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两水隧道围岩破坏原因分析与治理措施

文档作者：黄庆文1 柳超2 汪贻谋1 文档来源： 1．中交二公局第四工程有限公司 2．中周地质大学工程学院，		点击数：	更新时间： 2025年09月25日
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82
施工技术
CONSTRUCTl0N TECHNOI。0GY
2011年8月上
第40卷第346期
两水隧道围岩破坏原因分析与治理措施
黄庆文1，
(1．中交二公局第四工程有限公司，河南洛阳
柳超2，汪贻谋1
471013；2．中周地质大学工程学院，湖北武汉430074)
[摘要]两水隧道是处于高地应力环境下的双线软岩隧道，如何保证同岩稳定，进行安全施工是最迫切需要解决的
问题，该隧道在施工期间出现了围岩沉降和收敛过大、初期支护变形致钢拱架扭曲等现象。在现场凋研、应力分析
的基础上，结合软岩变形的机理与对监控数据的分析，提出了施作临时仰拱、二衬及时跟进和采用铣挖机配合钻爆
法结合等措施。实践证明，上述措施科学的应用对控制围岩的沉降和收敛取得了较好的效果。
[关键词]隧道工程；围岩；破坏；变形机理；治理措施
【中图分类号】u459．1 [文献标识码]A [文章编号]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话伽町Engi，leeri昭Go．，厶正，己“唧增，肌’加n 471013，ClIlin口；
2．几cu姆矿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儿ing digging machine and dri儿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
近年来，在我国铁路建设中，穿越各种不良地质
隧道工程出现的问题层出不穷，软弱岩石及其工程
施工问题就是其中之一。
软弱岩石及其软弱岩石工程问题的提出始于
1975年国际著名岩石力学家在第五届全美土力学
及基础工程会议上所作的“软弱岩石工程性质和问
题”的专题报告¨1。在此后学者们从各个不同方面
进行了软岩变形特性的研究。研究方向主要集中于
软岩的变形机制旧引、软岩流变的本构关系”⋯、软
岩支护原则。川、最佳支护时机心引、支护结构与软弱
围岩相互作用规律等旧‘31。在国内外发生软岩大变
【收稿日期1 20ll_02_03
[作者简介】黄庆文，中交二公局第四工程有限公司T程师，甘肃省
陇南市武都区汉王镇邮局转中交二公局四公司兰渝铁路工程项目经
理部74604l，电话：13296527885。E—mail：liuch807885@163．com
形的著名例子有日本惠那山隧道一1、奥地利的陶恩
隧道、阿尔贝格隧道【10|、南昆铁路家竹箐隧道¨引、
兰新铁路乌鞘岭隧道⋯1等。目前正在施工的两水
隧道也出现了大变形问题，研究其变形机理与提出
合适的施工措施具有重要意义。
1 工程条件
两水隧道是双线铁路大断面隧道，全长
4 928．3m，是兰渝铁路全线被列为高风险隧道群中
最长的隧道，该隧道处于高地应力环境中，具有变形
位移速率快、变化规律不明显的特征，其中V级软
岩3 582．3m，V级加强106m。IV级围岩l 240m。
两水隧道洞身涉及地层主要为志留系上统的千
枚岩夹板岩；其中，千枚岩炭化严重。隧道区域内山
势陡峻，地面起伏较大，基岩裸露，降水量较小，地下
万方数据
黄庆文等：两水隧道围岩破坏原因分析与治理措施83
