蘭渝鐵路木寨嶺隧道軟巖大變形分析及針對措施的探討

王全蒙

（蘭渝鐵路有限責(zé)任公司 甘肅省蘭州市 730050）

蘭渝鐵路木寨嶺隧道軟巖大變形分析及針對措施的探討

王全蒙

（蘭渝鐵路有限責(zé)任公司 甘肅省蘭州市 730050）

蘭渝鐵路木寨嶺隧道穿過了大段落的高地應(yīng)力及軟弱圍巖大變形地段，施工技術(shù)條件極為復(fù)雜。尤其是厚層狀或帶狀炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖地段，巖體扭曲、揉皺現(xiàn)象明顯，節(jié)理發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性很差，受地下水及地應(yīng)力的影響，施工中易發(fā)生不同程度的圍巖變形、支護(hù)開裂和塌方，施工進(jìn)度緩慢，施工風(fēng)險較大。因此，對炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖等軟弱圍巖的變形控制是本線面臨的一大技術(shù)難題。如何通過分析及檢測，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，施工特點及監(jiān)測數(shù)據(jù)，在實際中指導(dǎo)施工，減少施工中風(fēng)險，切實處理好隧道軟巖大變形，具有重要意義。

木寨嶺隧道；軟巖大變形；分析；施工措施

1 工程概況

木寨嶺特長隧道位于西秦嶺中山區(qū)，隧道進(jìn)口位于大草灘車站以南約600m、漳河左岸山前緩坡上，沿途穿越小溝、石咀溝等6條溝谷，為雙管單洞隧道。隧道最大埋深約700m，最小埋深約40m。全隧共設(shè)置8座輔助坑道，是極高風(fēng)險隧道，蘭渝鐵路的重點控制工程。

2 木寨嶺隧道軟巖特性

炭質(zhì)板巖、千枚巖等軟巖的分布形態(tài)和巖性特征，可分為三種類型：①薄夾層狀存在于板巖和千枚巖中，灰黑色，片理面發(fā)育，片理面較平直，巖層傾角較穩(wěn)定，對圍巖的整體穩(wěn)定性好。②呈互層狀存在于板巖和千枚巖中，單層厚度不大，但連續(xù)延伸的段落相對較長，片理面受構(gòu)造擠壓作用的影響，有扭曲現(xiàn)象，節(jié)理發(fā)育。在地下水、地應(yīng)力的作用下，炭質(zhì)板巖等易軟化變形，且受地下水、地應(yīng)力影響時，局部會出現(xiàn)大變形現(xiàn)象。③呈厚層或帶狀分布于隧道洞身，圍巖大部或全部為炭質(zhì)板巖，受構(gòu)造等要素的作用，巖體抵抗剪切的水平弱并且對振動反應(yīng)較強(qiáng)，巖體彎曲、褶皺問題顯著，節(jié)理發(fā)育，且伴隨有地下水滲透的問題，結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面之間的融合不理想，較易分開，在地應(yīng)力、地下水的影響下，圍巖硬度與穩(wěn)固性大幅減弱。在這種類型的圍巖中，較易產(chǎn)生塌方與支護(hù)出現(xiàn)裂縫等問題。

3 隧道監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)分析

蘭渝鐵路木寨嶺施工后，軟巖大變形現(xiàn)象日益凸顯，大部分斜井產(chǎn)生程度不同程度的變形現(xiàn)象，大變形重點表現(xiàn)在架構(gòu)水平出現(xiàn)形狀變化，且體現(xiàn)出變化幅度大、變化速度快等特征。以木寨嶺隧道大坪有軌斜井主井為例，變形數(shù)據(jù)分析如下：

大坪有軌斜井主井作業(yè)的初始階段變形有限，一直到6月份26日變形快速增大，不到十個小時的時間內(nèi)變形在600mm以上，周圍20m左右也出現(xiàn)了100～300mm的變形，通過采用有關(guān)舉措且更換拱架后變形得以平穩(wěn)。伴隨開挖的繼續(xù)深入，到f14斷層時，各個檢測點的變形進(jìn)一步增大，并且體現(xiàn)出顯著的突變性，特別是8月22號，斜649處出現(xiàn)嚴(yán)重變形，變形曲線以很大斜率向上發(fā)展，當(dāng)天的收斂變形為440mm，并且在處置過程中依舊不斷加大，到當(dāng)前位置此處變形最突出，為1318mm，另外，斜617處變形曲線產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎點，變形迅速增大。變形突變處伴隨噴混凝土掉落、剛架歪曲，部分剛架乃至產(chǎn)生拉裂，停止作業(yè)增加臨時支護(hù)，變形才逐漸平穩(wěn)，見圖1。

