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兩水隧道圍巖破壞原因分析與治理措施

文檔作者：黃慶文1 柳超2 汪貽謀1 文檔來源： 1．中交二公局第四工程有限公司 2．中周地質大學工程學院，		點擊數：	更新時間： 2025年09月25日
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82
施工技術
CONSTRUCTl0N TECHNOI。0GY
2011年8月上
第40卷第346期
兩水隧道圍巖破壞原因分析與治理措施
黃慶文1，
(1．中交二公局第四工程有限公司，河南洛陽
柳超2，汪貽謀1
471013；2．中周地質大學工程學院，湖北武漢430074)
[摘要]兩水隧道是處于高地應力環境下的雙線軟巖隧道，如何保證同巖穩定，進行安全施工是最迫切需要解決的
問題，該隧道在施工期間出現了圍巖沉降和收斂過大、初期支護變形致鋼拱架扭曲等現象。在現場凋研、應力分析
的基礎上，結合軟巖變形的機理與對監控數據的分析，提出了施作臨時仰拱、二襯及時跟進和采用銑挖機配合鉆爆
法結合等措施。實踐證明，上述措施科學的應用對控制圍巖的沉降和收斂取得了較好的效果。
[關鍵詞]隧道工程；圍巖；破壞；變形機理；治理措施
【中圖分類號】u459．1 [文獻標識碼]A [文章編號]1002—8498(2011)15Ⅲ082JD4
The Failure Analysis and Treatment Measures of
SurrOunding Rock in Liangshui Tunnel
Huang Qingwenl，Liu Cha02，Wang Yimoul
(1．Ⅳ0．4 cD，l站mc砌n co唧口n，，0，CccC Second H話伽町Engi，leeri昭Go．，厶正，己“唧增，肌’加n 471013，ClIlin口；
2．幾cu姆礦E增i，leeri增，吼i，ln‰如e惜渺o，Ge∞cienc椰，耽^口，l，肌6ei 430074，C^i，毫口)
Abstract：Liangshui Tunnel is a two—line tunnel in soft rock under high ground stress enVironment． How
to ensure the stability of surrounding rock to caITy on a safety constmction is the key problem which need
to be handled． During construction some phenomena such as mck settlement， too large convergence，
twisted steel arch by defb珊ation of initial support and so on happened． On the basis of the site
investigation and stress analysis， combining with soft rock deforma“on mechanism and the analysis of
monitoring data，some measures are put forward such as setting temporary invert， following up second
lining timely，and combination method of mi兒ing digging machine and dri兒ing and blasting method． The
engineering practice has pIDved that those measures applied scientifically haVe a good efkct on controlling
settlement of surrounding rock and convergence．
Key words：tunnel en舀neering； surrounding mck； damage； mechanism of deformation ；contmlling