水补给来源不足。隧道内的围岩富水程度为弱富水
区，对混凝土、钢筋等不具氯盐和硫酸盐化学侵
蚀性。
2 隧道变形破坏特征
两水隧道里程桩号为DK357+082一DK362+
090．在开挖DK357+295断面过程时，发现已支护
DK357+280断面左侧拱墙处出现l条长约2m的
裂缝，且拱顶下沉和围岩收敛迟迟不能稳定，而后随
着隧道的进一步开挖，虽然采取了临时横向和扇形
支撑，环向注浆等加固措施，但DK357+270一
DK357+330段拱顶下沉和围岩收敛仍处于进一步
发展中，4个月后最大拱顶下沉达到52．3cm，最大
水平收敛达到32．5cm。
根据监控量测的数据，DK357+275一DK357+
330段、DK359+255一DK359+265段和DK359+
402一DK359+442段变形具有以下特征。
1)上台阶开挖及支护完成后，前3d围岩收敛
和拱顶下沉均较大(1．5—3cm／d)，3d后变形速率
有一定缓和，围岩收敛和拱顶下沉保持在1cm／d左
右，开挖中、下台阶时，变形速率明显加快，变形值明
显增大。
2)初期支护在开始阶段正常受力变形，但是随
着时间的推移，变形未见明显减小，一般在初期支护
施工后15d左右，初期支护出现开裂掉块现象，局部
钢架开始扭曲。
3)从变形发展趋势来看，施作仰拱封闭成环
后，变形速率明显减小，变形开始趋于稳定，一般为
2一10mm／d。
4)通过前期的施工发现在软岩地质隧道中采
用普通钻爆法非常不利于围岩稳定，尤其是对已稳
定段落的围岩变形影响非常大(爆破后已支护好段
落的围岩变形数据明显加大)。
3隧道围岩破坏的原因分析
3．1隧道围岩的特性
3．1．1岩性条件的影响
炭质千枚岩属于副变质岩，是一种具有千枚状
构造的岩石，矿物成分以绢云母为主，多呈微粒状或
片状，有时含有绿泥石、黑云母、石榴石或方解石。
主要特征是能被剥成叶片状的薄片，表面呈显著的
丝绢光泽，质地软，遇水易软化；炭质千枚岩吸水率
极低，一旦遇水则单轴抗压强度、泊松比、黏聚力都
急剧下降，这充分说明了炭质千枚岩对水的敏感度
极强¨“。
炭质千枚岩遇水后的性质变化规律如下：①遇
水后几乎不改变的参数天然密度，饱和密度，烘干
密度，弹性模量，内摩擦角。②遇水后变化较大的参
数单轴抗压强度，下降为原来的35．9％；泊松比，
下降为原来的50％；黏聚力，下降为原来的38．8％。
虽然挤压紧密的炭质千枚岩层具有弱透水性，
是相对隔水层，但在隧道开挖卸荷后，由于炭质千枚
岩的黏聚力c、内摩擦角妒与泊松比等参数发生较
大变化，加上膨胀性和地下水的影响，围岩易发生塑
性变形，向巷道内挤入，密实的岩体变松散，围岩自
承能力继续变差，变形也持续进行。
3．1．2地下水条件的影响
地下水在隧道施工中对围岩的稳定性起着很大
的作用，特别是在软弱的炭质千枚岩区，更是起着控
制作用。
根据隧道的勘察情况，并结合区域资料综合分
析，围岩的富水程度为弱富水区，目前两水进口施工
情况为：地下水较丰富，掌子面湿润，含水量饱和，有
水从掌子面渗出，局部水量呈股状流出。其原因可
能是围岩洞身为炭质千枚岩时，当千枚岩厚度达到
一定程度，洞身就不会出现地下水。然而在开挖过
程中，围岩产生应力重分布，发生变形，形成松动区
与塑性区，特别是当初期支护不及时或初期支护强
度不足以抵抗千枚岩的变形时，塑性区范围可能会
进一步扩大，这都诱发了地下水的发育。塑性区的
加大与地下水的发育互相促进，互相作用，使围岩稳
定性不断变差。
3．1．3地应力条件的影响
工程区位于武都山字形构造体系前弧，受多期
次构造的复合、揉皱及构造节理发育，其展布与区域
构造线基本一致，以近东西和北西西向为主。隧道
