软弱围岩在高海拔的滇西北地区分布较广。强风化软弱围岩开挖后变形量大, 受节理裂隙的影响, 随着微裂隙的扩张, 极易产生整体滑移破坏现象;并且水对软弱围岩的抗压强度影响很大, 软化系数η=0.52, η越低, 含水量越高, 则围岩抗压强度越低, 反之亦然。高海拔地区雪山较多, 雪融水产生的地上、地下水系使岩体含水量丰富。软弱围岩在三轴围压试验中, 随着围压的增加, 岩石会以剪切破坏为主, 变形量也会增大。在低围压条件下, 岩石会以块体滑移破坏为主。高海拔地区的高地应力更加剧了炭质软弱围岩隧道地质灾害的发生。尤其是对于大跨度隧道而言, 如果支护强度不足或支护不及时, 会发生塌方冒顶或二次衬砌严重开裂现象, 会给工程施工的安全性造成严重威胁。围岩发生较大沉降并最终导致隧道围岩的整体失稳, 如果处治不当, 将导致后期运营维护费用大幅度增加。

香丽高速公路主线长124.927km, 起点位于迪庆藏族自治州香格里拉市以南的盖松村, 通过香格里拉连接线连接国道214线, 德钦—香格里拉段, 经小中甸、土官村、虎跳峡、松园桥, 止于丽江白汉场, 接大丽高速公路, 全长124.55km;属构造侵蚀、溶蚀中山地貌, 峰顶多呈浑圆形, 地形波状起伏, 山谷相间, 谷地多呈V形, 河流中等切割呈树枝状, 海拔在1 800.000～3 500.000m, 路线地势总体西北高东南低, 境内山峦纵横、地形险峻, 大雪山并列耸立于金沙江两岸, 东南部有哈巴雪山、玉龙雪山, 西部为怒山山脉, 北部为梅里雪山;气候为“一日多变化, 一山分四季”立体气候。

全线23座隧道, 隧道地处位置具有以下特点:①“三高一脆弱” 高地震、高海拔、高差大, 生态脆弱, 地震基本烈度为8度;②“三复杂” 地质复杂、地形复杂、气候复杂。穿越多条断裂带有冲江河断裂带、花椒坡断裂带、土官村断裂带、阿里洛断裂带、龙蟠—乔后断裂带, 地质复杂、断层、滑坡层节理裂隙特别发育;隧道围岩差, 洞口多为Ⅳ, Ⅴ级砂石堆积体破碎型围岩, 偏压情况突出;隧道主洞多数穿越Ⅴ级强风化软弱围岩。

全线有16座隧道其洞口段基本为全风化黑色、黄褐色、灰褐色、角砾成分软弱围岩结构。暗洞段受地震带影响, 地形切割极为强烈, 造岩条件极为复杂活跃、岩层走向翻转、扭曲强烈, 岩质均为中风化或强风化软弱板岩结构, 其原岩为泥质、粉质变质形成, 沿板理方向可以剥成薄片, 其厚度在0.1～2cm, 岩性松软, 软弱破碎, 遇水变软呈泥浆状, 自稳性极差, 极易造成隧道工程施工中的地质灾害。在本条公路施工中, 16座隧道在施工过程中均因软弱围岩、高地应力等地质原因引起各种不同类型的病害。已发生病害的主要类型有边仰坡垮塌、浅埋段套拱垮塌、暗洞段拱顶下沉、周边收敛较大、二衬及仰拱开裂等。

由以上地质资料可知, 隧道洞口多位于V形峡谷的陡岩之处。隧道紧邻海拔5 395.000m的哈巴雪山脚, 底部峡谷有金沙江的支流冲江河等流经。受地形所限, 隧道洞口边仰坡的设计坡度均较为陡峭, 虽按设计采取小导管地表注浆、锚网喷等支护形式对其进行防护, 但仍发生边仰坡失稳、滑塌等情况。

山区隧道多处于V形峡谷内, 且坡面多为堆积体。受地形所限, 为最大限度地保持本地脆弱的生态环境, 多数设计边仰坡坡度较陡, 受雨季较长、大气降水影响, 地表水长时间不间断从环形截水沟底部及其他路径渗入, 导致局部边坡土层或堆积体自重加大, 从而引起边仰坡失稳。

在软弱围岩地质情况下, 虽采取地表注浆、喷锚防护等措施, 但由于滑动面线较多, 部分注浆无法达到滑动面以下进行有效固结, 所以效果不明显。小导管地表注浆、锚网喷防护形式不足以抵抗具有下滑趋势的失稳体下滑力等。