meaSllreS
近年來，在我國鐵路建設中，穿越各種不良地質
隧道工程出現的問題層出不窮，軟弱巖石及其工程
施工問題就是其中之一。
軟弱巖石及其軟弱巖石工程問題的提出始于
1975年國際著名巖石力學家在第五屆全美土力學
及基礎工程會議上所作的“軟弱巖石工程性質和問
題”的專題報告¨1。在此后學者們從各個不同方面
進行了軟巖變形特性的研究。研究方向主要集中于
軟巖的變形機制舊引、軟巖流變的本構關系”?、軟
巖支護原則。川、最佳支護時機心引、支護結構與軟弱
圍巖相互作用規律等舊‘31。在國內外發生軟巖大變
【收稿日期1 20ll_02_03
[作者簡介】黃慶文，中交二公局第四工程有限公司T程師，甘肅省
隴南市武都區漢王鎮郵局轉中交二公局四公司蘭渝鐵路工程項目經
理部74604l，電話：13296527885。E—mail：liuch807885@163．com
形的著名例子有日本惠那山隧道一1、奧地利的陶恩
隧道、阿爾貝格隧道【10|、南昆鐵路家竹箐隧道¨引、
蘭新鐵路烏鞘嶺隧道?1等。目前正在施工的兩水
隧道也出現了大變形問題，研究其變形機理與提出
合適的施工措施具有重要意義。
1 工程條件
兩水隧道是雙線鐵路大斷面隧道，全長
4 928．3m，是蘭渝鐵路全線被列為高風險隧道群中
最長的隧道，該隧道處于高地應力環境中，具有變形
位移速率快、變化規律不明顯的特征，其中V級軟
巖3 582．3m，V級加強106m。IV級圍巖l 240m。
兩水隧道洞身涉及地層主要為志留系上統的千
枚巖夾板巖；其中，千枚巖炭化嚴重。隧道區域內山
勢陡峻，地面起伏較大，基巖裸露，降水量較小，地下
萬方數據
黃慶文等：兩水隧道圍巖破壞原因分析與治理措施83
水補給來源不足。隧道內的圍巖富水程度為弱富水
區，對混凝土、鋼筋等不具氯鹽和硫酸鹽化學侵
蝕性。
2 隧道變形破壞特征
兩水隧道里程樁號為DK357+082一DK362+
090．在開挖DK357+295斷面過程時，發現已支護
DK357+280斷面左側拱墻處出現l條長約2m的
裂縫，且拱頂下沉和圍巖收斂遲遲不能穩定，而后隨
著隧道的進一步開挖，雖然采取了臨時橫向和扇形
支撐，環向注漿等加固措施，但DK357+270一
DK357+330段拱頂下沉和圍巖收斂仍處于進一步
發展中，4個月后最大拱頂下沉達到52．3cm，最大
水平收斂達到32．5cm。
根據監控量測的數據，DK357+275一DK357+
330段、DK359+255一DK359+265段和DK359+
402一DK359+442段變形具有以下特征。
1)上臺階開挖及支護完成后，前3d圍巖收斂
和拱頂下沉均較大(1．5—3cm／d)，3d后變形速率
有一定緩和，圍巖收斂和拱頂下沉保持在1cm／d左
右，開挖中、下臺階時，變形速率明顯加快，變形值明
顯增大。
2)初期支護在開始階段正常受力變形，但是隨
著時間的推移，變形未見明顯減小，一般在初期支護
施工后15d左右，初期支護出現開裂掉塊現象，局部
鋼架開始扭曲。
3)從變形發展趨勢來看，施作仰拱封閉成環
后，變形速率明顯減小，變形開始趨于穩定，一般為
2一10mm／d。
4)通過前期的施工發現在軟巖地質隧道中采
用普通鉆爆法非常不利于圍巖穩定，尤其是對已穩
定段落的圍巖變形影響非常大(爆破后已支護好段
落的圍巖變形數據明顯加大)。
3隧道圍巖破壞的原因分析
3．1隧道圍巖的特性
3．1．1巖性條件的影響
炭質千枚巖屬于副變質巖，是一種具有千枚狀
構造的巖石，礦物成分以絹云母為主，多呈微粒狀或
片狀，有時含有綠泥石、黑云母、石榴石或方解石。
主要特征是能被剝成葉片狀的薄片，表面呈顯著的
絲絹光澤，質地軟，遇水易軟化；炭質千枚巖吸水率
極低，一旦遇水則單軸抗壓強度、泊松比、黏聚力都
急劇下降，這充分說明了炭質千枚巖對水的敏感度
極強¨“。
炭質千枚巖遇水后的性質變化規律如下：①遇
水后幾乎不改變的參數天然密度，飽和密度，烘干
密度，彈性模量，內摩擦角。②遇水后變化較大的參
數單軸抗壓強度，下降為原來的35．9％；泊松比，
下降為原來的50％；黏聚力，下降為原來的38．8％。
雖然擠壓緊密的炭質千枚巖層具有弱透水性，
