浅析高应力偏压软弱围岩隧洞施工

【摘要】以古城水电站引水隧洞工程为依托，对高地应力软岩隧道的施工技术进行探讨，认为开挖方法及开挖断面的选择、掌子面预支护的布置、爆破、相关监测技术的应用以及监测数据的及时回馈对施工参数的修正意义等方面是软岩隧道施工必须重视的。并且通过总结古城水电站引水隧洞的施工技术提出几点建议，为类似围岩隧道施工提供一点参考。

【关键词】高应力；偏压；软弱围岩隧洞；施工

引言

在高地应力作用下的软弱围岩中隧道土压除有松弛压力外，还有软岩特有的因隧道开挖及其后随时间延长、隧道断面逐渐缩小的“蠕变压力”。国内外隧道工程中所遇到的挤压大变形问题较多，如国外奥地利的陶恩隧道，国内乌鞘岭隧道等，给隧道设计施工带来了一系列的问题：隧道设计施工中难以控制变形量，洞身开挖后空间效应明显，产生蠕动变形，引起支护破坏，引发坍塌等。目前，国内外尚未建立高地应力软岩地质条件下的隧道控制软弱围岩大变形机理及处理对策的理论研究体系和施工处理体系。另外，隧道处于软弱围岩偏压地层，国内对偏压隧道的研究也主要局限于地形引起的偏压隧道。为此，研究地质构造引起的偏压隧道的衬砌形式、衬砌结构应力分布特征，提出行之有效的快速施工总体思路、技术方案和工艺方法显得尤为重要。为此，本文以古城水电站引水隧洞K9+720.00m～K11+815.00m标段为工程背景，对高应力条件下软弱围岩施工的关键技术发表本人的一些看法。

1工程概况

古城水电站位于阿坝藏族羌族自治州理县境内的杂谷脑河上。杂谷脑河为岷江干流上游的一级支流___杂谷脑河上的第七级梯级电站。引水隧洞全长16361.744m，开挖断面为统一马蹄型断面，开挖顶拱半径4.9m。本标段引水隧洞地质主要以V类围岩为主，岩性为绢云千枚岩，石英含量较大，岩层走向与隧洞轴线大致平行，偏压极为严重，开挖后风化速度较快，遇水迅速泥化，因此自稳性极差。经设计人员踏勘和对隧洞开挖后围岩变形进行分析后知：（1）水平地应力大于铅垂地应力，以水平地应力为主；（2）地应力表现为压应力，实测未发现张应力；（3）地应力分步呈不均匀性；（4）经过设计勘察人员实测，地应力值最高达到26.56MPa，为高应力。

2高地应力顺层偏压地层隧道施工力学行为分析

根据古城水电站引水隧洞的特点和施工重难点，结合总体施工方案，采用PLAXISTUNNEL岩土工程分析软件进行了数值模拟。分别对高地应力顺层偏压地层的隧洞施工力学行为进行了分析，为施工提供了理论依据。

（1）在高地应力环境下进行隧道施工，由于构造应力的影响，容易产生挤压变形，在采用台阶法施工时，上台阶的挤压变形较大。

（2）在高地应力软岩大变形地段，初期支护结构因承受较大的形变压力，容易造成初期支护结构破坏，在设计和施工时可考虑将二次衬砌做为部分承载结构通过合理安排支护结构施作时机，使初期支护和二次衬砌均有较高的安全度。

（3）通过对支护结构安全分析，上台阶拱部内力呈现不对称，且是最容易发生破坏的部位。因此，施工时应加强拱部支护和监测。

3高应力地段施工的关键技术

3.1高应力地段施工的基本原则

针对高地应力顺层偏压软岩大变形隧洞的特点，结合施工力学行为分析高应力隧洞地段施工应遵循“先探测、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、早衬砌、勤量测”的原则。以超前预支护及初期支护为施工重点，及时封闭围岩；加强初期支护的刚度。为达到稳固围岩的目的，系统锚杆长度应稍大于塑性区的厚度。为了防止喷层变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时即加大预留变形量，另外采取了不均衡预留变形量技术。制定合理的爆破方案和开挖支护工艺，减小对围岩的扰动。及时封闭底板特别是底板初支，以减小变形、提高围岩稳定性；另外加大底板厚度，增大底板曲率，全幅底板施工，也有利于改善受力状况。改善隧道结构形状，加大边墙曲率，提高二次衬砌的刚度。全过程实施施工地质超前预报工作。

