富水蝕變巖大斷面高速鐵路隧道開挖大變形控制技術(shù)

聶 林，陶志平，周德培，楊 濤

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.成都城建投資管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610015)

富水蝕變巖大斷面高速鐵路隧道開挖大變形控制技術(shù)

聶 林1，2，陶志平1，周德培1，楊 濤1

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.成都城建投資管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610015)

以富水花崗巖侵入蝕變帶區(qū)域高速鐵路隧道建設(shè)為背景，對隧道開挖圍巖變形控制技術(shù)進(jìn)行研究。運(yùn)用隧道工程理論、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等技術(shù)與方法，提出了從全斷面開挖法、臺(tái)階法、CD法到CRD法的安全度逐漸增加的隧道開挖方法，確定了避免富水花崗蝕變巖進(jìn)一步應(yīng)變軟化和力學(xué)參數(shù)弱化的隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及其參數(shù)，得出了適當(dāng)加大預(yù)留變形量結(jié)合襯砌緊跟的施工工藝。實(shí)踐表明，按研究出的開挖方法和支護(hù)方案進(jìn)行施工，可以有效控制隧道圍巖大變形而使變形快速收斂，能夠減少侵限處理工作量，并確保富水花崗蝕變巖隧道開挖時(shí)圍巖穩(wěn)定和地下工程結(jié)構(gòu)安全。

隧道工程 大變形 控制技術(shù) 富水蝕變巖 高速鐵路

目前正在大力進(jìn)行公路、鐵路、水利和其他基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)，特別是國家重點(diǎn)規(guī)劃的高速鐵路施工，涉及的區(qū)域極廣，工程地質(zhì)復(fù)雜多變。如在桂東和粵西地區(qū)的花崗巖侵入蝕變帶地質(zhì)區(qū)域內(nèi)就必須修建大量的大斷面高標(biāo)準(zhǔn)的鐵路隧道，這給工程進(jìn)度與安全帶來了極大的影響[1-2]。當(dāng)在花崗巖侵入蝕變帶地質(zhì)條件下，尤其是富水地層中進(jìn)行隧道開挖時(shí)，將不可避免地出現(xiàn)圍巖不規(guī)律變形甚至突水突泥現(xiàn)象，從而導(dǎo)致施工過程中隧道圍巖不穩(wěn)定和隧道結(jié)構(gòu)不安全。而對于花崗巖蝕變帶特殊的巖體結(jié)構(gòu)和地下水條件，目前尚無成熟的施工工藝和較為可行的支護(hù)措施，是當(dāng)前高速鐵路隧道工程設(shè)計(jì)和施工等單位和工程人員密切關(guān)注的重大難題。

清水隧道位于新建洛湛鐵路洪塘至岑溪段安平—糯垌區(qū)間，所在區(qū)段為典型的蝕變巖工程地質(zhì)區(qū)域。進(jìn)口里程DK439+346，出口里程 DK442+782，全長3 436 m。開挖進(jìn)洞圍巖穩(wěn)定性極差，其圍巖為黃褐色硬塑狀并夾少量砂巖質(zhì)碎石角礫的粉質(zhì)黏土。當(dāng)隧道出口上半斷面掘進(jìn)至DK442+752時(shí)，支護(hù)跟進(jìn)至里程DK442+752.5，其圍巖變?yōu)橛鏊蟪庶S色飽和粉砂狀的砂巖夾頁巖全風(fēng)化帶。一旦遇水，會(huì)發(fā)生初噴混凝土脫落及連續(xù)掉塊現(xiàn)象，緊接著圍巖就會(huì)出現(xiàn)大變形，甚至拱部出現(xiàn)塌方并伴隨出現(xiàn)高約4 m寬6.4 m長5 m的塌腔。

由上可知，因工程地質(zhì)條件特別是富水花崗巖侵入蝕變帶會(huì)引起隧道開挖大變形甚至塌方，以至嚴(yán)重影響工程建設(shè)的質(zhì)量、安全和進(jìn)度。必須對在此地質(zhì)區(qū)域范圍內(nèi)建造大斷面鐵路隧道的施工技術(shù)，尤其是大變形控制技術(shù)進(jìn)行研究，以確保工程順利進(jìn)行。

1 開挖方法與作業(yè)順序

參考隧道工程理論與技術(shù)[3-4]，對蝕變巖工程地質(zhì)區(qū)域隧道開挖，主要采用進(jìn)出口雙向掘進(jìn)，上中下臺(tái)階法施工。依據(jù)實(shí)際情況，開挖方式按全斷面開挖法、臺(tái)階法、CD法到CRD法的安全度逐漸增加。當(dāng)遭遇破碎帶時(shí)，超前5 m左右改變開挖方式。即若原來采用全斷面開挖法則改為臺(tái)階法或變?yōu)镃D法甚至CRD法進(jìn)行施工。另外，如果遇到軟弱圍巖或破碎圍巖，支護(hù)也適當(dāng)加強(qiáng)，如將超前錨桿改為超前小導(dǎo)管。超前小導(dǎo)管采用外徑φ42 mm，壁厚3.5 mm，長3.5 m的熱軋無縫鋼管，沿管壁間距100～200 mm，呈梅花形布設(shè)注漿孔，孔位互成90°，孔徑6～8 mm。為防止孔洞中漏漿，孔口段留1 m不鉆孔，鋼管前端焊成尖錐形，尾端焊上φ6的鋼筋加勁箍，具體見圖1。

