摘 要：神座特長隧道長約5.5 km,隧址區屬高原寒溫帶半濕潤季風氣候，地形地質條件複雜，隧址區地層岩性主要為變砂岩、闆岩，隧道進洞80 m後，洞内圍岩開始進入更強的變質岩層中，出現千枚化，含水量較高，圍岩基本達到飽和狀态，發生泥化，在隧道初期支護完成後，現場監測發現隧道水平方向收斂嚴重。針對軟岩隧道内出現的圍岩遇水軟化、泥化、洞内較大變形、局部坍塌等危害，根據現場施工過程中監測到的隧道内圍岩變形程度及變形速率，結合高原地區施工方面的一些實際情況，參考多個項目工程實踐經驗，從多方面論證比選，在施工過程中對神座隧道支護參數做出動态調整，确保隧道施工及後期運營過程中的安全穩定。

關鍵詞：隧道工程;軟岩隧道;收斂變形;台階步距;微型樁;

随着我國交通運輸事業的高速發展，高速公路隧道數量日益增多。部分隧道地形地質情況複雜多變，很多埋深較大的隧道前期勘察階段難以準确預判隧道圍岩情況。其中，軟岩大變形隧道出現的洞内大變形問題越發頻繁。對于軟岩蠕變的力學特性和大變形演化機理，諸多學者已經從多方面、多層次開展了大量的研究工作，并取得了相應成就，在工程中也得到了實踐。

神座隧道地處高原地區，海拔3 100～3 200 m, 在高原地區修建隧道本身就存在如氣候、地下水、高寒、缺氧、交通不便、基礎設施不完善等諸多限制條件。隧道穿越圍岩在進洞80 m後遇到軟岩，在地下水的作用下出現軟化、泥化的現象。通過在施工現場的實地勘察，對掌子面圍岩、隧道初期支護變形過程的觀察，針對軟岩大變形隧道的複合式襯砌支護參數及施工工法工序進行研究，動态調整支護參數，将所得方案與現場監控量測的變形數據比較分析，可為大變形隧道的襯砌支護參數設計提供相關參考。

神座隧道設計為高速公路雙向四車道，隧道主洞建築限界如圖1所示，設計時速80 km/h; 左線全長5.564 km, 右線全長5.549 km, 為特長隧道。

圖1 隧道主洞建築限界

隧址區屬高原山地地貌，山體呈近南北向展布。隧道進口位于山體斜坡地帶，進口處發育一斜坡沖溝，地表多以草甸覆蓋，主要出露地層為碎石，進洞口所在斜坡仰角約30°。隧道出口位于高階地，下部溝谷為一泥石流沖溝，地表多以草甸覆蓋，主要出露地層為碎石，洞口仰坡平均坡度約32°。

神座隧道所處久馬高速項目地處四川西部地槽區，位居北西向鮮水河大斷裂帶與北東向龍門山華夏系構造帶之間的金湯弧形構造帶之北側，在大地構造上，為緊密線狀弧形褶皺，有背向斜40餘條，均由呈北西至南東向展布的線狀褶皺組成，稱之為馬爾康北西向構造形迹群。并且，尚伴有數條呈北西至南東向展布的壓扭性斷裂帶，承受過兩次以上不同方式和不同方向的構造運動作用，導緻老構造成分歪曲、改造、轉化和新構造運動的疊加，促進複合現象頻繁出現，地質構造十分複雜。

在區域構造背景上，由NE向龍門山構造帶、SN向川滇構造帶和NW向鮮水河構造帶在區域内形成了中國西部著名的“丫”字型構造格局。拟建項目區大地構造背景處在該“丫”字型構造之三岔口上部，即川青塊體，總體構造由NW向鮮水河構造帶控制。

隧址區屬高原寒溫帶半濕潤季風氣候，長冬無夏，春秋相連，霜凍時期漫長，幹雨季節分明，日照充足，晝夜溫差大，全年無絕對無霜期等特征。氣溫自南向北逐漸降低。受地勢地形的影響，氣候垂直分帶明顯，随海拔高程的升高，氣溫遞減。區内降雨量較多，蒸發量較大，氣候幹燥，地表植被多以草甸為主。主要氣象數據資料如下。

最熱月為7月，平均氣溫約13.1℃,最冷月為1月，平均氣溫約-6.8℃。阿壩縣标準凍深1.0 m, 最大凍深1.2 m。

降水時空分布不均，雨季多集中在每年的5月～10月，降水量634.4 mm, 占全年降水量的89.2%;年平均降水量711.3 mm, 年最大降水量(1983年)為868.9 mm, 年最小降水量(1972年)為574.9 mm; 年平均蒸發量1 253.0 mm; 年平均雷暴日數75 d。