高海拔炭质软弱围岩岩体本身自稳能力极差, 加上地形陡峭, 在外部施工扰动和大气降水持续作用下, 形成大面积错动的不稳定滑移体, 通过摩擦力的传递带动更多软弱围岩失稳, 到一定临界值后, 边仰坡迅速滑动坍塌。

根据现场实际情况及原因分析, 采取如下措施。

首先清除松散体, 尽量保持已基本稳定的地形地貌, 再采取锚索框格梁上边坡稳固措施。其肋柱嵌入深度、锚索根数、长度等技术支护参数, 根据现场不同土质情况及试验段数据等由四方 (业主、设计方、监理方、施工方) 现场确定;在施工中其注浆压力为0.4～0.8MPa, 张拉必须待结构混凝土达到龄期后方可施作, 张拉预应力参照日本VSL锚固工程规范规定, 其计算公式为:P=P_X-ε (P₀-P_i) /ΔL, 其中P为施工时所需施加的预应力;P_X为锁定后所获得的预应力;ε为锚楔压缩量;P₀为最大试验荷载;P_i为初始试验荷载;ΔL为试验最大荷载与初始试验荷载下的变形量。预应力分3～5级循环张拉。

在垮塌范围下方施作2～3排ϕ108×6注浆钢管桩, 梅花形交错布置, 其深度由四方代表根据现场钻孔渣样而定;其目的是为了阻止和稳固局部边坡下滑。该工序需在锚索框格梁实施前施作完成。

①原设计的洞口端墙较为薄弱, 结合现场稳固情况及一段时间边坡位移观测情况, 适当加强端墙的断面结构设计, 并在两侧较薄弱处设置重力式挡土墙, 其长度在7～10m/段 (见图1) 。该措施目的在于有效保证隧道洞口安全性。②在洞口与洞口两侧及洞口间设置桩基式挡土墙, 桩长根据钻孔取样确定, 其目的在于增加洞口横向约束, 有效和洞口挡墙一起抵抗非规则滑动面线上部传递土压力和其他非均匀传递力。其设计如图2所示。

以上措施要点为:①锚索框格梁和路基设计及施工有重要区别:路基在于其边坡须刷成一定坡度, 保证整体的受力状况, 而隧道边仰坡在于尽量根据原有已稳固的地形地貌, 多段设计与施工, 重点约束不稳定地段;②根据现场实际情况, 采取多种手段约束滑移体, 确保洞口段稳固。

按照本条线路设计, 本区域内隧道洞口段多为 30～35m 长管棚超前支护结合V级围岩相关的支护参数设计, 开挖工法一般采用单侧壁开挖法及双侧壁开挖法等。按设计施工完成后, 部分隧道开挖至10～20m进尺后出现整体塌方情况。

隧道浅埋段地质情况多为以碎石土或块石土为主的坡积土或全风化炭质软弱围岩, 其自稳定能力极差, 套拱不足以抵抗边坡山体开挖后重新分配的应力。

在强地震带和断裂带区域, 因特殊的成岩过程, 软弱围岩可延续整个山体, 长管棚设计长度不能有效穿越不良地质段;且由于各种原因影响, 长管棚内所注入浆液存在溢散不均匀或部分浆液扩散严重偏向一边的情况, 未能将洞口上边坡土体固结成整体的效果 (即形成一个完整的环形稳固体, 起到第1道防线的作用) 。

在坡面注浆小导管 (或砂浆锚杆) 和大管棚注浆范围内存在一个未固结层, 即存在一个“夹心”, 该“夹心”属于破碎及松散层, 在雨季雨水通过各种途径渗透后, “夹心”自重急剧增加, 造成坡体整体滑移, 从而导致套拱垮塌。

根据先防护后施工的原则, 先对塌方体进行全部清理, 再根据现场实际情况进行锚索框格梁施工 (施工办法同2.2节1) ) (见图3) 。

在大管棚施工放线时, 预留20cm扩展度, 用I18加工成弧形形成内支撑 (参照初期支护钢拱架的施工方法) , 确保套拱安全且受力均衡。

在大管棚施工时, 先进行试钻, 通过试钻取得渣样进行分析, 确定管棚可靠长度;并取得钻机钻速等参数, 确保施工顺利进行;同时采取跟管方式, 确保大管棚顺利打入。严格按照注浆工序施工, 确保注浆压力, 确保注浆密实度达到90%以上。

