%。正洞扩挖时变形速率明显减缓，说明超前导洞应力释放有效的降低了隧道正洞高地应力，对防塌方防变形起到了一定的作用。
5结语
高地应力软岩隧道施工具有难度大，技术含量高等特点，因此应该根据隧道的工程实际，做好设计方案和施工组织各方面工作，在实践中总结经验，形成适合高地应力软岩隧道安全、经济、高效的施工新技术，这对现代隧道施工技术的发展将产生深远的意义。
参考文献
[1]李延春.毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术[J].现代隧道技术.2012，（02）：59～67
[2]张文新，孙韶峰，刘虹.木寨岭隧道高地应力软岩大变形施工技术[J].现代隧道技术.2012，（02）：78～82
[3]魏立.大断面隧道软弱围岩单侧变形控制施工技术[J].山西建筑.2010，36（35）：333～335
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：隧道;软岩;高地应力;变形;施工技术
Abstract: the article with a domestic railway tunnel construction of engineering practices, this paper introduces the construction of the tunnel in by high geostress soft rock geological effects, primary support appear large deformation of the feature from the geological factors, such as construction factors, analyzed the causes of the deformation, this paper describes the construction technology, construction technology and take control measures. To the next similar tunnel construction has a reference and guidance significance.
Keywords: tunnel; Soft rock; High geostress; Deformation; Construction technology
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
隧道洞身穿越黄土高原的黄土梁峁区，全长13611m，为双线隧道，最大埋深295m。隧道进口段洞身主要通过上第三系、下第三系及白垩系泥岩，成分以石英、长石为主，粉细粒结构，泥质胶结，层片状裂隙发育，具有膨胀性，岩层走向与隧道平行，倾角为75°～90°。隧道区域最大水平主应力为20MPa，处于高地应力状态。隧道地下水类型为第四系松散残积物孔隙潜水和基岩裂隙水，本区地下水属中等富水。
隧道采用三台阶七步开挖支护工法，初期支护采用I20b型钢，间距80cm。支护后围岩发生多次大变形，拱顶下沉最大值达35cm，水平收敛最大值达108cm，初支开裂掉块，钢架扭曲变形，造成初支大面积侵限，需大量换拱作业，同时对下步施工作业安全产生了一定影响。
2隧道变形情况
2.1 初期支护破坏特征
隧道洞身岩体强度低，节理裂隙发育，围岩自稳能力差。开挖后常出现局部掉块及崩塌现象。随着变形逐渐增大，初期支护拱顶下沉开裂、边墙收敛内挤、变形破坏严重。如图1
图1 初期支护破坏、钢架扭曲变形
2.2 围岩变形特征
2.2.1变形持续时间长
初支产生大变形后，变形多未立即停止，而是持续发展甚至加速发展，应力释放时间持续较长，造成初期支护持续变形过大而发生破坏。
2.2.2 变形速率大、变形量大
围岩初期变形快而且变形速率大，一般10d内完成绝大部分变形。单断面最大拱顶下沉速率达115mm/d，最大收敛速率可达到121mm/d。围岩最大拱顶下沉累计为35cm，最大收敛值累计为108cm。
2.2.3 阶段性变形
监控量测数据显示，中下台阶和隧底开挖时，变形加速的特征非常明显，尤其受爆破震动影响变形速率突变几率加大。
2.2.4 不均匀、不对称变形
监测数据显示，初支完成后，不同段落变形量不同。在同一里程断面上水平收敛数据大于拱顶下沉数据；下部水平收敛数据均大于中上部；隧道左线变形数据均大于隧道右线。
2.3 变形破坏规律
经过统计分析：累计变形值小于150mm时，初支无明显异常；累计变形值在150～300mm之间时，初期支护混凝土局部出现纵向及环向开裂，轻微掉块，裂缝缓慢发展；当累计变形量大于300mm时，钢架出现扭曲，断裂，初期支护混凝土大面积剥落掉块，必须进行换拱作业，否则变形继续发展极易塌方。
3变形原因分析
3.1 工程地质原因
隧道受多次地质构造作用影响引起区域围岩地应力较大，且主要为水平构造应力。区域最大水平主应力优势方向为N29°～35°W，与隧道N62°E呈大角度相交，对隧道围岩稳定极为不利，是产生变形的内因。
3.2 水文地质原因
