高地应力千枚岩地层隧道大变形控制措施

施工技术

CONSTRUCTIONTECHNOLOGY2012年7月上第41卷第368期

高地应力千枚岩地层隧道大变形控制措施探讨宋嘉辉（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西

西安

710043）

［摘要］根据兰渝线两水隧道施工中出现大变形的工程实例，对其高地应力地层岩性、变形规律、支护破坏特征、变形原因进行了分析。根据现场科研试验段控制措施调整情况及现场控制效果，总结了该类地层中隧道大变形控制技术措施。结合现场变形监测数据结果，探讨了千枚岩、炭质千枚岩地层大变形的发展规律。［关键词］隧道工程；千枚岩；高地应力；变形规律；监测；控制措施［中图分类号］TU452；U459.1

［文献标识码］A

［文章编号］1002-8498（2012）13-0090-03

DiscussiononLargeDeformationControlsforTunnelsinHighGeo-stressPhylliteStratum

SongJiahui

（ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupLtd．，Xi'an，Shaanxi

710043，China）

Abstract：LargedeformationswereobservedduringtheconstructionofLiangshuiTunnelinLanyuRailway．Withrespecttothiscase，thispaperanalyzedthecharacteristicsofhighgeo-stressstratumlithology，deformationbehaviourandfailurecharacteristicsofsupports．On-sitetestswereperformedtocontrolthedeformationandbasedonthetestresults，largedeformationcontrolmeasureswereproposedforsimilargeologicalconditions．Withthesitemonitoringdata，principlesgoverningthelargedeformationbehaviorofphyllitestratumwerealsoaddressed．

Keywords：tunnels；phyllite；highgeo-stress；deformation；monitoring；controlmeasures兰渝铁路兰州—广元段地质条件极其复杂，其中志留系中上统千枚岩、炭质千枚岩是兰渝线典型极软岩地层，且处在复杂高地应力区，隧道的软岩、

施工开挖过程中极易发生严重的大变形，导致支护系统破坏，甚至会发生塌方，严重影响隧道施工安加大施工成本。本文结合兰渝线两水隧全及进度，

道的大变形工程实例，探讨千枚岩、炭质千枚岩地层大变形的原因、发展规律及变形机理，以期探求为该类隧道工程设合理的控制软岩大变形的措施，计及施工提供借鉴。1

工程概况

兰渝铁路两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区，隧道全长4933.34m，为双线隧道，其中进口段3582.34m为Ⅴ级围岩。隧道洞身涉及地层主要为志留系中上统千枚岩夹板岩、炭质千枚岩夹板岩，灰岩，其中主要通过地层以千枚岩、炭质千局部夹有板岩，含炭质，鳞片变晶结构，枚岩为主，

片状构造，岩体受构造影响，褶皱发育，薄片、薄层

［收稿日期］2012-02-23

［作者简介］宋嘉辉，E-mail：sj118@yeah．net工程师，硕士，

状岩层被节理切割成碎块状，岩体极破碎，稳定性差。隧道洞身部位的最大水平主应力值与该处单轴抗压强度比RC/σmax为0.3～3.1，根据《工程岩体GB50218—94的规定，分级标准》属于极高地应力两水进口及斜井工区洞轴向与最大水平主应状态，

极易产生大变形。力夹角62°，22.1

隧道施工变形情况施工揭示的围岩岩性

施工中揭示千枚岩、炭质千枚岩地层特征为薄层状，岩质极软，鳞片变晶结构，千枚状构造，具有丝绢光泽，主要成分为绢云母，片理发育且光滑，层间结合较差～差，受构造影响节理较发育～发育，岩体较破碎～破碎，呈碎块状压碎结构或松散角砾结构，掌子面有少量渗水，岩石遇水软化，围岩自稳性较差～极差，开挖后呈碎片状或粉末状。2.22.2.1

施工中的变形破坏情况围岩变形情况

两水隧道开工以来，隧道进口及斜井持续出现大变形，拱顶下沉及收敛变形量均较大，具有变形速率快、变形量大、周期长等特点。根据监控量测

2012No．368宋嘉辉：高地应力千枚岩地层隧道大变形控制措施探讨91

结果，在完成初期支护后1周内变形速率很大，平均变形速率30～35mm/d，最大拱顶下沉变形速率达107mm/d，最大水平收敛变形速率为35mm/d，2～4周内平均变形速率10～15mm/d，

1个月以后才趋于减小。隧道累计最大拱顶下沉达757mm，累计最大水平收敛达499mm。同时在进行中台阶、下台阶和仰拱开挖施工过程中常伴有一个阶段性突变。隧道代表断面收敛曲线如图1，

