張振國(guó)

摘 要：成蘭鐵路榴桐寨隧道進(jìn)口施工過(guò)程中，隧道洞身反復(fù)出現(xiàn)高地應(yīng)力大變形。通過(guò)針對(duì)性地采取優(yōu)化洞身斷面、調(diào)整支護(hù)參數(shù)、合理加大預(yù)留變形量、自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿、預(yù)留核心土微臺(tái)階法等變形控制措施和施工技術(shù)，隧道大變形得到有效控制。該文深入分析了榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形的變形特征和機(jī)理，對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道施工控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：榴桐寨隧道 高地應(yīng)力 軟巖大變形 施工控制技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（b）-0020-03

Abstract：During the construction of the entrance of Liutong village tunnel on Chengdu-Lanzhou railway， it was observed that the tunnel had undergoing large deformation repeatedly due to high in-situ stress. A series of mitigation measures were proposed， including adopting an optimized tunnel section， adjusting parameters in supporting design， setting a larger deformation tolerance， using self-advancing long bolts system and using performed core-soil sidestep construction method. The proposed measures were effective in controlling the large deformation. The objective of this paper is to first investiage the characteristics and mechanics of the high in-situ stress and the assocaited large deformation at the Liutong village Tunnel and second to study the effective tunneling methods in the ground featured with high in-situ stress and large deformation.

Key Words：Liu-Tong zhai tunnel； High In-situ stress； Large deformation and soft rock； Construction controlling technique

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，穿越復(fù)雜工程地質(zhì)條件隧道將會(huì)越來(lái)越多，在圍巖軟弱、地質(zhì)環(huán)境惡劣、高地應(yīng)力的隧道中，施工成為了工程建設(shè)中的巨大挑戰(zhàn)。高地應(yīng)力軟巖隧道施工期間，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力持續(xù)增加，圍巖變形劇烈、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、破壞，擠出面侵入限界，嚴(yán)重影響正常施工。

1 工程概況

成蘭鐵路榴桐寨隧道設(shè)計(jì)為單線雙洞，左右線分修，隧道全長(zhǎng)16 262 m，起訖里程D8K135+336～D8K151+598。全線占線路長(zhǎng)度約70%的段落巖體為極軟弱破碎的板巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖，隧道洞身穿越2個(gè)向斜、1個(gè)背斜和1個(gè)斷層，受構(gòu)造影響，多表現(xiàn)出強(qiáng)烈的揉皺變形和擠壓破碎，巖體褶皺，斷裂發(fā)育，軟弱破碎，層間結(jié)合差，強(qiáng)度低，軟巖和破碎巖體開(kāi)挖后自穩(wěn)能力差，是成蘭極高安全風(fēng)險(xiǎn)隧道。

隧道里程為YD8K136+410～YD8K136+660，實(shí)際圍巖地質(zhì)較原設(shè)計(jì)差，主要表現(xiàn)在：地質(zhì)主要以灰黑色炭質(zhì)千枚巖為主，強(qiáng)風(fēng)化（無(wú)灰?guī)r、砂巖夾層），節(jié)理裂隙異常發(fā)育，巖體較破碎，層間有構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)，為光滑面，巖體有褶皺扭曲現(xiàn)象，巖石較軟，開(kāi)挖完畢后呈粉末狀，掌子面大部分區(qū)域地質(zhì)手捏可碎，剝落較嚴(yán)重，圍巖完整性差。

巖體存在較多夾層和原生裂隙，對(duì)巖體整體承載能力有較大負(fù)面影響。施工期間初期支護(hù)出現(xiàn)環(huán)向裂紋，逐漸發(fā)展成環(huán)向貫通裂縫，噴射砼脫皮掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，鋼架也發(fā)生扭曲變形，對(duì)施工安全造成了很大的困擾。

2 軟巖大變形施工情況

2015年4月1日，掌子面施工至YD8K136+436.4，發(fā)現(xiàn)YD8K136+410～420段初期支護(hù)局部存在細(xì)微裂縫（寬度約2～3 mm）。為確保下一步施工安全，對(duì)YD8K136+ 410～420施作6 m長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿并注漿加固處理。