是相對隔水層，但在隧道開挖卸荷后，由于炭質千枚
巖的黏聚力c、內摩擦角妒與泊松比等參數發生較
大變化，加上膨脹性和地下水的影響，圍巖易發生塑
性變形，向巷道內擠入，密實的巖體變松散，圍巖自
承能力繼續變差，變形也持續進行。
3．1．2地下水條件的影響
地下水在隧道施工中對圍巖的穩定性起著很大
的作用，特別是在軟弱的炭質千枚巖區，更是起著控
制作用。
根據隧道的勘察情況，并結合區域資料綜合分
析，圍巖的富水程度為弱富水區，目前兩水進口施工
情況為：地下水較豐富，掌子面濕潤，含水量飽和，有
水從掌子面滲出，局部水量呈股狀流出。其原因可
能是圍巖洞身為炭質千枚巖時，當千枚巖厚度達到
一定程度，洞身就不會出現地下水。然而在開挖過
程中，圍巖產生應力重分布，發生變形，形成松動區
與塑性區，特別是當初期支護不及時或初期支護強
度不足以抵抗千枚巖的變形時，塑性區范圍可能會
進一步擴大，這都誘發了地下水的發育。塑性區的
加大與地下水的發育互相促進，互相作用，使圍巖穩
定性不斷變差。
3．1．3地應力條件的影響
工程區位于武都山字形構造體系前弧，受多期
次構造的復合、揉皺及構造節理發育，其展布與區域
構造線基本一致，以近東西和北西西向為主。隧道
范圍未見區域性大斷裂通過，但巖體受構造運動的
影響，揉皺、褶皺發育，軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊
狀，巖體破碎，完整性差，其主要節理如表1所示。
表l隧道區主要節理產狀
TabIe l The paramete鵂of main joints in
shape tabIe in tunneI area
由表1可見，隧道區主要發育5組構造，其中明
顯的方位有N550W，N600E，N30。E，反映存在不同
方向、不同期次構造運動的疊加，其結果是構造與變
形更復雜，巖體更加破碎。這就使得兩水隧道圍巖
穩定性總體上都很差，容易出現各種病害。
萬方數據
施工技術第40卷
3．2軟巖隧道大變形機理
3．2．1軟巖隧道迥性圈原則
隧道開挖以前，地下巖體在特定地應力場中處
于三軸壓力的平衡狀態，隧道一旦開挖，這個平衡系
統就會被破壞，圍巖應力會重新調整，出現了4個
區，自空區向外依次是：塑性流動區、塑性軟化區、塑
性硬化區、彈性區舊引。各區的力學行為與巖石的
全應力-應變曲線中的相應段相對應，其中彈性區對
應于彈性變形階段，塑性硬化區對應于蝮性硬化階
段，塑性軟化區對應于巖石的峰后軟化階段，塑性流
動區對應于巖石的松動破壞階段，如圖l所示。
圖1軟巖隧道的圍巖分區
Fig．1 The surrOunding partitiOn 0f sOft rOck tunnel
軟巖隧道開挖后，圍巖產生變形，圍巖的荷載
逐漸增大，當圍巖變形達到最佳支護時間時，彈性區
和塑性硬化區變形穩定，可以自穩；而齷性軟化區和
塑性流動區是不穩定區，必須施加一個支護力才能
保持穩定。在軟巖大變形隧道中，及時進行二次襯
砌的施作，使二次襯砌承擔部分荷載的做法與新奧
法保護圍巖、充分發揮圍巖自承能力的原則一致。
3．2．2軟巖隧道支護時機的確定
由監控量測的數據可以看到，軟巖的變形并沒
有隨著時間的推移而穩定，所以確定合適的時間進
行二次襯砌的支護是很有必要的；且根據文獻[2～
3]等提出軟巖巷道最佳支護時間的概念。軟巖巷
道支護原理可表示為：
PT=PD+JPR+Ps
式中：PT為圍巖向臨空區運動的合力，包括重力、水
作用力、膨脹力、構造應力和工程偏應力等；P。為以
變形形式轉化的工程力；P。為圍巖自撐力；P。為工
程支護力。最佳支護時問指可使(P。+P。)同時達
到最大的支護時間。
最佳支護時間點難以在工程上確定，因此又提
出最佳支護時間段的概念，并提出判別最佳支護時
間(段)就是出現鱗片狀剝落的高應力腐蝕現象的
時間。與硬巖隧道圍巖支護的原則不同，軟巖隧道
圍巖支護必須允許出現塑性圈。而硬巖隧道圍巖支
護是力求控制塑性區的產生，最大限度地發揮圍巖
的自承能力；軟巖隧道圍巖支護是力求有控制地產
生一個合理厚度的塑性圈，最大限度地釋放圍巖變
形能。
根據對隧道圍巖大變形現象的分析，該理論與
兩水隧道在破壞形式上是相吻合的，在隧道邊墻出
現剝落時，裂縫也隨之出現。如果在此時二次襯砌
