近年来，我国水利建设发展迅猛，长深埋隧洞工程越来越多，水利输水隧道建设技术有了长足发展。然而高地应力区软岩的大变形问题一直困扰着水利建设施工，由于构造应力不确定因素复杂，围岩自身极度软弱破碎、强度很低、地应力高，引起的软岩大变形造成初期支护严重变形，初期支护喷混凝土开裂，钢拱支架扭曲变形，初期支护完全破坏、失效，给水利隧洞工程建设施工安全与进度带来了很大的威胁。大量学者做了不少理论分析与支护措施研究，但是引起高地应力软岩大变形因素复杂性，目前隧洞高地应力软岩大变形是重要的课题。根据滇中引水工程对海东隧洞3号支洞下游主洞高地应力软岩大变形段地质情况和变形原因分析，采取相应的处理措施合理分析，提出隧洞高地应力软岩大变形处理措施创新点。

1工程概况

滇中引水工程包括水源工程和输水工程。水源工程将在丽江石鼓建设装机48万kW的大泵站提水；建筑物总长755km，其中输水建筑物总长664km，施工支洞120条，长91km。输水建筑物途经丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河6个州（市），其中隧洞总长612km，占比92%。工程以城镇生活与工业供水为主，兼顾农业和生态用水，多年平均引水量34.03亿m3，受水区为沿线6个州（市）的36个县（市、区），受益国土面积369万m2，惠及1112万人，滇中引水工程输水总干渠隧洞占比大，隧洞地质条件复杂，存在深埋隧洞施工难、地下水处理难、破碎断层穿越难、软岩大变形应对难等10大技术难题。

海东隧洞进口位于大理挖色镇长育村东约1?km左右的山谷，接大理Ⅰ段长育村隧洞末端，出口位于引洱入宾隧洞出口，出口接甸头倒虹吸。海东隧洞全长25.285km，海东隧洞设计流量135m3/s，净断面采用马蹄形，R=4.73m，宽×高=9.46m×9.46m，底坡1/4200，3号支洞下游主洞DLⅡ12+460~DLⅡ12+ 527段出现高地应力、软岩大变形。

2工程围岩特点及变形特征

2.1围岩特点

海东隧洞3号支洞进入主洞开挖后，下游工作面地层岩性为D1l深灰色薄层状钙质页岩，约占该洞段的60%，钙质粉砂岩为主夹灰黑色极薄层（缓倾）炭质页岩，钙质粉砂岩约占该洞段的20%，黑色极薄层（缓倾）炭质页岩约占该洞段20%，岩体弱风化~微风化，总体为软岩~较软岩，夹中硬岩。发育结构面4组，主要结构面平直光滑，微张~闭合，岩屑夹泥充填，发育间距一般小于10cm，延伸大于10m。岩体完整程度为较破碎，呈碎裂结构为主夹薄层结构。主要结构面走向与洞轴线夹角为34°~84°，倾角为18°~36°。掌子面局部渗水，局部顶拱滴水，隧洞埋深大于400m。

2.2变形特征

2021年4月25日凌晨，上台阶开挖至DLⅡ12+ 487.7，中台阶开挖至DLⅡ12+476，在中台阶右侧DLⅡ12+472.5进行单层Ⅰ20钢支撑初期支护立架后，在施工超前支护时，听见作业区顶拱上方发出异响，并伴随已支护段初期支护混凝土掉块，随即撤离作业区所有施工人员。26日早上，发现DLⅡ12+476~DLⅡ12+487.7段发生严重变形，顶拱出现4条环向裂缝，环向裂缝由顶拱中线向两侧延伸3~4m，裂缝宽度约1cm，伴随初期支护面大面积掉块，锁脚锚杆与钢支撑连接处多处压弯，锁脚锚杆失效后钢架扭曲变形、混凝土多处裂开。

隧洞DLⅡ12+460~DLⅡ12+476段顶拱因受DLⅡ12+476~DLⅡ12+487.7上台阶变形牵连影响，产生中等沉降变形，局部侵入衬砌净空3~10cm，且收敛尚未稳定，工作面变形如图1所示。

图1隧洞工作面变形

2.3变形原因分析

隧洞埋深大于400m，变形受残留的构造应力影响， 加上残留的构造应力，该段地应力бm约15MPa，弱风化钙质页岩Rb=8~15MPa地应力不断调整、释放，使围岩变得松弛，在地应力和地下水的作用下，围岩顶拱缓倾薄层状梁板结构突然剪切破坏，DLⅡ12+476~DLⅡ12+487.7单日最大变形速率276mm，最大累计沉降525mm，大变形发展速率快，而收敛时间慢，短时间内难以达到其稳定的收敛值，而导致初期支护在变形过程中将破坏失稳，围岩产生高应力软岩大变形，根据地质超前预报，后续开挖洞DLⅡ12+487.7~DLⅡ12+527段围岩地质条件类似于目前掌子面，为V类变形严重至极严重洞段，存在高应力软岩大变形风险。