通过以上3种措施能避免洞口浅埋段套拱坍塌, 保证安全进洞。

隧道洞身开挖一般按台阶法施工, 分台阶依次进行, 在中台阶 (或下台阶) 施工时, 上台阶 (或中台阶) 开始出现较大的拱顶下沉、周边收敛现象, 致使在使用型钢拱架进行支护连接时, 隧道支护轮廓已发生变化;初期钢拱架支护完成闭合后, 受其拱顶下沉、周边收敛影响, 出现不同情况的喷射混凝土开裂、型钢拱架扭曲变形、连接螺栓断裂、支护结构受压后整体下沉、喷射混凝土与锚杆、导管脱离等现象 (见图4) , 严重者初期支护已侵入二次衬砌净空。

高海拔地区的隧道大多处于地震带, 本地区的地震烈度为8度, 其断裂极为发育。隧道穿越的岩层均大多属于软弱围岩, 岩体内残留大量地震应力, 应力对岩体持续发生受力作用。从掌子面来看, 岩层走向紊乱、扭曲严重。在初期支护完成后, 应力重新分配严重不均, 围岩自稳能力极差, 局部围岩压力已超设计极限值。

软弱围岩地质情况下, 其存在遇水软化且严重失稳, 对初期支护的压力较大;设计时对该地质情况下的水文情况考虑欠妥, 未设计隧底排水设施, 致使围岩裂隙水无法引排, 长期浸泡隧道基底, 造成隧道整体结构失衡, 从而引起局部受力严重不均匀等。

在设计时, 由于地质勘察不详或其他原因, 未充分考虑开挖后围岩应力重新分布过程的不均匀性, 在初期支护受力严重不均匀分布情况下, 发生钢拱架扭曲变形, 从而导致初期支护完成后拱顶下沉、周边收敛过大现象。

在病害段及病害前后5m范围内设置临时环状钢支撑, 凿除局部起壳、松散部分的围岩, 并采用喷射混凝土 (水灰比为1∶1) 补平。

适当增加径向ϕ42注浆小导管密度;每环工字钢增加2～3道ϕ42锁脚小导管;对侵限段, 将I18a换成I22b进行换拱处理, 工字钢间距由60cm调整为50cm。对于侵限严重的部位, 为增强初期支护抵抗周边收敛的承载力, 锁脚部位采用ϕ89小导管代替ϕ42小导管。

对于已被严重破坏了原有设计形态的钢拱架 (扭曲、变形等) 及超限部分钢拱架进行换拱处理, 施工工法为逐榀逐单元更换, 换一单元加固一单元的锁脚。

二次衬砌开裂的情况多数于施作完成后的 15～20d开始出现。前期为向掘进方向以30°～45°出现斜向裂缝, 渐渐发展为网状裂缝, 随着时间推移, 裂缝宽度增加不明显, 只是在数量上不断增加。

受初期支护拱顶下沉、周边收敛影响, 其应力远超设计值, 初期支护已不足以承受增加的变化应力, 且突破二衬防线所致。

隧道开挖后, 在岩体中形成一个自由变形的空间, 原来处于积压状态的围岩由于失去支撑而发生向洞内松弛变形, 若这种变形超过围岩本身所能承受的张力, 围岩便会发生破坏并从母岩中脱落形成坍塌、滑动。岩层的产状与隧道走向的组合关系会形成不同的力学关系, 特别是在落层状片岩区域, 隧道在地质结构面形成严重偏压。

这种情况多发生在二次衬砌混凝土浇筑完成后, 仰拱在2～7d中部隆起, 从而发生仰拱沿中线及中线两侧纵向开裂, 裂缝宽度随时间推移有所发展。

当二次衬砌浇筑成环后, 整个二衬形成完整受力体系, 隧道中上部周边压力沿衬砌结构传递到仰拱底部, 因隧底无排水设施, 隧底长时间受围岩裂隙水浸泡或其他原因, 造成在受力最大的隧底两侧角偏软, 从而在仰拱底中部形成向上反作用力, 导致仰拱向上隆起, 形成上宽下窄的裂缝 (见图5) 。