年平均霧天日數為15 d; 年平均無霜期為33 d。年平均日照時數為2 442.8 h; 年平均風速1.5 m/s, 主導風向為北北東。

隧道進口附近地表主要河流為阿珂河，出口附近地表主要河流為阿珂河支流幹囊河。

阿柯河屬長江水系，縱貫阿壩縣境西北部及中部，境内流長75 km, 河道最寬處120 m, 最窄處30 m, 流域面積約420 km2。阿珂河位于該隧道右側，水位遠遠低于隧道的設計标高，對隧道無影響。

隧址區主要地表水系為若柯河(隧道進口附近)和幹囊河(隧道出口附近),其水量随暴雨暴漲暴跌，主要接受大氣降水、冰雪融水及地下水滲入補給，水位遠遠低于隧道的設計标高，對隧道無影響；除此之外，隧址區溝谷處發育3處小河，常年有水，分别與線路交于K76 300、K77 440、K79 200,流量分别約0.025 m3/s、0.040m3/s、0.010 m3/s。

隧址區岩體節理發育，地下水類型主要為基岩裂隙水，主要由雨水、冰雪融水沿基岩節理裂隙滲入岩體補給，徑流途徑短，交替循環強烈。由于隧址區内闆岩受地質構造影響節理發育且貫通性好，隧道開挖時基岩裂隙水或雨季地表水的入滲易引發突水、突泥等災害。

根據工程地質測繪及鑽探揭示，隧址區分布的地層岩性相對比較簡單，主要為第四系全更新統殘坡層(Q4el dl)、沖洪積層(Q4al pl),上更新統沖積層(Q3al pl),三疊系上統西康群雜谷腦組(T3z)變砂岩、闆岩，三疊系中統紮尕山群(T2zg)變砂岩、闆岩。

隧址區地層岩性主要為變砂岩、闆岩。

中風化變砂岩：密度為2.69 g/cm3,飽和抗壓強度35.01 MPa, 靜彈模量E為104 MPa, 泊松比為0.233。

中風化闆岩：密度為2.72 g/cm3,飽和抗壓強度7.62 MPa, 靜彈模量E為104 MPa, 泊松比為0.26。

受構造影響，隧址區内強風化變砂岩與闆岩互層節理發育，岩體體積節理數Jv為5～7條/m3,岩體破碎多呈碎塊狀；中風化變砂岩與闆岩互層節理較發育，岩體體積節理數Jv為4～6條/m3,岩體較破碎；強風化變砂岩節理發育，岩體體積節理數Jv為5～7條/m3,岩體破碎多呈碎塊狀；中風化變砂岩節理較發育，岩體體積節理數Jv為3～5條/m3,岩體較破碎。

根據勘察資料顯示，隧道内圍岩強風化變砂岩呈碎塊狀，岩石質量較差；中風化變砂岩受地質構造影響，節理發育，岩體較破碎，RQD值為50%～60%。強風化闆岩岩體極破碎，岩石質量差；中風化闆岩受地質構造影響，節理發育，岩體較破碎，RQD值為40%～50%。

本文主要研究段落為隧道主洞進口已施工400 m段，其圍岩分級如下。

(1)Z2K74 760～Z2K74 920(160m),Ⅴ級。

(2)Z2K74 920～Z2K75 073(153m),Ⅳ級。

(3)Z2K75 073～Z2K75 160(87m),Ⅳ級。

(4)K74 798～K74 990(192m),Ⅴ級。

(5)K74 990～K75 089(99m),Ⅳ級。

(6)K75 089～K75 198(109m),Ⅳ級。

神座隧道進口左洞Z2K74 844～Z2K74 899段設計支護參數為Vb, 初期支護采用工字鋼為I18型鋼，縱向間距60 cm, 系統錨杆采用ϕ25中空注漿錨杆，預留變形量12 cm, 超前支護采用ϕ42注漿小導管，施工工法為上下台階法，在施做完上台階後，掌子面附近初支在後續開挖過程中出現較大的收斂變形，導緻隧道初期支護部分(尤其左側拱腰處)侵入二次襯砌的限界内。

