哈達(dá)鋪隧道變形的成因分析及對策研究

李滿宏

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450016)

蘭渝鐵路蘭廣段隧道受地質(zhì)構(gòu)造影響，幾乎每個隧道施工都不同程度受困于圍巖變形困擾，嚴(yán)重影響施工中的安全和進(jìn)度，加大了施工成本。各個隧道又由于開挖斷面、施工工藝和水平的不同，變形成因和處理辦法各有不同。本文通過實踐對控制哈達(dá)鋪隧道變形的難題得出一些結(jié)論，可為后續(xù)施工提供參考，并有待繼續(xù)研究和完善。

1 工程概況

1.1 工程總體概述

蘭渝鐵路哈達(dá)鋪隧道為穿越長江、黃河的分水嶺——麻子川的越嶺隧道，全長16.59 km，設(shè)計為兩座單線隧道，線間距40 m。為滿足全線工期要求，施工組織設(shè)計采用進(jìn)、出口和5個斜井共7個主要工作面?？刂贫温錇檫M(jìn)口—阿塢1號斜井，區(qū)段長6 600 m。

1.2 地質(zhì)巖性及構(gòu)造

隧道洞身經(jīng)過地層主要有2種：

第一種為第四系全新統(tǒng)沖洪積淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土，砂質(zhì)黃土，中砂，洪積細(xì)(粗)角礫土，這種地層變形比較小。

第二種為下第三系砂巖、礫巖、泥巖及三疊系中統(tǒng)砂巖，板巖局部夾灰?guī)r，板巖夾砂巖，主要分布在隧道里程DK220+496～DK226+000段。板巖主要以直立為主，基本平行于隧道走向，隧道變形主要發(fā)生在這種地層，尤其變形嚴(yán)重的為直立、薄層狀的板巖局部夾灰?guī)r、板巖夾砂巖(T2ss+s1)。該段地層正好位于青藏“歹”字形構(gòu)造體系之疏勒南山—日月山—尖扎山斷褶皺(合作—岷縣斷裂帶F3至舟曲—金廠—石峽斷裂帶F4)，形成大花溝背斜，核部里程為DK221+400。受2008年5.12汶川8.0級強(qiáng)烈地震影響，隧道圍巖與本條線勘測設(shè)計時相比，巖層更破碎，節(jié)理更發(fā)育，這從蘭渝鐵路蘭廣段(夏官營—廣元)隧道施工揭示也得到證明。

1.3 水文地質(zhì)條件

隧道通過區(qū)地下水以潛水為主，分為嶺南、嶺北兩個大的水流系統(tǒng)，正好處于隧道里程DK220+485～DK226+000處，局部具有弱承壓性。但由于圍巖褶皺、斷層等影響，節(jié)理發(fā)育，使含水介質(zhì)各向異性，使地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件十分復(fù)雜，地下水無侵蝕性。隧道斷面形式(圖1)為鴨蛋形，高寬比為1∶0.82。

圖1 隧道斷面(單位：cm)

2 變形情況

圍巖初期變形速率快、持續(xù)時間長、累計變形大，造成噴射混凝土剝落掉塊、開裂。初期支護(hù)未能達(dá)到有效約束，導(dǎo)致邊墻收斂大，累計收斂變形達(dá)到520 mm，使某些區(qū)段隧道凈空侵限時有發(fā)生。變形范圍內(nèi)支護(hù)出現(xiàn)環(huán)、縱向裂紋，甚至出現(xiàn)鋼架扭曲失穩(wěn)，造成塌方，施工進(jìn)度嚴(yán)重受阻。從開工以來，一般水平收斂在200 mm以上，日最大變形速率104 mm/d，開挖后15 d左右收斂變形速率變大的情況較多。

3 變形原因分析及對策

3.1 原勘測對圍巖的判定不準(zhǔn)確導(dǎo)致的變形和塌方

由于勘測技術(shù)手段和技術(shù)的限制，加上地質(zhì)體的復(fù)雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態(tài)、特性是十分困難的。全隧道原設(shè)計Ⅲ級圍巖有3 500 m，并且全部分布在進(jìn)口—阿塢1號斜井(DK220+485—DK226+000)之間。但從施工解釋的情況看：目前根本沒有出現(xiàn)Ⅲ級圍巖，造成前期施工盲目樂觀，變形和塌方頻出。