2所示。图1

水平收敛曲线

Fig．1

Thehorizontalconvergencecurve

图2

拱顶下沉曲线

Fig．2

Thevaultcrownsettlementcurve

2.2.2支护破坏情况

隧道Ⅴ级围岩软岩地段原设计预留变形量35cm，全环喷射30cm厚C25混凝土，拱墙锚杆长6m，间距1.0m×0.8m，梅花形布置，全环设置I20b，间距0.5m。施工过程中，拱顶下沉和水平收敛均很大，洞身处于高地应力区，围岩剪涨、蠕变现象明显，围岩压力增长快，支护受力大，导致初期支护变形严重，喷射混凝土大量开裂、掉块，部分钢拱架扭曲、断裂，初期支护结构失稳，侵入衬砌净空、拆换

拱情况频繁发生，二衬已施工完成地段局部出现了开裂，结构钢筋弯曲严重，影响施工及工程安全。3隧道大变形机理及原因分析3.1

软岩大变形机理

软质围岩在高地应力作用时极易产生挤压性大变形，围岩的变形破坏首先取决于围岩性质，其中包括围岩体的岩性、结构条件，其次受围岩的环境条件即地应力的大小、地下水的发育分布状况的影响，同时也与围岩的支护条件密切相关。通过对已发生围岩大变形典型实例的研究分析，千枚岩或炭质千枚岩大变形演化机制总体上可以归结为以下几个方面。

1）软岩的塑流

隧道开挖导致围岩应力的调

整，

应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移，以及围岩岩体进一步碎裂化，在改变岩体应力状态和强度的同时，围岩中地下水沿张开裂隙渗流和软化作用，导致塑性流动使围岩产生较大的收敛位移。

2）板层的弯曲变形

对于层状（特别是薄层

状）千枚岩或炭质千枚岩隧道，

其变形破坏机制可以用弯曲来加以解释。开挖卸载阶段，尤其在高地

应力区的卸荷条件下，

岩体更易发生弯曲变形以致破坏。隧道围岩不是一个均质体，而是存在各向异性，由于隧道的径向应力降低而切向应力增高，层状岩体以板的方式在横弯或纵弯作用下发生挠曲变形，

引起隧道壁侧向变形。而在隧道顶，则可在水平应力作用下发生垂直方向的弯曲引起拱顶沉降变形。

3）散体压密结构变形

千枚岩或炭质千枚岩

岩体较为破碎、松散。埋深较大时，受围岩压力及高地应力作用，围岩呈压密状，由于隧道开挖后应力释放和重分布，导致原本压实闭合的结构面张开滑移，

以及围岩岩体进一步碎裂化，围岩即刻呈松散状。围岩的变形破坏表现为松动圈累进性扩展特点。但随着主应力方向以及侧压力系数的不同，

塑性区可出现在洞周不同的部位，从而引起这些部位围岩及支护结构的破坏，导致大变形的发生。3.2变形原因分析3.2.1

地质条件因素

1）千枚岩或炭质千枚岩工程性质差

志留系

千枚岩或炭质千枚岩属于软岩、极软岩，一方面岩石抗压强度低，

另一方面千枚岩矿物成分中新生软质片状矿物绢云母含量高达81%～88%，岩石结构呈鳞片变晶结构，以变余微纹层构造及千枚状构造为主，

片理薄，光滑，受压易裂开，呈结构扩容型变形。志留系千枚岩、炭质千枚岩层厚0.1～1cm，片

92施工技术第41卷

理发育，隧道开挖后，大部分呈微张～张开状态，结合差，加之受构造影响，结构面光滑，平直，节理面软弱，易沿节理面错动，导致围岩稳定性降低。工程岩性差是软岩变形的主要原因。

2）隧道处于极高地应力区

洞身实测最大水

平主应力为2.6～11.0MPa，最小为1.6～6.8MPa，铅直（自重）应力为6.0～7.0MPa，原始应力的大小应以最深部测点为准，即σH=10.5MPa，σV=8.1MPa，σh=5.6MPa。取其单轴饱和抗压强度Rc=4MPa，Rc/σmax=0.56～0.68，隧道轴线方向为N62\"W，依据《工程岩体分级标准》，岩体应力量级为极高应力水平，隧道开挖后，岩体在高地应力作用下屈服、破坏，是软岩变形的重要原因。3.2.2

地下水的影响

千枚岩、炭质千枚岩地层地下裂隙水不发育，局部地段有少量基岩裂隙水渗出，但对千枚岩、炭质千枚岩具有明显软化、

崩解现象，降低了岩石强度和岩体结构强度，也减小了结构面间摩擦系数，进而形成较大的塑性变形。3.2.3

施工工艺因素

施工方法不当及初期支护闭合时间也是影响围岩变形的因素之一。隧道开挖采用爆破法，对围岩的扰动较大，

围岩的自稳能力被破坏。开挖后初期变形速度快，变形值大，控制住变形的初期发展，就可以控制隧道围岩的松弛，减少隧道周边围岩的塑性区，但施工过程中往往开挖后不能及时施工初期支护封闭围岩。初期支护全断面闭合越早，闭合距离越短，对控制软岩的变形效果越好，软弱围岩隧道采用长台阶施工，工序间距长，初期支护闭合时间滞后，致使围岩产生较大变形，导致隧道变形超限，甚至引起失稳坍塌。3.2.4