地下水与软弱围岩发生水-岩作用，降低了围岩的力学性能，隧道内围岩遇水浸泡软化崩解，导致围岩承载力低，为围岩发生变形提供了外部条件。
3.3 支护参数影响
在设计初期对高地应力围岩认识不足，因此采用的支护参数较薄弱（钢架规格小间距大、锚杆较短、预留变形量小、衬砌刚度不足等），导致初期支护极易发生变形，甚至发生二衬混凝土开裂。
3.4 施工扰动影响
隧道开挖后，三向受力稳定平衡状态被破坏，围岩地应力状态重新分布，产生局部应力集中，当应力水平超过围岩强度屈服值和流变下限阈值时，引起围岩塑性和粘性流动直至围岩发生粘塑性应变软化。
4大变形控制施工技术
根据上述原因分析，结合工程实际，经多次专家讨论及工程实践，确定在高地应力围岩段的施工中，必须坚持“短开挖、强支护、快封闭、勤测量、二次衬砌适时紧跟”原则，同时采取必要的施工技术，以提高支护刚度、降低围岩地应力，避免变形产生。
4.1 传统的施工工艺控制
4.1.1 扩大预留变形量
根据监控量测数据及时掌握围岩变形情况，预留二层初支补强空间。采用拱部与边墙不等值预留变形量，拱部预留35cm，边墙预留60cm。合理扩大预留变形量可有效释放高地应力场中的弹性变形能，即先卸压再进行强支护。
4.1.2 提高初期支护刚度
一次初期支护全环设I25a钢架，间距0.5m；双层Ф22纵向连接筋，环向间距1m；拱墙设双层ø8钢筋网；全环喷射C30早高强混凝土，厚度33cm。
二层初期支护拱墙设I16钢架，间距0.5m；双层Ф22纵向连接筋，环向间距1m；设ø8钢筋网；全环喷射C25混凝土，厚度23cm。
二次衬砌采用C40钢筋混凝土，全环厚度60cm，Ф22主筋间距调整为12.5cm，Ф14分布筋间距调整为20cm。
4.1.3 超前注浆及径向注浆
在拱部120°范围内，采用Ф42mm小导管，环向间距20cm，纵向间距1.0m，长度2.6m，预注水泥单液浆。在富水地段，加密导管间距，预注水泥水玻璃双液浆。超前小导管预注浆在隧道周围形成了一个预加固圈，避免了上台阶掘进过程中的坍塌变形。
对初期支护背后采用Ф42mm小导管进行径向注浆回填并加固松动圈，小导管长度4.0m，拱墙范围内间距1m×1m梅花形布设。通过径向注浆可以将裂隙水堵在注浆区外，同时还能固结松动圈松散体，提高围岩自稳能力。
4.1.4 短步距、快封闭、少扰动
通过优化三台阶工法，采用超短台阶施工，初期支护快速封闭成环，减少对围岩的施工扰动，可抑制围岩变形产生。根据实践经验，上台阶长度为3～5m，中下台阶长度为2～3m，仰拱距掌子面距离不大于35m。隧底支护闭合时间不大于10d，使整个初期支护快速封闭，共同承载围岩应力。在施工中严格控制爆破参数，尽量采用弱爆破和减震控制爆破，围岩破碎段采用机械开挖。实践证明，采用短步距、快封闭、少扰动对于控制圍岩大变形，效果十分明显。
4.1.5 二次衬砌适时紧跟
按照现行《铁路隧道设计规范》要求，二次衬砌施工应在变形收敛速率不大于0.2mm/d时进行，但对于高地应力围岩隧道，变形量大，收敛持续时间长，在未达到规范要求时初期支护就已经失稳破坏。因此，确定合适的二次衬砌施作时机对于高地应力围岩隧道至关重要。根据监控量测数据分析，同时结合现场实践经验，当变形速率小于3～5mm/d时可以及时跟进二次衬砌施工，衬砌距离掌子面50m左右为宜，可有效控制大变形产生。
4.2超前导洞应力释放技术
在隧道断面内开挖超前导洞进行应力释放：一是超前应力释放作用；二是超前应力预调整作用；三是超前地质预报作用；四是对正洞支护参数的预设计作用。目前为止，超前导洞应力释放技术在高地应力隧道施工中尚处于试验阶段。
4.2.1 超前导洞施工方案
超前导洞长30m，开挖尺寸为7.8m（宽）×4.8m（高），导洞拱顶位于正洞中线2.5m处，导洞采用全断面法施工。如图2
图2超前导洞应力释放试验施工
4.2.2 超前导洞施工顺序
明洞施工及正洞加固→超前导洞锁口段加固→超前导洞开挖支护→正洞扩挖→正洞初期支护→超前导洞支护拆除→正洞仰拱→正洞衬砌
4.2.3 超前导洞试验结果分析
根据阶段性试验结果分析表明采用超前导洞施工，对拱顶下沉数据和下台阶水平收敛数据影响不大，而对上中台阶的水平收敛数据影响较大，分别减小了51%和35%。正洞扩挖时变形速率明显减缓，说明超前导洞应力释放有效的降低了隧道正洞高地应力，对防塌方防变形起到了一定的作用。
5结语
高地应力软岩隧道施工具有难度大，技术含量高等特点，因此应该根据隧道的工程实际，做好设计方案和施工组织各方面工作，在实践中总结经验，形成适合高地应力软岩隧道安全、经济、高效的施工新技术，这对现代隧道施工技术的发展将产生深远的意义。
参考文献
[1]李延春.毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术[J].现代隧道技术.2012，（02）：59～67
[2]张文新，孙韶峰，刘虹.木寨岭隧道高地应力软岩大变形施工技术[J].现代隧道技术.2012，（02）：78～82
[3]魏立.大断面隧道软弱围岩单侧变形控制施工技术[J].山西建筑.2010，36（35）：333～335
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。