3处理措施

首先对已发生变形的DLⅡ12+460~DLⅡ12+487.7段上台阶采取洞渣回填反压，抑制上台阶顶拱垮塌，防止出现大范围塌方。加强地质超前预报，安全监测，根据掌子面围岩地质条件，有针对性地制订开挖支护加强措施，控制变形速率及累计变形量，确保施工 安全。

3.1地质超前预报和安全监测

（1）地质超前预报。施工前进行超前地质预报，采用施工巡视和观测、TGS法和地质雷达法物探、加深炮孔探测、超前地质钻探等综合手段和分析方法，对隧洞掌子面开挖前进方向的地质条件及可能遇到的影响隧洞施工安全，或围岩稳定的重要地质问题所作的预报。

（2）安全监测。安全监测是指导软岩变形隧洞施工的一种重要手段，在隧洞监测断面顶拱、边墙布置安全监测仪器。安全监测仪器包括变形监测、锚杆应力计、钢板计等。围岩安全监测加密布设，按照安全监测规范要求加强监测频率，通过安全监测数据可及时掌握隧洞围岩动态，以分析和判定围岩的稳定性。安全监测数据也是确定预留变形量的重要依据，同时，通过对监测数据进行回归分析，还可以确定二次衬砌的合理施工时间。在施工期的安全监测中，可根据围岩类别，隧洞开挖跨度及洞体埋深情况，估算围岩的允许变形值作为围岩稳定状态的标准值。

3.2变形牵连影响段处理措施

对该段增设I20内套拱，内套拱间距1.6m/榀， 内套拱锁脚采用 42双层锁脚锚管（注浆）L=6.0m，并喷射C20混凝土厚20cm封闭；在内套拱施做完成后，采用快速初期支护后补强施工技术，顶拱先采用快速施工 51mm、L=6.0m自进式锚杆，按间排距1.5m交错布置，自进式锚杆施工完成。再对顶拱松散围岩（180°圆心角范围）进行径向注浆小导管补强加固，采用长L=6.0m、42注浆小导管，注浆小导管按环向间距1.0m、排距0.8m布置，距开挖面内3m小导管不开孔、不灌浆。

3.3严重变形段开挖支护措施

3.3.1开挖方式

开挖采用三台阶开挖，上台阶Ⅰ层采用核心土法进行施工，按“先边后中、先软后硬”“短进尺、小药量、控爆破”的原则先挖除周边岩体，做好部分开挖支护后，挖除核心土部分，最后快速进行初期支护及封闭。初期支护在7~8d内封闭成环，形成良好的结构受力体系，部分开挖是释放高应力的重要措施。开挖造孔主要采用手风钻进行，开挖进尺视围岩地质条件采用1~1.5m一个循环，周边孔采用小药量光爆。中台阶Ⅱ层采用手风钻钻孔立面开挖，进尺2~3m，设计轮廓线光面爆破。开挖渣料由2m3轮式侧卸式装载机装15t自卸汽车出渣。 掘进施工应遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、勤量测、重预报”的原则组织施工，同时要开展好掌子面往前掘进时的有毒有害气体监测 工作。同时采取三台阶五步开挖工法施工，缩短上台阶步距约6?m、中台阶适当延长步距约60m，下台阶开挖后及时施工底板横撑及垫层混凝土，确保初期支护封闭成环受力。

3.3.2支护方式

变形牵连影响段采取内套拱支护后，不再发生混凝土剥落、开裂、掉块，钢架未发生扭曲变形现象，拱顶下沉量控制在5~20mm，变形得到有效控制并趋于稳定，说明高应力软岩大变形段单层钢支撑支护钢度不能要求，可采用双层支护施工，具体措施如下。

（1）超前支护。因围岩破碎，围岩开挖后不能自稳，为防止顶部围岩发生坍塌，在掌子面掘进前，采用超前支护，采用顶拱180°范围布设 42超前注浆小导管，L=4.5m，间距0.3m，排距3m，搭接1.5m，通过注浆小导管将水泥浆强制注入拱部岩石裂隙内，浆液和破碎的岩石胶结形成一个整体性较好的胶结体拱状壳，提高围岩稳定性及开挖作业的安全性，防止坍塌。

（2）初期支护。初期支护采用“先让后抗”的支护理念，每个循环开挖后及时进行让压锚杆、挂网、钢支撑、喷混凝土等初期支护，开挖预留变形量为20cm，使变形量控制在允许范围内。每个循环对上台阶掌子面喷射8cm混凝土封闭，减少围岩在空气暴露时间，立双层I22型钢支护，先施工第一层支护、支护3m后跟进第二层支护，第二层钢架安设于第一层钢架之间，上台阶内层和外层钢支撑采用[16号槽钢连接，[16号槽钢间距1m，形成双层支护效果。顶拱边墙打设 25让压锚杆，L=6.0m，间距1.25m，排距1.25m，前后交错布置，挂网钢筋8@150，喷44cm厚C20粗纤维混凝土。底脚设20号工字钢横撑及 20cm厚浇筑C20素混凝垫层，底脚工字钢横撑与双层I22型钢支护封闭成环。钢支撑单元上台阶连接板为16mm厚钢板并设置角钢加劲肋，上台阶锁脚采用双层 42注浆锁脚锚管，L=6.0m，并在钢支撑内弧焊接8mm厚锁脚定位钢板固定，上台阶钢支撑底脚采用C20混凝土垫块垫实，每个台阶的拱脚板位置设置C20混凝土垫块垫脚处理，垫块尺寸为30cm（长）×30cm（宽）×30cm（高）。