2015年4月7日，掌子面已施工至YD8K136+439處，初期支護(hù)拱部變形開(kāi)裂趨勢(shì)有所增加，現(xiàn)場(chǎng)情況如下：YD8K136+410～430拱頂初期支護(hù)形成一道縱向貫通裂縫，裂縫寬度2～10 mm不等，初支砼表面局部有剝皮現(xiàn)象（見(jiàn)圖1）。

為確保下一步施工安全，調(diào)整支護(hù)參數(shù)，具體如下：YD8K136+410～439段增設(shè)6 m長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿，加固開(kāi)裂初支，并按Ⅳ級(jí)抗震襯砌鋼筋施工參數(shù)，增設(shè)襯砌拱墻鋼筋；YD8K136+439～457段將原設(shè)計(jì)的Ⅳ級(jí)復(fù)合加強(qiáng)式襯砌變更為Ⅴ級(jí)復(fù)合加強(qiáng)式襯砌。

初期支護(hù)拱部變形開(kāi)裂，隨著隧道掌子面的開(kāi)挖掘進(jìn)繼續(xù)向前延伸，并形成貫通趨勢(shì)，表面砼局部有剝落現(xiàn)象。于2015年4月21日掌子面施工至YD8K136+457處，2015年5月1日掌子面施工至YD8K136+485處，調(diào)整并加強(qiáng)支護(hù)措施。

2015年4月21日，變更核實(shí)紀(jì)要如下：YD8K136+439～ 454段增設(shè)6 m長(zhǎng)、間距1.2 m×0.8 m（環(huán)×縱）自進(jìn)式錨桿加固開(kāi)裂初支；YD8K136+457～485段將原設(shè)計(jì)的Ⅳ級(jí)復(fù)合加強(qiáng)式襯砌變更為Ⅴ級(jí)復(fù)合加強(qiáng)式襯砌。

2015年5月1日，變更核實(shí)紀(jì)要如下：YD8K136+454～ 485段增設(shè)6m長(zhǎng)、間距1.0 m×0.8 m（環(huán)×縱）自進(jìn)式錨桿加固開(kāi)裂初支；YD8K136+485～515段將原設(shè)計(jì)Ⅳ級(jí)復(fù)合加強(qiáng)式襯砌變更為Ⅴ級(jí)復(fù)合加強(qiáng)式襯砌。

2015年5月18日，掌子面已施工至YD8K136+515，初期支護(hù)拱部變形開(kāi)裂段落持續(xù)延伸，現(xiàn)場(chǎng)情況如下：YD8K136+450～490拱頂初期支護(hù)形成一道縱向貫通裂縫，裂縫寬度2～10 mm不等，并發(fā)現(xiàn)在已施工完畢的仰拱端頭前后，分別于YD8K136+455、YD8K136+461處左側(cè)邊墻出現(xiàn)兩道環(huán)向裂縫，裂縫寬度約8 mm，并在矮邊墻上2 m左右有縱向裂縫出現(xiàn)。同時(shí)初支砼表面局部剝皮現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

3 軟巖大變形機(jī)理

3.1 地應(yīng)力

隧道埋深較大，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)較高，最大水平主應(yīng)力對(duì)隧道圍巖的變形和破環(huán)有一定的影響，在YD8K136+200處進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，水平主應(yīng)力的方向?yàn)镹51.8°W～ N88.3°W之間，最大水平主應(yīng)力方向平均值與隧道軸線夾角約為27°，對(duì)圍巖變形產(chǎn)生不利影響，最大水平主應(yīng)力平均值為23.09 MPa，該段區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力高，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，屬極高地應(yīng)力狀態(tài)，且由于水平應(yīng)力與隧道軸線夾角較小，圍巖擠壓緊密的影響范圍較大，可能發(fā)生軟巖大變形，硬質(zhì)巖段落可能會(huì)發(fā)生巖爆。

