蘭渝鐵路兩水隧道軟巖大變形控制技術(shù)

吳廣明,劉志春,吳曉輝

(1.中交第二公路工程局有限公司,西安 710065； 2.石家莊鐵道大學(xué),石家莊 050000； 3.中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司,河北涿州 072750)

在山區(qū)隧道工程中，隧道穿越高地應(yīng)力區(qū)且遭遇軟弱圍巖時，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)常會出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，尤其是穿越炭質(zhì)千枚巖巖層，變形更為嚴(yán)重。國內(nèi)多條隧道如關(guān)角、烏鞘嶺、家竹箐隧道等，均出現(xiàn)嚴(yán)重大變形。蘭渝鐵路兩水隧道穿越了志留系炭質(zhì)千枚巖，也遇到了初期支護(hù)嚴(yán)重變形的現(xiàn)象，施工難度極大。因此，如何控制高地應(yīng)力軟巖大變形，是隧道工程建設(shè)者需要研究的重要課題。

1 工程概述

蘭渝鐵路兩水隧道位于甘肅省隴南市武都區(qū)，起訖里程DIK357+070～DK362+084，全長4 945.35 m(含斷鏈)，雙線鐵路隧道，最大埋深346 m。隧道洞身穿過地層主要為志留系中、上千枚巖夾板巖、炭質(zhì)千枚巖夾板巖、灰?guī)r，炭質(zhì)千枚巖呈深灰、灰黑色為主，含炭質(zhì)鱗片交晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。受構(gòu)造影響，褶皺發(fā)育，薄片、薄層狀巖層被節(jié)理切割成碎塊狀，巖體破碎穩(wěn)定性差。從地質(zhì)構(gòu)造板塊分析，屬于青藏高原邊緣多板塊擠壓區(qū)，軟巖與強變形再加板塊擠壓形成高地應(yīng)力。

兩水隧道進(jìn)口工區(qū)，DK358+000～DK358+000段設(shè)計為V級軟巖，全段巖性以千枚巖夾板巖及炭質(zhì)千枚巖夾板巖為主，薄層結(jié)構(gòu)，層理紊亂，飽和抗壓強度值僅為2.93～4.71 MPa，屬于極軟巖，巖體破碎，穩(wěn)定能力差，遇水易軟化，受地應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造等影響，在施工中持續(xù)出現(xiàn)擠壓大變形，造成噴層開裂、剝落、鋼架扭曲、折斷、初期支護(hù)侵限拆換(圖1)。施工中的最大初期支護(hù)變形達(dá)1.3 m，一般為400～800 mm。 多次出現(xiàn)長大段落的支護(hù)拆換，單口月施工進(jìn)度不足40 m。初期支護(hù)在二襯施作前達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重地段引起二襯結(jié)構(gòu)開裂、鋼筋彎曲等嚴(yán)重問題，給隧道施工安全及以后的運營安全造成不利影響，施工十分困難。

圖1 初期支護(hù)扭曲變形

2 隧道設(shè)計及施工情況

雙線鐵路隧道V級軟巖地段設(shè)計初期支護(hù)參數(shù)：單層φ42 mm小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)，長4.0 m，環(huán)向間距40 cm；H175型鋼鋼架，間距0.5 m；拱部120°范圍內(nèi)縱向連接采用I16型鋼，間距1.0 m，其余采用φ22 mm螺紋鋼筋鏈接，間距1.0 m；鎖腳錨桿R32N自進(jìn)式錨桿，長6 m，每榀4處8根；φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。全環(huán)C25噴射混凝土厚30 cm；拱墻設(shè)置φ42 mm小導(dǎo)管徑向注漿，長4 m，間距1.5 m×1.5 m；預(yù)留變形量70 cm。二次襯砌參數(shù)：C35鋼筋混凝土拱墻厚60 cm，仰拱厚70 cm，環(huán)向主筋φ22@200 mm，間隔雙筋布置，縱向鋼筋φ14@200 mm，箍筋φ8 mm。如圖2所示。

圖2 V級軟巖隧道襯砌斷面(單位：cm)

隧道施工采用三臺階預(yù)留核心土法(圖3)，采用銑挖機配合破碎錘非爆破法開挖。臺階高度：上臺階4.0 m，中臺階2.5 m，下臺階3.7 m，仰拱2.3 m。

圖3 三臺階工法(單位：m)

3 變形特征分析

(1)變形量大。如進(jìn)口工區(qū)DK358+000～DK358+090段的平均拱頂下沉值為444.26 mm，平均水平收斂值為408.79 mm，最大拱頂下沉值567.4 mm，最大水平收斂值543.7 mm。

(2)初期變形劇烈，持續(xù)時間長。在斷面開挖后一周內(nèi)變形一般在40～50 mm/d，前10 d內(nèi)變形一般在25～35 mm/d，一個月內(nèi)平均變形在16～22 mm/d，60 d后仍不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形速率在6～12 mm/d。如果預(yù)留變形量不足，就必然導(dǎo)致支護(hù)侵界和拆換。