圖1 大坪有軌斜井主井凈空收斂群曲線圖

4 隧道地質(zhì)原因分析

當(dāng)前產(chǎn)生大變形的隧道所使用圍巖大多是炭質(zhì)板巖，并且?guī)r層走勢和隧道中心線的夾角很小，大多在20～40°區(qū)間內(nèi)。為此，聯(lián)系木寨嶺隧道項目地質(zhì)狀況和變形情況剖析可知，炭質(zhì)板巖是出現(xiàn)大變形最關(guān)鍵的地質(zhì)因素，其巖層走勢和隧道中心線夾角的高低也會影響到后續(xù)的變形，因為其夾角愈小，巖層膨脹所形成的側(cè)面壓力和開挖以后的地應(yīng)力都比較大，容易出現(xiàn)側(cè)向的大變形。聯(lián)系地質(zhì)狀況剖析可知，因為受褶曲構(gòu)造帶及f14斷層帶的作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較大，圍巖是壓碎巖夾強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖，和水相融會出現(xiàn)不同程度的膨脹現(xiàn)象，節(jié)理發(fā)育，巖層毀壞，滲透水位置眾多，自身的穩(wěn)定性弱，開挖以后伴隨圍巖應(yīng)力的放出，加上有軌斜井坡度很大的影響，斜井支護(hù)架構(gòu)總體受重力與結(jié)構(gòu)內(nèi)力兩種力的影響，已經(jīng)增強(qiáng)的支護(hù)參數(shù)比較薄弱，原支護(hù)結(jié)構(gòu)順著水平方向、垂直方向和基地產(chǎn)生很大程度的隆起、開裂，且總體順著斜井方向向掌子面移動。

5 軟巖隧道施工現(xiàn)場變形處理方法

以上分析結(jié)果證明，隧道地質(zhì)狀況比如巖石產(chǎn)狀、斷層、巖石性質(zhì)等是產(chǎn)生大變形的主要因素，地層所具有的高地應(yīng)力是變形產(chǎn)生的另一個重要原因，而支護(hù)相對較弱、巖層破碎、地下水、施工工藝控制等因素則是大變形產(chǎn)生的誘因。各斜井大變形均體現(xiàn)出比較明顯的突變性，依據(jù)變形實際因素，現(xiàn)場運(yùn)用了加設(shè)套拱、整合斷面、及早封閉、回填注漿、更換拱架等舉措，通過實際測量，變形都被有效控制。經(jīng)過前面階段大變形控制項目實踐，當(dāng)前效果比較理想的大變形管控舉措可總結(jié)為下述幾點：①增大支護(hù)程度，通常采用套拱或拆換拱架方式。②改進(jìn)斷面型式，也就是增大斷面曲率。③增強(qiáng)縱向連接、變形處用注漿回填等。④運(yùn)用早高強(qiáng)濕噴混凝土技術(shù)。

6 軟巖隧道大變形工程施工技術(shù)、應(yīng)對措施

（1）由上文的剖析可知，軟巖的變形和時長、工序有很大關(guān)系，為此，處理軟巖變形的問題，作業(yè)過程中應(yīng)當(dāng)以“快”為準(zhǔn)則，也就是盡快支護(hù)、盡快封閉?！氨M快支護(hù)”要求開挖以后用最短的時間將巖面封閉，用最短的時間做噴錨網(wǎng)等支護(hù)舉措，避免軟巖在裸露時間長、變形幅度過大的狀況下深入惡化圍巖條件，大大減弱圍巖硬度，出現(xiàn)幅度更顯著的塑性范圍和更明顯的變形?！氨M快封閉”則需要支護(hù)架構(gòu)盡快起到自身職能，而要實現(xiàn)此要求，唯有支護(hù)盡早完成。施工要貫徹“快”的要求，軟巖中最佳的施工方法是超短臺階開挖，工序平行推進(jìn)。超短臺階法可以做到開挖早落底、支護(hù)早成環(huán)、仰拱早封閉，必要的時候上臺階可以臨時封閉，以抑制變形速率。