范围未见区域性大断裂通过，但岩体受构造运动的
影响，揉皱、褶皱发育，软弱岩体被切割成块状、碎块
状，岩体破碎，完整性差，其主要节理如表1所示。
表l隧道区主要节理产状
TabIe l The paramete鸺of main joints in
shape tabIe in tunneI area
由表1可见，隧道区主要发育5组构造，其中明
显的方位有N550W，N600E，N30。E，反映存在不同
方向、不同期次构造运动的叠加，其结果是构造与变
形更复杂，岩体更加破碎。这就使得两水隧道围岩
稳定性总体上都很差，容易出现各种病害。
万方数据
施工技术第40卷
3．2软岩隧道大变形机理
3．2．1软岩隧道迥性圈原则
隧道开挖以前，地下岩体在特定地应力场中处
于三轴压力的平衡状态，隧道一旦开挖，这个平衡系
统就会被破坏，围岩应力会重新调整，出现了4个
区，自空区向外依次是：塑性流动区、塑性软化区、塑
性硬化区、弹性区旧引。各区的力学行为与岩石的
全应力-应变曲线中的相应段相对应，其中弹性区对
应于弹性变形阶段，塑性硬化区对应于蝮性硬化阶
段，塑性软化区对应于岩石的峰后软化阶段，塑性流
动区对应于岩石的松动破坏阶段，如图l所示。
图1软岩隧道的围岩分区
Fig．1 The surrOunding partitiOn 0f sOft rOck tunnel
软岩隧道开挖后，围岩产生变形，围岩的荷载
逐渐增大，当围岩变形达到最佳支护时间时，弹性区
和塑性硬化区变形稳定，可以自稳；而龌性软化区和
塑性流动区是不稳定区，必须施加一个支护力才能
保持稳定。在软岩大变形隧道中，及时进行二次衬
砌的施作，使二次衬砌承担部分荷载的做法与新奥
法保护围岩、充分发挥围岩自承能力的原则一致。
3．2．2软岩隧道支护时机的确定
由监控量测的数据可以看到，软岩的变形并没
有随着时间的推移而稳定，所以确定合适的时间进
行二次衬砌的支护是很有必要的；且根据文献[2～
3]等提出软岩巷道最佳支护时间的概念。软岩巷
道支护原理可表示为：
PT=PD+JPR+Ps
式中：PT为围岩向临空区运动的合力，包括重力、水
作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等；P。为以
变形形式转化的工程力；P。为围岩自撑力；P。为工
程支护力。最佳支护时问指可使(P。+P。)同时达
到最大的支护时间。
最佳支护时间点难以在工程上确定，因此又提
出最佳支护时间段的概念，并提出判别最佳支护时
间(段)就是出现鳞片状剥落的高应力腐蚀现象的
时间。与硬岩隧道围岩支护的原则不同，软岩隧道
围岩支护必须允许出现塑性圈。而硬岩隧道围岩支
护是力求控制塑性区的产生，最大限度地发挥围岩
的自承能力；软岩隧道围岩支护是力求有控制地产
生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放围岩变
形能。
根据对隧道围岩大变形现象的分析，该理论与
两水隧道在破坏形式上是相吻合的，在隧道边墙出
现剥落时，裂缝也随之出现。如果在此时二次衬砌
不及时跟上，临空塑性区将随变形加大而出现松动
破坏。
4隧道围岩破坏的治理措施
根据以上对两水隧道围岩特征、围岩的特性及
变形机理分析，确定施工中采取以下治理措施。
4．1 采用双浆液双层注浆的方式
隧道穿越主要地层为炭质千枚岩，该岩体遇水
后极易软化，为防止地下水的发育，故选定浆液为水
泥一水玻璃浆液。工地实验室根据隧道涌水量、水压
等对双液浆的配合比做了大量试验，以确定最佳的
凝胶时间。在取得大量试验参数的基础上，以充分
满足注浆扩散范围为准，保证一次注浆段(5m)固结
强度，又方便施工，选定水灰比(0．75～0．8)：l，水玻