對策：通過設(shè)計及時對圍巖級別進(jìn)行調(diào)整。目前在已施工過的區(qū)段，基本上都調(diào)整成Ⅳ、Ⅴ圍巖。

3.2 原設(shè)計支護(hù)參數(shù)的支護(hù)強(qiáng)度不足導(dǎo)致變形和塌方

原設(shè)計Ⅳ級一般沒有拱架，Ⅳ級加強(qiáng)(Ⅳ為φ22 mm格柵，但施工后，格柵扭曲變形嚴(yán)重)，即使后來加強(qiáng)，采用Ⅰ16、Ⅰ18型鋼鋼架，仍然出現(xiàn)大量變形，侵入二次襯砌限界。

對策：經(jīng)過與設(shè)計單位反復(fù)協(xié)商，并通過現(xiàn)場施工試驗段量測數(shù)據(jù)分析，最后確定主要采用Ⅵb支護(hù)參數(shù)，只是根據(jù)圍巖情況，將拱架間距調(diào)整為60～80 cm，有效避免了侵限換拱。

3.3 工程地質(zhì)特點和隧道斷面特有形式共同作用造成收斂變形大

該隧道板巖傾角大部分基本垂直水平面或略帶傾斜，走向與線路夾角為9°～11°，經(jīng)常出現(xiàn)薄層狀，節(jié)理發(fā)育，層間有軟弱夾層。根據(jù)巖體力學(xué)分析，開挖后水平收斂大，拱頂沉降小，如果巖層產(chǎn)狀正好向隧道內(nèi)側(cè)傾斜，更容易造成單側(cè)收斂值偏大，造成侵限，嚴(yán)重的造成單側(cè)滑塌。哈達(dá)鋪進(jìn)口初期的3次塌方基本上都是單側(cè)邊墻，洞頂則沒有出現(xiàn)。而蘭渝線為客貨共線鐵路，隧道要求雙層集裝箱通過，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)斷面為鴨蛋形6心圓，邊墻曲率較小，承受水平應(yīng)力差，隧道進(jìn)口左線4處風(fēng)機(jī)加寬段，每段80 m，斷面比普通斷面大很多(Ⅳ級圍巖開挖斷面79.5 m2，風(fēng)機(jī)段109.5 m2)。風(fēng)機(jī)段曲率大，近似圓形，在相同支護(hù)參數(shù)下，由于要采用特殊的臺車襯砌，有些從開挖支護(hù)完成到襯砌完成歷時1年半，卻仍然保持穩(wěn)定。而標(biāo)準(zhǔn)斷面卻在20 d內(nèi)變形，侵限、失穩(wěn)。

對策：①增大變形預(yù)留量，將原設(shè)計預(yù)留量從10～15 cm，先調(diào)整到30 cm，但部分邊墻仍有少量侵限；②改變隧道斷面形式，根據(jù)量測數(shù)據(jù)，拱頂沉降小，邊墻收斂大的特點，拱頂預(yù)留變形量調(diào)整為15 cm，變更邊墻曲率，這樣邊墻實際預(yù)留量達(dá)到60 cm；③根據(jù)實際揭示的圍巖節(jié)理走向，增加增長單側(cè)邊墻錨桿和注漿小導(dǎo)管、鎖腳錨管；④將原來設(shè)計的素混凝土變更為鋼筋混凝土；⑤再根據(jù)量測數(shù)據(jù)優(yōu)化曲率，使邊墻實際預(yù)留量調(diào)整到35 cm，減少混凝土回填量。

3.4 工程地質(zhì)特點和施工中不可避免的震動造成收斂變形

隧道板巖傾角大部分基本垂直水平面或略帶傾斜走向與線路夾角為9°～11°，薄層狀，節(jié)理發(fā)育，層間有軟弱夾層。這種圍巖爆破開挖后，拱頂圍巖層間沒有形成臨空面，但邊墻圍巖形成臨空面，層與層之間裂縫擴(kuò)大，最內(nèi)側(cè)初期支護(hù)剝落，造成超挖。初期支護(hù)后，松動圈內(nèi)的外側(cè)圍巖層間在裂隙水的作用下不斷軟化，逐漸失去自穩(wěn)能力，錨桿、錨管的抗拉能力也減弱，幾乎全部荷載都集中到拱架和噴射混凝土上。從邊墻塌方的情況揭示：根據(jù)圍巖的不同，松動圈寬度為50～150 cm，再往外側(cè)，因為沒有受到爆破的影響，層間填充致密，圍巖完好，不連續(xù)塌方，只要重新盡快噴混凝土封閉，然后重新立拱架支護(hù)，不會出現(xiàn)大的變形。