如圖4、圖5分別為兩水隧道DK358+045斷面拱頂下沉及水平收斂曲線。開挖過程中，前2 d的變形最大，其次是在中下臺階鋼架接長時變形加劇，仰拱封閉后逐漸減緩，但仍在發(fā)展。最長的持續(xù)60 d后仍無明顯穩(wěn)定跡象。

圖4 DK358+045斷面拱頂下沉曲線

圖5 DK358+045斷面水平收斂曲線

(3)變形分布不均勻。由于圍巖巖性、結(jié)構(gòu)分布的不均勻性，以及支護(hù)參數(shù)、施工方法、施工步距、輔助措施等差異，實測拱頂下沉及水平收斂沿隧道縱向分布時高時低，呈不均勻分布。

4 大變形原因分析

4.1 地質(zhì)因素

兩水隧道洞身穿越地層主要為志留系千枚巖夾板巖，含炭質(zhì)鱗片交晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。受構(gòu)造影響，褶皺發(fā)育，薄片、薄層狀巖層被節(jié)理切割成碎塊狀，巖體破碎穩(wěn)定性差。從地質(zhì)構(gòu)造板塊分析，屬于青藏高原邊緣多板塊擠壓區(qū)，軟巖與強變形再加板塊擠壓形成高地應(yīng)力。

(1)圍巖強度低(2.93～4.71 MPa)，屬極軟巖，且遇水軟化、自穩(wěn)能力極差。

(2)圍巖結(jié)構(gòu)松散破碎，巖體間粘結(jié)力差，開挖擾動后周邊巖體極易沿結(jié)構(gòu)面松弛、滑移和墜落，開挖后石砟大多呈粉末狀。

(3)巖層結(jié)構(gòu)面傾斜、千枚巖與板巖強度不均、厚度不均，造成巖層構(gòu)造偏壓嚴(yán)重，以致沿隧道斷面受力及變形不均而引起支護(hù)開裂、扭曲。

(4)地應(yīng)力水平極高，實測水平地應(yīng)力大于自重應(yīng)力，側(cè)壓力系數(shù)多大于1.0，受構(gòu)造作用明顯。

4.2 設(shè)計因素

設(shè)計階段對地質(zhì)巖性及構(gòu)造特征認(rèn)識不足，設(shè)計支護(hù)剛度及預(yù)留變形量偏小。

4.3 施工因素

隧道施工擾動是隧道產(chǎn)生大變形的直接誘因。采用三臺階法施工，受臺階長度、臺階高度、仰拱封閉時間、輔助措施不到位等多種因素影響，加劇了變形發(fā)展。

5 隧道大變形控制技術(shù)措施

5.1 提高初期支護(hù)的剛度

提高初期支護(hù)剛度可較有效地抵御前期變形，根據(jù)現(xiàn)場變形實際情況，初期支護(hù)的鋼架做過多次調(diào)整，由最初設(shè)計的I20，間距50 cm，逐步調(diào)整到H175，間距50 cm后，鋼架扭曲的現(xiàn)象得到了一定控制。

5.2 適度加大預(yù)留變形量

對于大變形隧道，單純依靠提高初期支護(hù)剛度限制圍巖變形是不夠的，只有給圍巖足夠的變形空間，既允許圍巖適度變形又限制圍巖變形，使圍巖與支護(hù)達(dá)到新的平衡狀態(tài)時不致使支護(hù)侵限。為了防止初期支護(hù)侵限拆換，考慮到圍巖變形的不均勻性，預(yù)留變形量需要根據(jù)實際變形情況靈活調(diào)整。預(yù)留變形量u需要在實測變形量u0基礎(chǔ)上考慮偏差u1。根據(jù)經(jīng)驗，u1取100 mm。為了確保二襯厚度，還要考慮初期支護(hù)在二襯之前不能穩(wěn)定，變形仍在持續(xù)，而鋪設(shè)土工布后遮擋了觀測點，無法繼續(xù)觀測，從鋪土工布到澆筑混凝土，要經(jīng)歷鋪設(shè)土工布、綁扎鋼筋、臺車就位等多道工序，一般需要3～4 d，這幾天的變形無法測量，也需要考慮預(yù)留值u2。u2可以根據(jù)最后一周的變形量推算。如DK358+000～+090段實測最大變形量567 mm，二襯前的變形量為6～10 mm，計算時取平均值8 mm，時間按4 d計算，u2=8×4=32 mm。

即u0=567 mm，u1=100 mm，u2=32 mm，

則預(yù)留量u=u0+u1+u2=567+100+32=699 mm。

取u=700 mm。

根據(jù)實測變形情況，拱部和邊墻可以采用不同的預(yù)留變形量。按該思路設(shè)置預(yù)留量后，初期支護(hù)侵限的現(xiàn)象明顯減少。完工后的雷達(dá)掃描檢查，二襯厚度也是滿足的。