隧道左線在掘進至ZK74 898處時(該處埋深53 m)時，從ZK74 848處，掌子面圍岩出現了較多的強風化闆岩及千枚岩，現場監控量測發現掌子面附近50 m已施做初期支護段出現較大收斂變形，每天的收斂變形都達到1 cm以上。圖2、圖3和表1(觀測時間2021年4月19日10:00,溫度3℃)為隧道收斂值監控量測數據，之後的掘進過程中，未施做下台階的段落收斂變形仍維持在13～20 mm/d之間，已出現初期支護侵入二次襯砌界線的問題。

圖2 隧道初期支護與内輪廓關系

圖3 初期支護變形情況

表1 隧道收斂監控量測日報

出現較大收斂變形後，對隧道掌子面先進行噴射混凝土封閉，左側拱腰處采取補打注漿小導管及縮腳錨管的措施，變形比較大的段落在初期支護内側增加了緊貼初支表面的臨時支撐。後續施工要求采用全斷面小導管注漿的方式，并增大預留變形量至30 cm。

自隧道ZK74 840處，掌子面便已經出現強風化闆岩及千枚化闆岩，随着隧道的掘進，千枚岩的占比也越來越多，且最糟糕的是掌子面含水量較高，有股狀水流出，千枚岩遇水後泥化，用手都可以将其捏碎。圖4為現場鑽孔取芯圖片。

圖4 洞内掌子面取芯

(1)由于隧道工程的特殊性及洞内圍岩質量、地下水發育的多變性和不可預見性，隧道開挖至該段落時掌子面圍岩質量太差，軟岩遇水發生軟化、泥化後完整性降低。

(2)隧道洞内原Vc支護方案已經不适用于目前掌子面的圍岩情況，多處隧道初期支護已經侵入二次襯砌限界内，需要采取新的支護類型和新的施工工法以應對如此大的洞内變形。

(3)目前我國國内公路隧道施工中，超前支護、初期支護普遍施工工法、工藝不到位，尤其施工單位為保證洞内機械施工便利，采用上下台階法開挖，上台階初次開挖範圍達到180°,台階長度長時間處于30 m以上，造成支護時間滞後，工字鋼無法盡早封閉，最終導緻侵限。

針對神座隧道進口洞内的收斂大變形，參考相關文獻，從軟岩變形機理及變形過程出發，結合神座隧道實際情況，初步拟定了新的針對大變形段落的支護方式，如圖5,主要理念為“放、抗結合”,增大預留變形量至40 cm, 擴大隧道拱腳，拱腳鋼拱架采用弧形連接方式，錨杆采用了長(6.5 m長ϕ32自進式錨杆)短錨杆(4.5 mϕ42注漿小導管)相結合的方式，采用三台階法施工，必要時可增加臨時仰拱的支護形式。

隧道軟岩大變形段采用地層結構法進行模拟，模型岩土材料采用破壞準則簡單且計算結果相對準确的摩爾-庫倫模型。假設隧道圍岩為彈塑性摩爾庫倫材料，襯砌材料為彈性介質。計算荷載考慮岩土體自重及水平構造應力對隧道結構的影響。相應的邊界設置為左、右邊界約束水平方向位移，上下邊界約束豎直方向位移。土體采用實體單元，襯砌結構采用闆單元。圍岩壓力釋放荷載取100%。根據隧道工程設計與勘察資料，結合圍岩與地質狀況，并參考有關規範，可确定圍岩、襯砌與錨杆的數值模拟計算參數，見表2、表3。

圖5 Db型支護型式

表2 圍岩計算參數

表3 襯砌支護材料計算參數

隧道富水軟岩大變形段開挖工法采用三台階法，開挖順序為上台階-中台階-下台階。圖6為上台階、中台階、下台階襯砌施做後變形計算結果雲圖。由圖6(a)可知：上部台階襯砌施做後，最大累計變形4.75 cm, 出現在隧道上台階拱腳處；變形沿拱頂兩側呈現對稱分布，且沿一側拱頂至拱腳處變形值不斷增大。由圖6(b)和圖6(c)可知：随着隧道各分部的開挖，變形值不斷增大，最大累計變形值13.87 cm, 出現在隧道拱腰處。

圖6 計算結果雲圖

通過對比原有襯砌類型的監控量測變形值，采用Db型支護可以有效控制圍岩變形。

Vb型支護方案在實施20 m(自Z2K74 935開始)後，隧道初支日變形基本控制在10 mm/d之内。監控量測數據(觀測時間2021年6月11日11:00,溫度12℃)如表4。