初期支护强度不足

由于对高地应力条件下软岩大变形的认识不足，

采用的初期支护措施较弱，导致围岩变形发展较快，变形较大，初期支护被破坏。现场试验段采用加强型钢钢架强度、双层支护等措施后，变形情况有较大改善，且大多趋于稳定。4

大变形施工控制措施

高地应力软岩隧道易发生变形破坏，为抑制这种破坏，应允许适当变形，释放围岩压力，但又要保持围岩变形与围岩压力的平衡，

以防止围岩过度松弛，导致变形破坏，所以既要合理预留变形量，又要提高围岩自支护能力及支护体系的刚度，以保持围岩压力与支护体系的平衡，避免变形破坏的发生。4.1

加大预留变形量

根据监控量测数据及时掌握围岩变形情况，结

合科研试验段变形破坏情况，合理预留变形量。适当预留变形可有效释放蕴藏于高地应力场中的围岩压力，

以降低支护结构受力。原设计采用预留变形量35cm，

根据监控量测变形结果，将预留变形量调整至70～80cm，调整后初期支护侵限及换拱情况得到较好控制。4.2

加大支护体系刚度

原设计全环喷层厚30cm，全环设置I20b钢架，间距0.5m，施工过程中发现该段初支结构变形较大，

喷射混凝土大量开裂、掉块，部分I20b钢拱架扭曲、断裂，支护结构失稳，初期支护结构侵入衬砌净空，拆换拱情况频繁发生。后将钢拱架调整为I20b+I16双层拱架支护，虽然变形量有所减少，但初支掉块、

工字钢扭曲、断裂现象仍然存在，且部分段落侵限，仍需进行拆换拱，支护效果不佳。目前将钢拱架调整为H175+I16双层拱架支护，第1层H175钢架全环设置，并对H175钢架拱部采用I16连接型钢，起拱线以下采用内、外双层22螺纹钢筋，以提高钢架刚度及整体受力性能，采取该措施后，变形速率减弱，

初支结构基本稳定，无钢架扭曲和侵限现象发生，变形情况得到较好控制。4.3

改善开挖方法，减少对围岩扰动

施工过程中应尽量减少对隧道周边围岩的扰动，控制隧道周边塑性区扩大，充分发挥围岩的自稳能力，以便控制围岩变形发展。隧道软岩段采用铣挖法施工，

与爆破法施工比较，铣挖机开挖后围岩变形量明显减小，且变形稳定时间缩短。所以对于软岩隧道施工，应尽量采用机械施工，避免爆破振动对围岩的扰动。4.4

改善施工工艺，快速封闭成环

“快支护、快闭合”是软岩隧道施工的基本原则。隧道开挖后应及时施工初期支护，

并尽可能在短时间内使开挖后的断面闭合，

如上台阶闭合、整个断面闭合等非常重要。初期支护全断面闭合越早，

闭合距离越短，对控制软岩的变形效果越好，初期支护全断面闭合的过程，也是隧道变形收敛趋于稳定的过程。两水隧道优化施工方法，采用超短台阶法施工，

优化施工工序，增设临时仰拱，及时封闭成环，有效减少变形量。4.5

适时施作二次衬砌

二次衬砌对于控制高地应力软岩隧道变形具有明显的作用，

从控制变形角度来说，二次衬砌施作越早，对控制变形越有利，但同时二次衬砌受力也越大，易导致二次衬砌开裂破坏。软岩隧道变形具有变形大、

变形持续时间长等特点，根据软岩具（下转第95页）

2012No．368谢裕春：地铁盾构施工浅埋区间风险监控及沉降规律分析95

表隆起或跑浆等现象，造成浪费。实际注浆量应为理论注浆量的1.5倍左右，郑州地铁管片宽为

1.5m，每环的理论注浆量约4m3，则实际注浆量应

为6m3

左右。5.2

盾构开挖的出土量

通过出土量及松散系数等条件判断盾构是否出现超挖现象。每环（环宽1.5m）理论出土量应为47m3

左右，如果出土量高于理论值，则盾构存在超挖情况，地层肯定有多余损失，周边环境会受影响。应根据实际情况制订必要的应急方案，出土量高于5m3或10m3及更多时，应采取相应措施。5.3