3.2 巖體強(qiáng)度特征

該段圍巖地質(zhì)主要以灰、黑色千枚巖為主，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙異常發(fā)育，巖體破碎，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，不同巖層相間的巖體受層間構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)，形成斷層破碎帶，從而破壞了巖體的完整性，使得圍巖凝聚強(qiáng)度c值較低，內(nèi)摩擦角φ值很小，單軸抗壓強(qiáng)度較低。隧道開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，同時(shí)伴有地下水滲流和軟化作用，改變巖體強(qiáng)度，圍巖自身強(qiáng)度不能抵抗地應(yīng)力的釋放，從而導(dǎo)致巖體產(chǎn)生流塑性變形。

3.3 初期支護(hù)不合理

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)揭示與原設(shè)計(jì)地質(zhì)描述存在偏差，實(shí)際圍巖地質(zhì)較原設(shè)計(jì)差，在隧道開(kāi)挖后隧道不能自穩(wěn)而產(chǎn)生較大的流塑性變形，設(shè)計(jì)采用的支護(hù)參數(shù)較弱，錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不足不能控制圍巖流塑形變形，導(dǎo)致錨桿支護(hù)效果差，鋼架強(qiáng)度不夠、間距過(guò)大，無(wú)法有效地抵抗圍巖的壓力。預(yù)留變形量小導(dǎo)致圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的力變大，使初支收斂加速，初支結(jié)構(gòu)逐步出現(xiàn)貫通裂縫，噴射砼出現(xiàn)脫皮掉塊現(xiàn)象，鋼架發(fā)生扭曲變形。開(kāi)挖后無(wú)法及時(shí)封閉成環(huán)，仰拱和二次襯砌距掌子面距離過(guò)長(zhǎng)，致使初期支護(hù)在無(wú)約束下產(chǎn)生無(wú)限制性的變形，對(duì)圍巖變形有很大影響。

3.4 工程擾動(dòng)

隧道洞室開(kāi)挖后，破壞了圍巖原有的三向應(yīng)力平衡，圍巖應(yīng)力在洞室周?chē)匦路植?，開(kāi)挖引起環(huán)向應(yīng)力增大，徑向應(yīng)力減小，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過(guò)局部巖體的強(qiáng)度，使部分區(qū)域的圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)或受拉而破壞，應(yīng)力不斷調(diào)整變形不斷發(fā)展來(lái)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，設(shè)計(jì)的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不能支撐由開(kāi)挖空間和擾動(dòng)釋放的地應(yīng)力，形成拱頂沉降和邊墻收斂，造成初期支護(hù)開(kāi)裂。同時(shí)采用臺(tái)階法光面爆破施工，對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，加劇了圍巖的變形速率。

4 大變形控制措施

針對(duì)榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形的情況，認(rèn)真觀察圍巖變形及初支開(kāi)裂規(guī)律，分析圍巖量測(cè)資料，并及時(shí)進(jìn)行變形段落圍巖地質(zhì)應(yīng)力測(cè)試。對(duì)此進(jìn)行綜合分析，查找洞身圍巖變形及初支開(kāi)裂的原因，以?xún)?yōu)化洞型，確定合理斷面，初支應(yīng)堅(jiān)持“以抗為主，抗讓結(jié)合，適度釋放地應(yīng)力”的原則進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)初期支護(hù)剛度，以組織現(xiàn)場(chǎng)施工。確定軟巖開(kāi)挖之后的松動(dòng)圈范圍，以合理加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度，對(duì)圍巖的松動(dòng)圈進(jìn)行加固。短臺(tái)階開(kāi)挖，短進(jìn)尺，控制爆破裝藥量，減少開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)。初支及時(shí)封閉成環(huán)，仰拱緊跟，待初支沉降、收斂穩(wěn)定后，及時(shí)施作二次襯砌。

4.1 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在掌子面開(kāi)挖后進(jìn)行了周邊收斂、拱頂下沉、地表沉陷、錨桿拉拔試驗(yàn)等不同方面的量測(cè)，運(yùn)用回歸統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬分析的方法，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理和分析，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性做出穩(wěn)定性判斷，并及時(shí)反饋指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，以便根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整施工方法和支護(hù)方案。

