高应力软岩大变形隧道仰拱上浮治理技术研究

程广威

(中铁十七局集团第一工程有限公司 山西太原 030032)

1 工程背景

成兰铁路茂县隧道位于茂县车站～龙塘车站区间，全长9 913 m，隧道最大埋深1 653 m，正线线间距30 m。隧道D8K127＋560～D8K128＋200段穿越茂汶活动断裂带，埋深410～655 m，茂汶活动断裂为一条北东向的压扭性大断裂，断层走向N40°E，倾向NW，倾角70°～80°，破碎带宽度300～400 m。开挖揭示围岩为志留系茂县群(Smx5)的绢云千枚岩、炭质千枚岩[1]。掌子面围岩破碎，夹石英岩脉。进入断层核部后破碎程度逐渐加剧，开挖后，围岩手捏即碎，呈粉末状，无水，如图1所示；紧接活动断裂带为大理岩，富水，隧道最大出水量30 000 m3/d，如图2所示。

图1 炭质千枚岩

图2 大理岩富水

隧道以构造水平应力为主，最大水平主应力为27.51 MPa，最大主应力方向为N19.3°W，与洞轴线(N56°W)交角为 36.7°。

2 拱墙初支破坏及仰拱上浮特征

2.1 拱墙初支破坏特征

茂县隧道左线大变形段2017年10月贯通，贯通后，持续进行监控量测。大部分断面在3个月左右整体变形趋于收敛。

2018年7月，隧道左线监测显示变形速率增大，之后出现初支喷砼起皮、掉块，并发展为拱架扭曲、折断，最终有较大范围的初支侵限。

表现形式:初支破坏从轻微到严重依次表现为局部初支砼轻微剥落、钢架连接板砼纵向呈直线剥落、钢架纵横向扭曲、钢架肋板断裂挤出上下错动、初支及钢架大范围横向挤出等。

破坏部位:主要表现在拱腰及边墙(矮边墙至内轨顶以上6.5 m范围内)，拱部无明显破坏特征(仅有少量初支砼剥落现象)。拱顶和边墙变形趋势关联，即边墙变形大的断面其拱顶下沉量也相对较大[2]。

右线施工中，初期支护发生拆换，主要发生在边墙部位，两侧边墙均有发生。在正常掘进施工时，有发生锚杆拉断现象，但主要为右线的右侧，左侧未发现。

D8K127＋950拱墙监控量测情况如图3所示。

图3 拱墙监测曲线(2016年12月～2019年6月)

左线拱墙初支变形破坏段落集中在D8K127＋815～D8K127＋990段(活动断裂核部)，累计最大沉降值位于D8K127＋955处，达503.4 mm；最大收敛变形发生在D8K127＋930处，达903 mm。从监控量测曲线发现，有如下特点:

(1)大部分段落均长时间保持了稳定，但该段监控量测数据显示在2018年7月后出现了变形速率加速的现象。

(2)根据D8K127＋880～D8K127＋930段变形曲线反映，2017年10月～2018年5月间变形趋于收敛，右线掌子面开始掘进时，左线量测数据出现变形速率增大的情况，左右线存在相互干扰现象。

2.2 仰拱上浮变形特征

2017年12月底开始设置监测点，2018年4月，左线部分仰拱存在上浮现象，2018年4月以后变形速率加剧。2019年4月，上浮最高断面为D8K127＋985仰拱右侧点，上浮451 mm。仰拱上浮呈现持续上浮不收敛的情况，D8K127＋970变形曲线如图4所示。

图4 仰拱监测曲线(2017年12月～2020年4月)

(1)左线D8K127＋740～D8K128＋010段270 m，存在仰拱上浮现象，该段拱墙二次衬砌未施作。其他已施作二衬段落未监测到仰拱上浮现象。

(2)上浮量值大，速率不衰减。截止2019年4月份，上浮最高断面为D8K127＋985仰拱右侧点，上浮451 mm，速率不衰减，说明变形一旦启动则稳定发展，疑似蠕变现象。目前国内尚未发现已施作仰拱衬砌的段落有类似的上浮量级。

(3)上浮一侧高，一侧低。即左右线间侧上浮量值大于线路外侧上浮量值。

(4)仰拱上浮为仰拱衬砌整体上浮。对仰拱上浮段落进行排查，未发现明显纵向、环向、斜向砼裂纹，单板仰拱砼整体性较好，整体上浮(部分接头处破坏为施工机械车辆造成)。

2.3 仰拱上浮原因分析

(1)所处段落地应力条件的特殊复杂性

隧道穿越茂汶断裂核部段落左线长达393 m，段落内由软质岩过渡到硬质岩。现场破坏段正好处于围岩软硬分界的软质岩侧，而在远离硬质岩时，虽然岩性仍然为粉末状的千枚岩，但支护破坏程度却逐渐降低，说明靠近岩性分界处，原始地应力可能呈现更复杂的状态，对中岩柱稳定更加不利，从而加剧了变形的发生。由于围岩破碎无法实现地应力测量，因此无法对此处地应力进行准确估计。