盾构掘进中的其他因素

1）工程地质条件及隧道埋深因素。盾构穿越的地层主要分为6类：①黏土、

粉土复合地层；②砂层；③砾石、卵石层；④土与砂的复合地层；⑤土、砂、砾石、卵石层的复合地层；⑥土岩混合地层。

在地铁盾构施工时，隧道埋深越深，盾构施工产生的沉降槽宽度就会越大，相同地层损失的情况下，地层产生最大沉降会越小。

2）驾驶员是盾构施工的关键因素之一，在盾构施工的前100m调整好施工参数。土压平衡盾构理想的推力是静止土压力，

使土仓内建立的压力和开挖面前方的土压处于平衡状态，最大限度地减小地层扰动。当地层发生较大变化时，

驾驶员要及时作出参数调整，且通过出碴土的干稀情况，对膨润土的配合比和用量作调整。

盾构掘进过程中驾驶员不应为了抢工期而使盾构推进速度过快，这样会使盾构与土体间产生的剪切应力增大，

继而对土体的扰动加大，地表沉降也随之加大。应保持盾构匀速推进，这样同步注浆量和时间都能较好控制，

地面沉降变小。另外，盾构的水平姿态和高程姿态都需要严格控制。6

结语

1）地铁出入线段一般采用明挖法施工，采用盾构法施工的情况较少，因为覆土太浅

［5］

，盾构施工

难度较大，且该区间地表上方地层的填土主要为郑开大道修建时的废渣等，未夯实，因此地表沉降较大，一般累计沉降量在60～70mm。当同步注浆不及时，最大沉降量达到90mm。

2）盾构施工时，最大沉降发生在隧道中心线上，沿垂直隧道方向往两边沉降成逐渐减小的趋势，沉降影响范围在盾构外侧10～20m。在管片脱出盾尾后3d左右，地表沉降基本趋于稳定。

3）根据盾构施工过程中变形特征以及对监测数据的分析进行综合预测，及时提出盾构施工异常

变形预警，可有效预防盾构隧道失稳和地面坍塌灾害的发生，确保工程安全、顺利开展。

参考文献：

［1］田金山．盾构施工地面沉降监测技术及沉降规律分析［J］．

天津建设科技，

2008（1）：39-41．［2］吴张中，李丽平，陈少华．地铁隧道盾构施工地表沉降的预测

分析［J］．路基工程，

2007（4）：46-48．［3］李大勇，王晖，武亚军．盾构掘进对周围环境的影响分析［J］．

地下空间与工程学报，2005（S1）：84-86．［4］曾晓清，张庆贺．土压平衡盾构同步注浆浆液性能试验研究

［J］．中国市政工程，1995（1）：46-50．

［5］

于哲，郭全国，刘双全．亦庄线盾构浅覆土小间距施工方法［J］．市政技术，2010（S2）：137-139，143．

（上接第92页）

体变形特点，确定合理的二次衬砌施作时机对软岩大变形隧道至关重要，既要围岩释放一部分自由变形，防止围岩压力过大破坏二次衬砌，又要控制变形过大导致支护失稳破坏。根据两水隧道变形监测结果分析，隧道变形速率＜10mm/d时施作二次衬砌可有效控制大变形发展且二次衬砌不被破坏。5

结语

通过对兰渝线两水隧道围岩岩性、变形机理及原因分析，结合现场变形监测数据结果，探讨了千枚岩、

炭质千枚岩地层大变形的发展规律，根据现场科研试验段控制措施调整情况及现场控制效果，总结了该地层围岩大变形的控制技术措施，为类似地层中修建隧道提供了参考与借鉴。

参考文献：

［1］关宝树，赵勇．软弱围岩隧道施工技术［M］．北京：人民交通

出版社，

2011．［2］黄林伟．软岩隧道大变形力学行为及控制技术的研究［D］．

重庆：重庆大学，

2008．［3］张文强，王庆林，李建伟，等．木寨岭隧道大变形控制技术

［J］．隧道建设，2010（4）：157-161．

［4］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，

2011（2）：78-81．［5］周乾刚，方俊波．乌鞘岭隧道岭脊段控制千枚岩大变形快速

施工［J］．隧道建设，

2007（4）：43-47．［6］刘招伟，王明胜，方俊波．高地应力大变形隧道支护系统的试

验研究［J］．土木工程学报，

2010（5）：111-116．［7］何磊，杨斌，王更峰，等．高地应力软岩隧道施工动态控制与

优化研究［J］．现代隧道技术，

2011（2）：44-48．［8］蔡景献，张继奎，方俊波．高地应力千枚岩大变形隧道支护参

数试验研究［J］．隧道建设，

2005（S1）：21-24，31．［9］马天华．乌鞘岭隧道深埋软弱千枚岩变形控制施工技术［J］．

西部探矿工程，

2006（S1）：320-322．［10］张宇，王刚，汪涛．乌鞘岭隧道志留系板岩夹千枚岩地段结构

验证试验研究［J］．现代隧道技术，

2006（5）：38-44．