不及時跟上，臨空塑性區將隨變形加大而出現松動
破壞。
4隧道圍巖破壞的治理措施
根據以上對兩水隧道圍巖特征、圍巖的特性及
變形機理分析，確定施工中采取以下治理措施。
4．1 采用雙漿液雙層注漿的方式
隧道穿越主要地層為炭質千枚巖，該巖體遇水
后極易軟化，為防止地下水的發育，故選定漿液為水
泥一水玻璃漿液。工地實驗室根據隧道涌水量、水壓
等對雙液漿的配合比做了大量試驗，以確定最佳的
凝膠時間。在取得大量試驗參數的基礎上，以充分
滿足注漿擴散范圍為準，保證一次注漿段(5m)固結
強度，又方便施工，選定水灰比(0．75～0．8)：l，水玻
璃濃度為30～35Be’，體積比為l：0．3～1：l。
在開挖掘進時采用雙層(b42mm注漿小導管，
長5m，環向間距40cm，縱向搭接≥1m，第1層仰角
100～15 o，第2層仰角35 o一45。。
4．2加大預留變形量，提高初期支護與圍巖共同變
形能力
兩水隧道軟巖段預留變形量50—60cm，且采用
大拱腳臺階法施工，其施工工序如圖2所示。
圖2大拱腳臺階法施工工序
Fig．2 The construction process of
large arch fbOt steps methOd
鋼架由原來的120b調整為H175，縱向間距仍
為0．5m，且增大預留變形按55cm設置，鎖腳錨桿
采用4根8m長R32N自進式錨桿，在邊墻部位增
設3m長西42mm注漿小導管進行注漿加固，間距
1．5m×1．5m。上導鋼架按照大拱腳施工，上導拱
腳處擴大尺寸50cm，且在原設計基礎上，在底部
0．2m與1．2m高度處各加2根118鋼架連接，在
上導與中導連接處，焊接4根長20cm的咖22環向
鋼筋，以提高連接薄弱處的抗剪能力¨1。在上臺
萬方數據
黃慶文等：兩水隧道圍巖破壞原因分析與治理措施85
階底部加設臨時仰拱，采用120b型鋼與上導鋼架
連接為一體，抑制圍巖的沉降及收斂變形，使初期
支護快速地封閉。
4．3仰拱與二次襯砌施作時機的控制
通過對監測數據分析，發現在仰拱施作完成以
后，變形量達到了總變形量的80％以上，此時如果
不及時進行二次襯砌，軟弱底層就有可能侵限，甚至
坍塌。所以在以后的施工中，控制仰拱施作在下部
噴錨完成以后3d內完成，以便盡早封閉成環形使全
環受力，減小變形；開挖支護后二次襯砌要在30d內
完成。這就要求加快仰拱和二次襯砌的施工進度，
仰拱距離掌子面的距離≤30m為宜，二次襯砌距離
掌子面的距離控制在50m以內。
4．4銑挖機應用于拱部輪廓線的開挖
通過前期的施工發現在大斷面軟巖地質中采用
普通的鉆爆法施工非常不利于圍巖的穩定，并且鉆
爆法施工對已支護段落的圍巖變形影響也非常大。
為減小爆破施工對圍巖的擾動，故引進了銑挖機，隧
道拱部輪廓線采用銑挖機開挖，中下臺階采用預裂
爆破配合銑挖機開挖。根據現場的實測數據繪制了
采用鉆爆法和銑挖機配合預裂爆破法的日變形量與
時間關系散點圖，如圖3所示。
暑
乓
刪
翳
卜皿
累積變形時間／d
a收斂量散點圖
累積變形時間／d
b下沉量散點圖
圖3 兩種施工方法測量結果
Fig．3 The measure results 0f恤e
tw0 kind of cOnstruction methOds
由圖3可見，采用鉆爆法施工日均下沉量和收
斂量均要比銑挖機配合預裂爆破法要大得多，且遲
遲不能穩定，而采用銑挖機配合預裂爆破法則取得
了良好的效果。
5 結語
1)采用與圍巖巖性相適合的漿液，能較好地防
止巖性在遇水后發生較大的變化，并采取雙層注漿
的方式，能較好地固結軟巖。
2)根據軟巖隧道塑性圈理論，預留合適的變形
量與采取I臨時仰拱加大拱腳施工法使圍巖快速封閉
成環，對于抑制隧道的塑性變形有較好的效果。
3)對于兩水隧道高地應力，不僅要讓荷載卸得
充分，還要注意支護的時機適當，這就要求監測人員
將數據很好地進行分析，二襯施作要及時跟上，使二
次襯砌與初期支護一起承擔圍巖荷載。
4)通過在兩水隧道分別采用不同的施工方法
并通過對監控量測數據進行分析，得出采用機械和
爆破相配合進行開挖，仰拱和二襯緊跟掌子面施作
是比較適合軟巖隧道的施工方法，能有效保證軟巖
地質隧道的施工安全。
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