(2)地下水环境发生变化

开挖揭示掌子面显示，千枚岩地段围岩干燥无水，相邻段落大理岩、灰岩地段富水。隧道贯通后，地下水环境变化，极易造成千枚岩地段围岩软化，围岩强度的降低，导致大变形段落松动圈进一步扩大，从而导致地下水再下渗。恶性循环弱化基础作用，支护措施对变形的抑制作用难以控制。

(3)围岩流变影响

茂县隧道千枚岩段存在明显流变特性，考虑二次衬砌抵抗流变作用，先行洞在变形段采取与后行洞同时施作二次衬砌的原则，以免二次衬砌可能的破坏，围岩流变也是造成支护破坏的因素之一。

(4)先后行洞影响

本段落左右线线间距30 m，采用圆形衬砌后净岩柱宽度小于17 m。通过分析监控量测曲线可以发现，几乎所有变形破坏的断面均在变形稳定一段时间后出现加剧的现象。在发生变形破坏段落，左线变形与右线施工可能存在相关性。

3 仰拱上浮治理措施

3.1 主要思路

结合茂县隧道地质情况研判，过程施工、监测情况及造成仰拱上浮的成因分析，确定仰拱上浮治理的主要思路为:隔绝上游水，降低水对基底的影响，注浆加固围岩抵抗围岩流变，拆除破坏的原支护体系重构，增设加固措施确保中岩柱稳定，设加强型仰拱抑制水平地应力对结构的影响。

3.2 工艺性试验

鉴于千枚岩特性及地应力特征，开展了孔口管注浆加固围岩及直径300 mm，长度30 m抗浮桩试验，试验结论如下:

(1)围岩内夹杂硬度高的石英，采用常规的风动凿岩机成孔，一是成孔时间长，无法快速成孔，易塌孔；二是石英卡钻，形成无效孔；三是千枚岩遇水易泥化，自然条件下无贯通裂隙，采用孔口管注浆，扩散半径有限。同时，采用孔口管径向注浆，注浆压力0.8～1 MPa，受孔口封堵长度(30 cm)限制，无法有效阻断双层初支砼与围岩间的空隙，浆液易从初支面散失，注浆压力上不去，注浆压力不够大难以突破围岩自身压力形成灌浆通道。调整注浆方式为分段注浆，增加注浆压力，可实现注浆加固围岩的效果[3]。

(2)抗浮桩试验:成孔深度未达到设计30 m，对成孔有干扰的因素，一是炭质千枚岩夹杂无规律分布的石英，石英脉硬度较高，加之高地应力，塌孔、卡钻，成孔困难；二是上游渗水导致围岩软化、塌孔[4]。采用干作业成孔，缩小孔径，缩短孔长可实现成孔[5]。

3.3 治理措施

(1)隔水注浆

在大理岩与千枚岩分界上游，采用袖阀管全环径向注浆形成隔水帷幕。中岩柱侧将中岩柱围岩裂隙全部进行填充封堵，其余拱墙及仰拱范围加固至开挖轮廓线外8 m范围。注浆采用ϕ48×3 mm袖阀管注浆，分段注浆，注浆压力不小于2 MPa。

(2)高压径向注浆加固围岩

对未施作二衬段，采用袖阀管径向注浆加固围岩。注浆参数及工艺同隔水注浆，袖阀管注浆分区域施工、间隔施作、跳孔进行。注浆压力、扩散半径、单孔设计注浆量等根据现场注浆实验及注浆的部位进行优化调整[6]。

径向注浆加固围岩按照边墙钻孔、拱部钻孔、灌注套壳料、初次注浆、二次注浆及管内回填施工工序作业[7]。

施工技术卡控要点:

①干作业成孔:考虑千枚岩遇水泥化情况，注浆加固围岩过程中，采用干作业成孔，避免围岩进一步软化。

②快速成孔:选取功率大等可适应的设备，减缓变形缩孔、避免石英卡钻等。

③快速完成袖阀管的安装及套壳料的灌注，尽快形成受力体系。

④长边墙短拱部:钻孔深度设置为边墙8 m、拱部5 m，对应围岩和初支变形的分布规律设置。

⑤确保三次注浆。注浆分初次注浆、二次补浆、袖阀管内回填注浆。初次注浆控制终止压力不小于2 MPa，持压注浆10 min以上，结束时的进浆量小于20 L/min；二次注浆在初次注浆初凝后进行，加大注浆范围，弥补浆液收缩；三次注浆对袖阀管内空腔进行回填，防止围岩挤压收缩变形[8]。