由于缺乏詳細(xì)的地質(zhì)勘測(cè)資料，設(shè)計(jì)時(shí)支護(hù)參數(shù)出現(xiàn)偏差，施工方法使用不當(dāng)，將地質(zhì)素描法、超前鉆孔探測(cè)法、超前炮眼探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外線超前探水等幾種預(yù)報(bào)手段優(yōu)化組合、綜合運(yùn)用，提高地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的精度與準(zhǔn)確率，彌補(bǔ)地質(zhì)勘測(cè)信息的不足，從理論上補(bǔ)充圍巖的特征，從而進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，能夠很大程度上避免工程事故，改善作業(yè)環(huán)境，保障施工安全，提高工作效率，節(jié)約成本。

4.2 優(yōu)化洞型、確定合理斷面

根據(jù)設(shè)計(jì)隧道斷面采用的馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)，對(duì)于拱墻處發(fā)生應(yīng)力集中產(chǎn)生大變形的區(qū)域，采取輪廓近似圓形的襯砌斷面形式，改善受力性能，并加大預(yù)留變形量30 cm，避免支護(hù)變形過(guò)大侵限。

4.3 以抗為主，抗讓結(jié)合，適度釋放地應(yīng)力

在圍巖釋放壓力的同時(shí)，要及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)措施來(lái)控制圍巖的變形。初期錨噴支護(hù)可以做成柔性結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)圍巖變形，起到維護(hù)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。

4.4 合理加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定軟巖開(kāi)挖之后的松動(dòng)圈范圍約3.5 m，合理加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度，對(duì)圍巖的松動(dòng)圈進(jìn)行加固。將在拱墻原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增設(shè)6 m長(zhǎng)（φ22，縱向間距為1 m，環(huán)向間距為0.8 m）自進(jìn)式錨桿，并注漿加固處理，消除巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)，在圍巖內(nèi)形成組合拱，同時(shí)錨桿對(duì)圍巖施加壓力，使處于二向應(yīng)力狀態(tài)的圍巖保持三向應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)將原設(shè)計(jì)的I18型鋼支護(hù)變更為I25型鋼支護(hù)，提高支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度來(lái)約束圍巖的松弛變形，保證隧道的穩(wěn)定與安全。

4.5 短臺(tái)階法開(kāi)挖

嚴(yán)格控制上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺1 m，控制爆破裝藥量，初期支護(hù)緊跟掌子面施工，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)性，短臺(tái)階法可使圍巖盡快封閉成環(huán)，發(fā)揮圍巖自承能力，同時(shí)有利于仰拱緊跟，待監(jiān)控量測(cè)初支沉降、收斂穩(wěn)定后，及時(shí)施作二次襯砌，提高襯砌的安全性，保證圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）高地應(yīng)力、圍巖自身強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，最大水平應(yīng)力大且與隧道夾角過(guò)小，這都是隧道發(fā)生大變形的主要因素，地質(zhì)勘測(cè)信息的不足造成支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)強(qiáng)度不足以及施工方法不當(dāng)，直接影響了隧道的變形程度。

（2）初期支護(hù)破壞形式主要是出現(xiàn)貫通裂縫，噴射砼出現(xiàn)脫皮掉塊現(xiàn)象，鋼架發(fā)生扭曲變形。通過(guò)對(duì)隧道斷面優(yōu)化，合理加大預(yù)留變形量，加強(qiáng)對(duì)初期支護(hù)的剛度，是控制軟巖大變形的重要手段。

（3）為減少工程擾動(dòng)對(duì)圍巖的不利因素，隧道開(kāi)挖采用預(yù)留核心土微臺(tái)階法，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺和爆破用藥量，縮短各工序之間的距離，有利于盡早初期支護(hù)及封閉成環(huán)，更好地控制圍巖的變形。

（4）加強(qiáng)圍巖的監(jiān)控量測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理和分析，并及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為隧道施工設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性信息。

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