對策：①控制每循環(huán)進(jìn)尺，減少對圍巖的擾動范圍，拱架間距60～80 cm，不得大于2榀進(jìn)尺。②嚴(yán)格控制裝藥量，多打眼，少裝藥，邊墻范圍內(nèi)的抵抗線大于拱頂?shù)谋频挚咕€，邊墻周邊眼間距小于拱頂周邊眼間距(拱頂周邊眼抵抗線45 cm，周邊眼間距45 cm，邊墻為60 cm和35 cm)，這樣會造成邊墻少量欠挖；爆破后，圍巖層間已松動，通過機(jī)械修整滿足輪廓要求。③及時封閉，快支護(hù)，縮短水侵入和風(fēng)化時間，防止剝落超挖進(jìn)一步加重。④加長邊墻的錨桿和錨管長度，原設(shè)計的錨桿、錨管長度為3.0 m，變更為4.5 m，后又經(jīng)過工程試驗，取消φ25 mm中空錨桿，采用φ42 mm錨管，以利注漿加固。

3.5 施工中注漿不到位不及時造成變形

通過以上設(shè)計和施工變更及優(yōu)化，基本消除了換拱拆換，但仍有個別點和區(qū)段變形較大，初期支護(hù)開裂。經(jīng)過認(rèn)真分析認(rèn)為：主要是中空錨桿注漿只能加固桿體周圍圍巖的強(qiáng)度，對改善圍巖整體承載力作用不大，錨管的注漿不到位、不飽滿，或者根本沒注漿，待量測發(fā)現(xiàn)已出現(xiàn)大的變形，才開始補(bǔ)注漿，這時初期支護(hù)圍巖已在裂隙水的作用下，成為粉末狀或泥狀，失去本身的強(qiáng)度和自穩(wěn)力，無形中增大了初期支護(hù)的壓力。

對策：①取消φ25 mm中空錨桿，采用φ42 mm錨管，錨管上設(shè)置間距20 cm出漿孔，孔徑6～8 mm，梅花形布置。②每2個循環(huán)進(jìn)尺3.2～3.6 m，無論變形與否，必須停止開挖，集中注漿，充填圍巖震動裂隙，提高圍巖自穩(wěn)能力。③注漿時由技術(shù)人員旁站記錄，并編號注漿順序，防止出現(xiàn)漏注；做好注漿記錄(包括漿液配比，注漿順序，每孔注漿量，總注漿量等)，為后續(xù)相似圍巖提供數(shù)據(jù)參考，不斷優(yōu)化，提高工效。

3.6 變形持續(xù)時間長有突變現(xiàn)象

通過對監(jiān)控量測的分析，即使采取以上施工措施，哈達(dá)鋪隧道直立板巖變形很長時間也不收斂。并且表現(xiàn)在剛開挖支護(hù)完成3～5 d內(nèi)變形較大，然后度過一段時間穩(wěn)定期，20 d左右，收斂變形會增大，邊墻初期支護(hù)局部出現(xiàn)小裂紋，拱頂表面噴射混凝土有小的剝落和掉塊。

對策：①對局部進(jìn)行復(fù)噴或二次注漿；②及時施工二次襯砌，根據(jù)目前的施工進(jìn)度，襯砌距工作面的距離控制在70 m之內(nèi)，基本保證了在20 d之內(nèi)完成二次襯砌。

4 結(jié)論

通過設(shè)計、施工的不斷優(yōu)化，積極采取工程實踐中總結(jié)出的控制措施，并加強(qiáng)現(xiàn)場施工技術(shù)管理和工序工藝的控制，經(jīng)過近3年的探索和經(jīng)驗總結(jié)，哈達(dá)鋪隧道變形基本在可控范圍內(nèi)，施工也基本正常，最主要的是消除了拆換拱這種極高安全風(fēng)險的作業(yè)。目前哈達(dá)鋪隧道關(guān)鍵線路進(jìn)口—阿塢區(qū)段開挖還剩余2 800 m，前方施工地質(zhì)情況千差萬別，工期壓力很大，仍需在以下幾個方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)：

①采取以上施工控制，每月單口掘進(jìn)50～60 m，還要研究在保證每道工序工藝質(zhì)量的情況下，提高工效，縮短工序時間，加快施工進(jìn)度。

②鐵建設(shè)[2010]120號文要求仰拱每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于3 m，即使目前月掘進(jìn)60 m，仰拱施工進(jìn)度也制約前方掘進(jìn)，是否可以采取其他加固措施加大循環(huán)進(jìn)尺，也要通過施工總結(jié)后報有關(guān)部門修正。

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