4措施合理性分析

通过安全监测断面的收敛监测资料，典型收敛监测点位移与时间变化过程如图2所示，基准值时间为2021年5月23日，累计收敛测值为0.7~28.5mm，收敛监测点位移除在2021年10月31日开挖落下台阶时位移变化相对较大外，收敛监测断面收敛测值及变化量较小，未见异常情况，初期支护抑制围岩变形，围岩是稳定的，2021年12月19日后可以为二次衬砌施工提供条件。

图2位移与时间变化过程

通过监测断面的锚杆应力分析，锚杆应力计应力与时间变化过程如图3所示，基准值时间为2021年9月19日，测锚杆应力为0~31.4MPa，锚杆应力计应力除在2021年10月31日开挖落下台阶时锚杆应力变化相对较大外，其余锚杆应力锚杆支护应力的发展趋势相对稳定，2021年12月19日后可以为二次衬砌施工提供条件。

图3应力与时间变化过程

通过安全监测断面的钢板计分析，钢板计应变与时间变化过程如图4所示，基准值时间为2021年7月27日，钢板计实测钢拱架应变0~30με，钢板计实测钢拱架应变除在2021年10月31日开挖落下台阶时钢板计应变变化相对较大外，其余钢板计实测钢拱架应变的发展趋势相对稳定，2021年12月19日后可以为二次衬砌施工提供条件。

图4应变与时间变化过程

5处理措施创新点

（1）在内套拱施做完成后，采用快速初期支护后补强施工技术。先采用快速施工自进式锚杆先初步定稳顶拱松散围岩，自进式锚杆施工完成后，对顶拱松散围岩再进行径向注浆小导管补强加固措施，确保围岩稳定。 采用快速施工自进式锚杆，注浆小导管补强施工技术，分期施工，标本兼治，解决了传统单纯径向注浆小导管控制围岩变形不及时的问题，保证了施工安全和施工进度。

（2）通过三台阶部分开挖的时空效应将洞周边一定范围内的应力逐步释放，从而降低周围围岩应 力，对隧洞初期支护结构应力分布有调节作用，进而达到有效控制围岩变形、保持隧洞初期支护结构基本稳定，有效控制了掌子面的挤出变形及溜坍，确保隧道掘进安全。

（3）采用三台阶上部核心土施工技术，实现了散体结构构造高应力软岩隧洞施工中速挖、速支护及速封闭，隧底初期支护紧跟。初期支护在短时间内封闭成环，形成良好的结构受力体系。为了保证利用好围岩自身的承载能力，开挖后及时施作支护，尽快尽多地将围岩的松动圈转变为承载拱，确保了隧道结构的整体安全和有效控制变形。

（4）上台阶支护位置设置双锁脚锚管，并在钢支撑内弧焊接连接钢板，以定位锚管。锚管浆液在围岩内扩散，形成较强固结体，以提高围岩强度，有效给钢支撑作用力，加强支护结构锁脚的稳定性，防止锁脚处拱架突出变形，使拱架受力更趋均匀，避免拱架节点处因应力集中而破坏，改善受力，提高锁脚强度和拱架整体稳定性，对围岩形成的约束，特别中下台阶落脚时抑制围岩的变形。

（5）在实施过程中不断吸收国内先进技术，结合大变形隧道围岩变形时空效应的规律特点，分析软岩大变形段双层支护的工艺原理及二次支护施作时机，按照分部位、分工序、平衡及限时的原则和理念，采用“先让后抗”的支护理念，让压锚杆施工、开挖预留变形量、双层支护提供其较高支护约束变形能力的条件下，允许其随围岩变形产生一定的位移量，以释放大部分围岩压力，双层支护、让压锚杆可持续提供较强承载的支护体系，解决隧道高应力围岩大变形的初期支护难点，实践证明比较行之有效。

6结论

通过收敛监测点、锚杆应力计、钢板计安全监测分析，得到如下结论。

采用三台阶上部核心土施工技术，有效控制掌子面挤出变形及溜坍，确保隧洞掘进安全；上中台阶支护位置设置双锁脚锚管，锚管浆液在围岩内扩散，形成较强固结体，提高围岩强度，有效给钢支撑作用力，加强支护结构锁脚的稳定性，防止锁脚处拱架突出变形；在实施过程不断吸收国内先进技术，结合大变形时空效应的规律特点，软岩大变形段采用双层支护，按照分部位、分工序开挖和“先让后抗”的理念进行初期支护施工，解决初期支护难点。