在後續施工過程中根據現場實際情況動态調整各段支護方式，随着隧道掘進至Z2K74 980處，隧道的埋深已超過100 m, 掌子面圍岩質量仍未見好轉趨勢，甚至受雨季影響，圍岩泥化嚴重，累計變形量逐漸增加。圖7為施工至Z2K74 980處時，Z2K74 974處初支變形情況。

從表5(觀測時間2021年8月10日10:00,溫度12℃)中可發現，雖然每天的變形速率較小，但初期支護封閉周期太長，最終仍會累積較大變形。

表4 隧道沉降監控量測日報

圖7 隧道初期支護與内輪廓關系

究其原因主要是施工單位仍受制于高原地區施工條件的限制(上、中台階長度仍保持在20～30 m範圍内，系統錨杆的施做時機滞後，錨杆數量不足等)。

在實際施工過程中，鋼拱架拱腳處鎖腳錨杆(Db型支護在上台階和中台階兩側分别設置了兩根3 m長ϕ42×4注漿鋼管作為鎖腳錨杆)采用鋼筋焊接與鋼拱架連接，施工質量極難得到保障，大部分鎖腳錨杆的焊接都存在質量問題，導緻無法有效地限制拱腳處發生的變形，而較長的台階和20 m以上的拱架未封閉段落最終成為導緻初期支護侵限的重要原因。

針對以上情況，為避免後期再次出現初支變形侵限的情況，仍需要采取更适合現場實際情況且可靠的措施處理此軟岩大變形情況。

表5 隧道收斂監控量測日報

而隧道洞内初期支護收斂變形的控制一直以來是隧道設計和施工過程中的難題，設計與施工理念如何做到有效結合為工程的有效實施提供支持，成為神座隧道進口施工的重要問題。

因此，在參考中交一公院技術專刊《一種隧道微型樁與拱架的自鎖連接結構》、《一種隧道初期支護與微型樁組合結構》後，考慮在神座隧道進口施工處采用上下台階法或三台階法施工時，在拱腳處設置微型樁結構，來抵抗圍岩對拱架造成的壓力。微型樁設計如圖8、圖9。 圖8中1為型鋼拱架，2為導向管固定鋼闆(300 mm×200 mm×15 mm),3為ϕ50 mm微型樁注漿鋼管(管口段外壁車絲),4為ϕ76 mm微型樁導向鋼管(内壁車絲),5為鋼闆連接螺栓，6為拱架縱向連接鋼筋，7為拱架接頭鋼闆。

圖8 隧道微型樁與鋼拱架連接方式

隧道富水軟岩大變形段開挖工法采用三台階法，開挖順序為上台階-中台階-下台階，采用初期支護與微型樁組合支護結構。圖10為上台階、中台階、下台階襯砌施做後變形計算結果雲圖。由圖10(a)可知：上部台階襯砌施做後，拱腰最大累計變形0.60 cm, 出現在隧道上台階拱腳處；變形沿拱頂兩側呈現對稱分布，且沿一側拱頂至拱腳處變形值不斷增大。由圖10(b)和圖10(c)可知：随着隧道各分部的開挖，變形值不斷增大，最大累計變形值1.95 cm, 出現在隧道拱頂處。

圖9 微型樁與拱架連接整體設計

圖10 計算結果雲圖

通過對比Db型襯砌計算結構和實際施工監控量測變形了值，采用初期支護與微型樁組合支護結構極大地控制了圍岩變形。實際變形情況仍受到施工工序、質量等因素影響。

采用微型樁與隧道初期支護結合的段落(Z2K75 000之後)監控量測數據見表6(觀測時間2021年9月22日10:00,溫度6℃)。

表6 隧道收斂監控量測日報

結合高原地區現場實際施工條件及施工水平，通過結構計算，采用加強型初期支護與微型樁組合設計方案，配合合理化的施工配備，有效控制了神座隧道洞内軟岩的大變形。神座隧道進口采用此支護方式後，從2021年9月至11月(Z2K75 000～Z2K75 100),已基本沒有出現初期支護侵限的情況。

(1)高原地區氣象、施工環境、基礎設施、物資采購等各方面困難較多，現場實際情況複雜，針對此類隧道，要結合現場實際情況，采取最具時效性、安全性的措施及方案，解決現場施工問題。

(2)針對如神座隧道這樣的富水型軟岩大變形隧道，要各方積極配合，動态調整設計方案及施工工法，對現場施工單位的技術水平、工序安排、人員調配都有很高的要求。

(3)對于設計人員而言，在針對此類闆岩及千枚岩隧道時，即使隧道埋深并不大，由于地下水的影響仍有可能産生較大變形，對隧道施工造成極大困擾。

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