（2）結(jié)合蘭渝鐵路炭質(zhì)板巖等軟巖特點，施工技術(shù)及參數(shù)如下：①炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖呈厚層狀，對圍巖的整體穩(wěn)定性影響大時，宜采用大拱腳臨時仰拱法，必要時采用CRD法，各級臺階應(yīng)采用超短臺階施工；②隧道開挖后應(yīng)立即進(jìn)行初噴，及時封閉巖面，防止風(fēng)化惡化圍巖條件；③加大預(yù)留變形量，預(yù)留圍巖變形及初支補(bǔ)強(qiáng)的空間，根據(jù)監(jiān)控量測資料對變形加速的段落適時采取補(bǔ)強(qiáng)措施；④二次襯砌宜提前施做，但作為立即承受荷載的結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證拆模時有足夠的強(qiáng)度，原則上拆模強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的100％，以防止二襯開裂；⑤對于較難控制大變形的產(chǎn)生和發(fā)展的圍巖地段，可考慮對地應(yīng)力的主強(qiáng)方向，鑿洞導(dǎo)流或開挖較小斷面的平導(dǎo)加強(qiáng)應(yīng)力釋放，以減少地應(yīng)力對主隧道圍巖的地應(yīng)力作用。

（3）軟巖隧道的變形應(yīng)對措施，對于具有大變形圍巖特征的木寨嶺隧道，在施工中應(yīng)遵循“早封閉、強(qiáng)支護(hù)”原則，并提出以下要求進(jìn)行實施：①優(yōu)化斷面曲率，結(jié)構(gòu)型式統(tǒng)一采用圓形或近圓形，單側(cè)大跨處至拱底水平距離有軌斜井≮40cm，無軌斜井≮50cm。開挖輪廓在滿足限界和投資允許的情況下盡量圓順，以保證有良好的受力條件；②大變形發(fā)生后，必須及時進(jìn)行臨時支撐，并在支撐加固后對兩側(cè)進(jìn)行初支后回填注漿，以增大初支結(jié)構(gòu)與地層的聯(lián)結(jié)力；③易產(chǎn)生較大變形段斜井開挖時預(yù)留變形量按單側(cè)15cm進(jìn)行控制，同時，再預(yù)留20cm作為二次支護(hù)空間，以保證施工所需隧道凈空要求；④嚴(yán)格按照臺階法施工，開挖后應(yīng)及時進(jìn)行初噴。變形達(dá)10cm時，邊墻及拱腳施作6m長深孔錨桿（管），有軌斜井需考慮仰拱加固，達(dá)15～20cm時采用二次套拱，套拱型號暫按I12，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可進(jìn)一步優(yōu)化，其它加固措施待與設(shè)計溝通后實施。

綜上所述，蘭渝鐵路的軟巖大變形大多為厚層狀或帶狀炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖地段，巖體扭曲、揉皺現(xiàn)象明顯，節(jié)理發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性很差，受地下水及地應(yīng)力的影響，施工中易發(fā)生不同程度的圍巖變形、支護(hù)開裂和塌方，施工進(jìn)度緩慢，施工風(fēng)險較大。結(jié)合變形特點，堅持“早封閉、強(qiáng)支護(hù)”原則，加強(qiáng)施工輔助措施，加大變形段支護(hù)強(qiáng)度。通過采取濕噴和早高強(qiáng)混凝土等技術(shù)的應(yīng)用，并在施工中嚴(yán)格現(xiàn)場技術(shù)管理，規(guī)范施工工藝控制，減小變形處理對施工安全及進(jìn)度造成的影響。通過施工中各項管理措施，實踐表明，蘭渝鐵路的軟巖大變形已經(jīng)初有成效，并為后期工程施工和以后類似工程施工積累了資料和經(jīng)驗。在實際中指導(dǎo)施工，減少施工中風(fēng)險，切實處理好隧道軟巖大變形，具有重要意義。

U451.2

A

1004-7344（2016）36-0207-02

2016-9-15