在施工时, 仰拱开挖、钢筋弯制、混凝土浇筑等环节未严格把关, 导致隧底仰拱弧度未达到设计要求, 从而导致仰拱中部抵抗力无法满足设计最大抵抗力要求。

1) 隧底两侧增加钢管桩措施, 达到分散应力作用, 减小对中部的挤压力。在洞内二衬、仰拱开裂段隧道两侧拱脚处设2排ϕ108×6注浆钢管桩, 对拱脚进行锁定, 采用无缝钢管, 螺栓口连接, 纵向间距100cm, 钢管长9m (见图6) , 钢管桩孔内设置4根ϕ22 HPB300钢筋制作而成的钢筋笼以增强桩的强度, 目的在于锁住隧底两脚, 同时分散边墙传递来的压力, 减小由隧底两侧向仰拱中部挤压的应力, 防止仰拱产生纵向裂缝。

2) 仰拱填充面层加固。洞内二衬、仰拱开裂段仰拱基底采用ϕ89×4注浆钢管, 每根长4.5m, 间距1m×1m, 梅花形布置。注浆材料为水泥浆, 浆液浓度应根据岩体条件加以调整, 参考如下:水泥浆的水灰比为1∶1;注浆初始压力0.5～1.0MPa, 终止压力2.0MPa。其目的是加强仰拱部分的整体刚度及受力均衡性, 抵消部分负弯矩力从而避免裂缝产生 (见图7) 。在处治过程中, 对于隧道基岩节理裂隙发育, 局部地下水较多且流速较快, 水泥浆凝固速度慢或难以固结的段落, 应改为注双液浆 (水泥浆+水玻璃) 处理, 大大提高现场注浆效果。

3) 在仰拱开挖后, 增加环向盲沟, 在盲沟内埋设环向单壁打孔波纹管作为环形盲管, 目的在于将拱底的承压水通过打孔波纹管排至边侧沟, 达到防止隧底被水掏空、减小隧底压力作用。

4) 对于二衬开裂首先进行监控观测处理, 如裂缝无发展趋势, 对于0.15mm以上裂缝用专用浆液进行专业灌缝处理, 对于0.15mm以下裂纹进行封闭处理 (如果裂缝有较大发展趋势或情况严重, 需由设计院检算, 另行处理) 。

从香丽高速公路多座隧道发生以上类似病害的整治效果看, 病害情况均得到有效抑制, 各项指标达到规范、标准及设计要求;治理效果良好, 达到预期目的。

在强风化软弱围岩隧道施工中, 其地质复杂多变, 常常会引起病害发生, 增加施工成本。针对该种情况下的隧道施工, 施工中重在预防, 预防措施包括以下几方面。

1) 重视超前地质预报, 加强监控量测工作。在施工过程中, 根据超前地质预报结果, 认真分析和判断前方的地质情况, 是否有空洞、富水松软等, 结合现场观察结果, 判断围岩的岩质、岩性及岩层走向情况, 一旦发现异常, 及时调整施工工法及变更工作, 同时做好预防措施。在软弱围岩及复杂地质条件下施工时, 加强对初期支护的监控, 根据围岩初期支护监测结果, 对初期支护体系及围岩压力变化与变形情况做出及时判断, 为动态设计提供有力依据, 以便设计方及时调整支护参数。

2) 在施工过程中, 要严格按照规章、规范、技术文件及设计图纸施工, 严禁蛮干和冒进。严格遵守“短进尺、弱爆破、管超前、严注浆、强支护、早封闭、勤量测”的21字方针。

3) 隧道施工防止水害尤为关键。在不良地质施工时, 及时采取措施处置, 如封堵、疏导集中排放等, 必要时采取井点降水, 或编制独立的施工专项方案。

4) 在隧道变形病害发生后, 及时做加固工作。及时启动应急预案, 防止事态发展。特别是收敛变形及拱顶下沉病害, 根据不同情况采用护拱钢架或木支撑采取局部支撑、顶撑、扇形支撑等临时防护措施, 配套进行加密锁脚、径向小导管, 并严格进行导管注浆, 确保施工安全。

5) 对于洞口段施工, 一定要本着“先防护后进洞”的原则, 环形截水沟、吊沟、边侧沟均要先完善;同时在清表和刷坡时要注意观察土质类别或岩石类别及走向, 判断是否有危险性, 及时调整边仰坡的防护方案, 防患于未然。

本文主要针对滇西北地区香丽高速公路强地震带、强风化软弱围岩地区软弱围岩隧道工程施工中的突出问题, 进行罗列并对产生原因进行初步分析, 提供治理措施与治理效果, 为以后设计方及相关施工方在类似工程建设提供参考依据。