5.3 施工開挖

爆破法開挖對圍巖的擾動過大，往往造成初期支護(hù)突發(fā)性鼓出變形。為了避免這種現(xiàn)象，現(xiàn)場采用了銑挖機開挖周邊，破碎錘開挖中部的組合開挖法，有效減少擾動，杜絕了突發(fā)性鼓出變形。

5.4 加強鎖腳

拱腳及墻腰等鋼架連接部位往往是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。有效的長錨桿鎖腳，是控制初期支護(hù)大變形的主要措施之一。圍巖變形后，松動圈的范圍擴大，鎖腳錨桿的長度必須深入到穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，才能發(fā)揮鎖固作用。最初采用4 m的螺紋鋼筋做錨桿，效果差、變形大。后來改為R32N自進(jìn)式錨桿，長度加長到6 m，效果明顯。為了保證鎖固效果，錨桿應(yīng)及時注漿。

5.5 加強鋼架縱向連接

加強初期支護(hù)鋼架間的縱向連接，拱部及連接部位采用工字鋼型鋼鋼架替代原設(shè)計中的φ22 mm螺紋鋼縱向連接，加強鋼架整體性和抵御隧道縱向位移能力，提高初期支護(hù)穩(wěn)定性，抑制圍巖大變形。

5.6 微臺階開挖

短進(jìn)尺、早封閉是控制圍巖大變形的有效措施，縮短循環(huán)進(jìn)尺、及時封閉初期支護(hù)是軟巖隧道變形控制的重要原則。通過比較微臺階比中長臺階更易于控制變形。施工中采用三臺階法，調(diào)整后的上中下三臺階長度分別為4、6、6～10 m，開挖循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，支護(hù)封閉步距為20 m左右，封閉時間控制在15～20 d，二襯步距控制在30～35 m，二襯施做時間控制在30～35 d。

5.7 實時監(jiān)控量測

增加監(jiān)控量測項目和監(jiān)測頻率，及時掌握施工各階段圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形情況。監(jiān)測項目主要包括拱頂下沉、水平收斂、三維位移、圍巖壓力及支護(hù)應(yīng)力等。通過量測掌握圍巖的受力變形規(guī)律，及時反饋到設(shè)計施工中，及時調(diào)整預(yù)留量、支護(hù)參數(shù)、施工步序及二襯施做時機。

6 隧道大變形控制效果分析

在采取了系列大變形防治措施后，隧道變形、支護(hù)開裂、扭曲等現(xiàn)象得到了較為有效的控制。以進(jìn)口工區(qū)DK358+000～DK358+180區(qū)段為例說明。

DK358+000～DK358+090段，采用三臺階法施工，上臺階長度5～6 m，中臺階長度6～8 m，下臺階長度6～10 m，仰拱封閉距離30～35 m，二襯距掌子面50～60 m。仰拱封閉時間一般為30～35 d，二襯施做時間一般為45～50 d。DK358+000～DK358+090段平均拱頂下沉值為444.26 mm，平均收斂值為408.79 mm，最大下沉值567.4 mm(DK358+010)，最大收斂值543.7 mm(DK358+055)。

DK358+090～DK358+180段，采用微臺階法施工，仰拱封閉距離控制在15～20 m，并采取了系列大變形防治措施后平均拱頂下沉225.17 mm，平均水平收斂251.54 mm，變形得到了較為有效的控制。圖6、圖7分別為進(jìn)口工區(qū)DK358+000～DK358+180區(qū)段拱頂下沉及水平收斂縱向分布曲線。

圖6 兩水隧道DK358+000～DK358+180段拱頂下沉縱向分布曲線

圖7 兩水隧道DK358+000～DK358+180段水平收斂縱向分布曲線

圖8為微臺階法施工現(xiàn)場照片，圖9、圖10分別為DK358+125斷面拱頂下沉及水平收斂時間曲線。

圖8 微臺階法施工

圖9 DK358+125斷面拱頂下沉曲線

圖10 DK358+125斷面水平收斂曲線

6 結(jié)論與體會

(1)高地應(yīng)力、圍巖強度低是軟巖隧道產(chǎn)生大變形的內(nèi)在因素，設(shè)計施工措施不能適應(yīng)現(xiàn)場需要是軟巖產(chǎn)生大變形的外部因素，兩者共同作用導(dǎo)致了軟巖大變形。

(2)短臺階或微臺階工藝有利于快速施工。仰拱及早封閉成環(huán)，二襯適時緊跟是控制大變形的有效手段之一。

(3)自進(jìn)式長錨桿鎖腳并及時有效注漿，也是控制圍巖大變形的有效手段之一。

(4)對于軟弱圍巖大變形隧道，預(yù)留合理的變形量既能達(dá)到釋放圍巖壓力，又能防止初期支護(hù)侵入隧道凈空，是避免拆換初期支護(hù)的有效辦法。

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