璃浓度为30～35Be’，体积比为l：0．3～1：l。
在开挖掘进时采用双层(b42mm注浆小导管，
长5m，环向间距40cm，纵向搭接≥1m，第1层仰角
100～15 o，第2层仰角35 o一45。。
4．2加大预留变形量，提高初期支护与围岩共同变
形能力
两水隧道软岩段预留变形量50—60cm，且采用
大拱脚台阶法施工，其施工工序如图2所示。
图2大拱脚台阶法施工工序
Fig．2 The construction process of
large arch fbOt steps methOd
钢架由原来的120b调整为H175，纵向间距仍
为0．5m，且增大预留变形按55cm设置，锁脚锚杆
采用4根8m长R32N自进式锚杆，在边墙部位增
设3m长西42mm注浆小导管进行注浆加固，间距
1．5m×1．5m。上导钢架按照大拱脚施工，上导拱
脚处扩大尺寸50cm，且在原设计基础上，在底部
0．2m与1．2m高度处各加2根118钢架连接，在
上导与中导连接处，焊接4根长20cm的咖22环向
钢筋，以提高连接薄弱处的抗剪能力¨1。在上台
万方数据
黄庆文等：两水隧道围岩破坏原因分析与治理措施85
阶底部加设临时仰拱，采用120b型钢与上导钢架
连接为一体，抑制围岩的沉降及收敛变形，使初期
支护快速地封闭。
4．3仰拱与二次衬砌施作时机的控制
通过对监测数据分析，发现在仰拱施作完成以
后，变形量达到了总变形量的80％以上，此时如果
不及时进行二次衬砌，软弱底层就有可能侵限，甚至
坍塌。所以在以后的施工中，控制仰拱施作在下部
喷锚完成以后3d内完成，以便尽早封闭成环形使全
环受力，减小变形；开挖支护后二次衬砌要在30d内
完成。这就要求加快仰拱和二次衬砌的施工进度，
仰拱距离掌子面的距离≤30m为宜，二次衬砌距离
掌子面的距离控制在50m以内。
4．4铣挖机应用于拱部轮廓线的开挖
通过前期的施工发现在大断面软岩地质中采用
普通的钻爆法施工非常不利于围岩的稳定，并且钻
爆法施工对已支护段落的围岩变形影响也非常大。
为减小爆破施工对围岩的扰动，故引进了铣挖机，隧
道拱部轮廓线采用铣挖机开挖，中下台阶采用预裂
爆破配合铣挖机开挖。根据现场的实测数据绘制了
采用钻爆法和铣挖机配合预裂爆破法的日变形量与
时间关系散点图，如图3所示。
暑
乓
删
翳
卜皿
累积变形时间／d
a收敛量散点图
累积变形时间／d
b下沉量散点图
图3 两种施工方法测量结果
Fig．3 The measure results 0f恤e
tw0 kind of cOnstruction methOds
由图3可见，采用钻爆法施工日均下沉量和收
敛量均要比铣挖机配合预裂爆破法要大得多，且迟
迟不能稳定，而采用铣挖机配合预裂爆破法则取得
了良好的效果。
5 结语
1)采用与围岩岩性相适合的浆液，能较好地防
止岩性在遇水后发生较大的变化，并采取双层注浆
的方式，能较好地固结软岩。
2)根据软岩隧道塑性圈理论，预留合适的变形
量与采取I临时仰拱加大拱脚施工法使围岩快速封闭
成环，对于抑制隧道的塑性变形有较好的效果。
3)对于两水隧道高地应力，不仅要让荷载卸得
充分，还要注意支护的时机适当，这就要求监测人员
将数据很好地进行分析，二衬施作要及时跟上，使二
次衬砌与初期支护一起承担围岩荷载。
4)通过在两水隧道分别采用不同的施工方法
并通过对监控量测数据进行分析，得出采用机械和
爆破相配合进行开挖，仰拱和二衬紧跟掌子面施作
是比较适合软岩隧道的施工方法，能有效保证软岩
地质隧道的施工安全。
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