圖1 超前小導(dǎo)管結(jié)構(gòu)與布置(單位:mm)

2 圍巖大變形控制技術(shù)方案

在富水蝕變巖條件下進(jìn)行隧道開挖，必須結(jié)合實(shí)際情況確定支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及其參數(shù)，并根據(jù)開挖過程中圍巖變形特征與規(guī)律對其進(jìn)行優(yōu)化。依據(jù)隧道支護(hù)技術(shù)[5-7]，確定出清水隧道支護(hù)方案及其參數(shù)見表1。

表1 擬定的支護(hù)方案及其參數(shù)

另外，為了減少侵限處理，把原先設(shè)計(jì)預(yù)留變形量7 cm提高為60 cm，最大段預(yù)留100 cm變形量，同時(shí)采取襯砌緊跟施工。

3 大變形控制效果

按前面提出的開挖方法和支護(hù)方案進(jìn)行施工后，為了確定隧道圍巖變形能否得到有效控制，以及控制效果是否令人滿意，在此對其進(jìn)行數(shù)值模擬，并用現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 計(jì)算模型與圍巖力學(xué)參數(shù)

以較為典型斷面建立計(jì)算模型，共離散為18 520個(gè)節(jié)點(diǎn)和13 304個(gè)單元。

對遇水后較為軟弱的Ⅴ級圍巖進(jìn)行分析，其圍巖力學(xué)參數(shù)取值為:彈性模量 E=1 GPa，泊松比 μ=0.39，初始黏聚力 c=100 kPa，內(nèi)摩擦角 φ =25°。因遇水后圍巖將會(huì)軟化，據(jù)此確定殘余狀態(tài)的黏聚力和內(nèi)摩擦角如表2所示。

表2 圍巖殘余狀態(tài)力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

參照前述計(jì)算模型及相應(yīng)圍巖力學(xué)參數(shù)，分別對圍巖無應(yīng)變軟化及圍巖具有應(yīng)變軟化特性時(shí)具有不同最終殘余抗剪強(qiáng)度共三種典型工況進(jìn)行計(jì)算和分析。據(jù)此獲取富水蝕變巖條件變化時(shí)的圍巖變形特征，進(jìn)而分析采取合理支護(hù)措施后的大變形控制效果。

當(dāng)圍巖無應(yīng)變軟化時(shí)，巖體的力學(xué)性質(zhì)符合理想彈塑性體，其Ⅴ級圍巖不同支護(hù)強(qiáng)度時(shí)位移收斂曲線如圖2所示。

圖2 圍巖無應(yīng)變軟化的隧道變形特性

由圖2可知:①當(dāng)Ⅴ級圍巖采用Ⅳ級支護(hù)時(shí)，圍巖收斂位移發(fā)展較為迅速，前期位移增長呈直線型，位移超過0.15 m后曲線斜率逐漸趨緩，但位移仍然持續(xù)發(fā)展，最終超過了警戒位移0.2 m，也即Ⅴ級圍巖不適合Ⅳ級支護(hù);②如果采用Ⅴ級支護(hù)，位移＜0.15 m時(shí)，收斂曲線仍呈直線型，超過0.15 m后，位移逐漸趨緩，最終收斂且最大值沒有超過0.2 m;③采用Ⅴ+和Ⅵ級支護(hù)時(shí)，圍巖收斂位移更小，僅略超過0.1 m;④采用Ⅵ+(Ⅵ級加強(qiáng)支護(hù))，最終收斂位移僅0.025 m。

當(dāng)圍巖具有應(yīng)變軟化特性且最終殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=60 kPa，φ=19°時(shí)，其Ⅴ級圍巖不同支護(hù)強(qiáng)度時(shí)位移收斂曲線如圖3所示。

圖3 圍巖應(yīng)變軟化的隧道變形特性

由圖3可知:①當(dāng)采用Ⅴ級支護(hù)時(shí)，不足以保證圍巖收斂，其位移持續(xù)發(fā)展，基本上呈等斜率的快速增長，最終收斂位移超過了0.2 m的警戒位移;②采用Ⅴ+級支護(hù)，前期位移發(fā)展呈直線型增長，后期逐漸趨緩，增長斜率變慢，最大收斂位移達(dá)到0.15 m左右;③采用Ⅵ級支護(hù)，位移發(fā)展趨勢與Ⅴ+級基本相似，最終收斂位移約為0.12 m;④采用Ⅵ+級支護(hù)，則位移迅速收斂，最大收斂位移僅為0.04 m。

當(dāng)圍巖具有應(yīng)變軟化特性且最終殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=40 kPa，φ=15°時(shí)，其Ⅴ級圍巖不同支護(hù)強(qiáng)度時(shí)位移收斂曲線如圖4所示。