(3)初支破坏段落处理

考虑原支护措施能保证支护的长时间稳定，故待注浆措施完成后，对初支破坏段落按原大变形支护参数进行拆换，锚杆由ϕ32自进式锚杆调整为ϕ38自进式锚杆。

(4)中岩柱加固

中岩柱围岩变形主要为拱腰以上围岩挤入变形。采用对拉锚索及边墙锚索支护的方式控制围岩变形。

对拉锚索设3根，长度根据实际岩柱厚度截取，间距为1.8 m×1.5 m(纵×环)[11]，设置于内轨顶以上5 m范围。边墙锚索中岩柱两侧各设1根，长度20 m，纵向间距1.8 m，与水平方向呈45°斜向下设置。单孔6束锚索张拉控制力按450 kN控制(预留空间)，布置情况如图5所示。

图5 中岩柱锚索布置示意

锚索施工按照“锚索钻孔→锚索编束→锚索安装→注浆→钢垫板安装→预应力张拉→封锚”的流程进行。

施工技术卡控要点:

①穿一留二不冲突。严重大变形段双层初支，钢架间锚杆密、空隙小，为保证对拉锚索成孔效率，在左线一支施作后二支施作前钻孔，避免打孔对二支钢拱架的损伤。

②先注后拉等强度。因活动断裂地层破碎，为避免塌孔影响锚索孔质量，必须成一孔，灌注一孔。因锚索穿过孔口锚垫板时，锚索中心空隙较小，封口时不能完全封堵，注浆时存在少量漏浆，故注浆后采用二次加压注浆，确保孔内注浆饱满密实，补浆压力一般为0.6～1 MPa。为避免塌孔，成孔后安装锚索并立刻注浆，在注浆体和初支混凝土强度增长至设计强度的80%后再张拉，提高施工效率，保证两侧锚固端的质量。

(5)隧底加固

隧底加固分为两部分，隧底微型桩及锚索。隧底微型约束桩布置于填充顶面以下5.5 cm处，桩径140 mm，桩长20 m，间距1.2 m×1.8 m(横×纵)梅花形布设[12]，如图6所示。微型桩钢筋束由4根ϕ25钢筋和ϕ42连接钢管组成，顶部设置90°弯钩并与整体式仰拱钢筋进行焊接。

图6 隧底微型桩及拉力型锚索示意

锚索设置于侧沟底附近部位，间距1.8 m，与竖向交角约35°，长20 m。

隧底微型桩加固桩按照“钻机就位→钻孔清孔→钢筋笼制作、安装→注浆→钢筋接头处理”的工艺施工[11]。

施工技术卡控要点:

①考虑地应力高、围岩软弱破碎变形快，为保证措施的施工质量，采用快速成孔、快速安装钢筋束和及时注浆的方式进行，严禁多孔同时进行、互相干扰。

②采用孔底返浆法注浆，在初凝后及时进行补注浆，注一孔成一孔，确保孔内浆体饱满。

③钻孔时提高空压机功率，用以提高清孔质量。清孔后立即安装钢筋笼，安装时轻下轻放，做好孔口围堵，防止孔口虚渣掉落孔内堆积。成孔长度略大于钢筋笼安装长度。

(6)仰拱加强

将仰拱二衬、仰拱填充调整为钢筋混凝土仰拱结构，整体浇筑[12]，如图7所示。

图7 整体仰拱钢筋布置形式

4 结束语

2020年6月，仰拱上浮段落拱墙衬砌施作，拆换段落128 m，仰拱上浮-5.26～1.28 mm，速率平均0.01 mm/d。上浮最大1.28 mm，沉降最大5.26 mm，排除掉过程施工影响及测量误差，仰拱总体沉降无变化。

茂县隧道仰拱上浮处理关键技术主要有:

(1)通过地应力测试、补勘等综合手段运用，研判分析出了仰拱上浮的因素，做到了针对性治理。

(2)采用隔水注浆，将围岩中的水尽量隔绝在大理岩、灰岩地段，降低了水对软岩地段的影响。

(3)采用高压径向注浆的方式，使千枚岩地段的围岩加固得以实现，从而对穿越活动断裂带围岩流变的抑制起到了最大的预防作用。

(4)通过对拉锚索、仰拱锚索、微型约束桩等综合处理技术，针对性地施加措施，确保了该段仰拱上浮治理的工后效果。