3.2高应力作用下主要施工控制点

由于隧道开挖中存在空间效应，即隧洞掘进过程中，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部瞬时弹性位移，这是在开挖面推进过程中，由于空间变化所引起的一种围岩变形特性。因此，从开挖、爆破、初期支护到二次衬砌都要严格控制，监测反馈对隧道施工的安全及为重要。并且要根据监控量测资料，制定了初期支护施工控制标准。

3.2.1开挖断面选择

3.2.2开挖方法

目前软岩隧道常用的开挖方法主要有：CD法、CRD法、侧壁导洞法、三台阶法等，可有效保证施工安全。隧洞的开挖方法对掌子面的稳定性、施工工期等有着重要的影响。采用PLAXISTUNNEL对台阶法、CD法、CRD法这3种方案进行了模拟显示，台阶法开挖后塑性区分布范围最大，且掌子面核心存在大片的受拉破坏区，但是由于合同工期不允许延长，同时要确保长系统锚杆（6m）的施工质量，达到既安全又相对快速地组织施工。CD法、CRD法和双侧壁导坑达到了安全施工的目的，但是要求工期较长，并且需要大量的临时支护，造价高，且适用于大断面隧道的开挖，对于本隧洞开挖后也无法提供足够的作业空间以施工6m长系统锚杆。尽管台阶法开挖对围岩扰动较大，但其工期短、造价低，还能保证后续支护的施工质量，因此，工程确定了采用台阶法的开挖方案，即对掌子面实施预支护后进行开挖，同时做好相关监测数据的及时反馈以指导优化开挖参数，通过试验段的开挖。

3.2.3掌子面预支护

3.2.4爆破

爆破是隧道施工的重要工序，爆破的效果直接影响隧道开挖质量和进度，同时对围岩稳定也有较大的影响。根据爆破原理：微差爆破时，地震波具有相互干扰作用，从而使爆破产生的地震波减弱，减少对围岩的扰动；同样在开挖钻孔时增加孔数，减少每孔装药量，采取弱爆破技术（防止扰动围岩诱发坍方而采取的一种轻微爆破方式，即主要是以降低对围岩扰动和减小松动圈范围为目的的爆破方式），也可以减轻对围岩的扰动。因此本引水洞采取微差、弱爆破技术，周边眼炮孔（光爆孔）深度不超过1.5m，孔距控制在30cm左右；掏槽孔与光爆孔延时控制在9～12毫秒间，以保证临空面的形成，降低群洞效应，减弱爆破冲击波对围岩的扰动。

3.2.5监控技术

4结论及建议

高地应力大断面软岩隧道的开挖应重视开挖方法、掌子面预支护、弱爆破、信息监测这4个方面。开挖方法应结合现场施工条件、对围岩的影响程度、工期及成本等多方面进行考虑，掌子面预支护是保证顺利开挖的关键，微差及弱爆破是手段，同时在开挖过程中应结合多种监测结果进行对比分析以达到优化开挖参数与完善施工方案的目的。通过本引水隧洞的施工，得到以下几点启示，可以给类似地质条件的隧道施工提供一点参考。

（1）可采取在高应力段施做导洞，提前释放地应力，减小高地应力对施工的影响。

（2）钢纤维喷射砼柔性较大，抗裂性也比普通喷射砼大，选用钢纤维喷射砼可以最大限度抵抗围岩变形，确保初期支护变形在可控范围内。

（3）高地应力软岩隧道的支护结构采用刚柔并举的支护形式，既可以吸收高应力区围岩的流变变形又具有一定的刚度防止围岩变开过大。

（4）为了提高隧道施工的安全性，就开挖而言除规范规定的必测项目外，针对软岩隧道的施工，在条件允许的情况下应进行松动圈检测、爆破振动监测及断面扫描量测，确定地下洞室受爆破开挖的影响而形成的爆破松动区的深度，以对围岩稳定及开挖质量进行评价，验证支护参数的合理性。

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