圖4 圍巖應(yīng)變軟化的隧道變形特性

由圖4可知:① 當(dāng)采用Ⅳ級或Ⅴ級支護(hù)均不能保證圍巖位移收斂，位移呈等斜率增長，沒有變緩的趨勢，最后位移都會(huì)超過0.2 m的警戒值;②采用Ⅴ+支護(hù)，位移在0.1 m以下呈直線型增長，超過0.1 m后逐漸趨緩，最終收斂，最大值約為0.16 m;③采用Ⅵ級支護(hù)也有類似Ⅴ+支護(hù)的位移發(fā)展趨勢，但最終收斂位移值約為0.13 m;④采用Ⅵ+級支護(hù)，則位移迅速收斂，最大收斂位移僅為0.04 m。

經(jīng)過上述三種典型力學(xué)特性圍巖在不同支護(hù)下的收斂位移對比可見，由于圍巖的力學(xué)特性不一樣，其在不同支護(hù)強(qiáng)度下的圍巖收斂曲線也不一致。因此，在施工中應(yīng)根據(jù)圍巖收斂曲線的特征和工程中對圍巖收斂位移的控制要求，選擇合理強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)。盡量一次性支護(hù)到位，以保證圍巖安全，從而避免圍巖進(jìn)一步應(yīng)變軟化和力學(xué)參數(shù)弱化。

3.3 實(shí)際監(jiān)測結(jié)果

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對現(xiàn)場支護(hù)加強(qiáng)的I20b工字鋼拱架后進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測，數(shù)據(jù)列于表3。表3監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場其他測試數(shù)據(jù)表明，在采取較強(qiáng)的支護(hù)參數(shù)后，開挖后圍巖初始變形較大，往后逐漸減小并最終趨于收斂，與計(jì)算分析結(jié)論基本相符。

4 結(jié)論

1)在富水花崗巖侵入蝕變帶區(qū)域進(jìn)行隧道開挖，容易出現(xiàn)大變形甚至塌方，嚴(yán)重影響工程建設(shè)質(zhì)量、安全和進(jìn)度。工程施工中必須采取合理的大變形控制技術(shù)，以確保工程順利進(jìn)行。

2)按本文研究出的開挖方法和支護(hù)方案進(jìn)行施工，可以有效地控制隧道圍巖大變形。為了減少侵限處理工作量，采取適當(dāng)加大預(yù)留變形量加襯砌緊跟施工的方法能夠獲得較好的效果。

3)因富水花崗蝕變巖的力學(xué)特性較為復(fù)雜，在施工中應(yīng)選擇合理強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，盡量一次性支護(hù)到位，以保證圍巖安全，從而避免圍巖進(jìn)一步應(yīng)變軟化和力學(xué)參數(shù)弱化。

表3 清水隧道圍巖收斂變形特征值

4)鑒于富水蝕度花崗巖變形軟化較為復(fù)雜，對其隧道施工技術(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)還應(yīng)大力研究。

[1]聶林，陶志平，周德培，等.富水蝕變巖隧道開挖大變形特征分析[J].鐵道建筑，2012(5):1-5.

[2]易萍麗.現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國鐵道出版社，1997.

[3]郭陜云.論我國隧道和地下工程技術(shù)的研究和發(fā)展[J].隧道建設(shè)，2004，24(5):1-5.

[4]關(guān)寶樹.隧道工程的理論與實(shí)踐[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，1990.

[5]陳豪雄，殷杰.隧道工程[M].北京:人民交通出版社，1995.

[6]張志強(qiáng)，關(guān)寶樹.軟弱圍巖隧道在高地應(yīng)力條件下的變形規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(6):696-700.

[7]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社，2003.

Control Technology of Large Deformation in Tunnel Excavation in Water-rich Contact Altered Rock on High Speed Railway

NIE Lin1，2，TAO Zhiping1，ZHOU Depei1，YANG Tao1
(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2.Chengdu City Construction Investment Management Group Co.，Ltd，Chengdu Sichuan 610015，China)

Taking the high-speed railways tunnel construction with water-rich rock intruding into alteration zone as background，this paper studied the control method for tunnel excavation rock-mass deformation.This paper put forward the tunnelling method with increasing safety degree from full section excavation，benching tunnelling method，CD tunnelling method and CRD tunnelling method by using the tunnel construction theory，numerical simulation and on-site monitoring technology，confirmed the forms and parameters of tunnel excavation support structures that can avoid water-rich rock strain softening and mechanical parameters weakening further，and concluded the construction technology of appropriate increasing reserved deformation with close-following lining.The practice shows that the methods of excavation and supporting scheme for construction that is introduced in this paper can effectively control the surrounding rock large deformation of tunnel and make them fast convergence，reduce the boundaries treatment workload of intrusion，and ensure the surrounding rock stability and underground engineering structure safety in the water-rich altered rock tunnel excavation.

Tunnel engineering;Large deformation;Control technology;Water-rich altered rock;High speed railway

U445.49

A

1003-1995(2012)06-0050-04

2011-12-25;

2012-03-11

聶林(1972— )，男，四川遂寧人，高級工程師，博士研究生。

(責(zé)任審編 趙其文)