炭質(zhì)泥巖地層隧道變形控制技術研究

王世清， 楊昌賢

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司 城交分院，天津 300251)

1 工程概況

牡綏線興源隧道位于黑龍江省穆棱市興源鎮(zhèn)境內(nèi)，全長3 427 m，為雙線隧道，隧道最大埋深約123 m，2011 年變更設計增加一座斜井。隧區(qū)地處新華夏系構造體系第二隆起帶—老爺嶺隆起東側，興源向斜的北西翼，其中第二隆起帶內(nèi)構造體系復雜繁多，不同時期、不同等級、不同性質(zhì)的斷裂構造十分發(fā)育，多有交叉跡象，并常伴有次級斷裂，使得區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造極為復雜化。

隧道穿越地層主要為薄層炭質(zhì)泥巖夾砂巖，其中砂巖為灰白色，炭質(zhì)泥巖黑色發(fā)亮。由于受區(qū)域地質(zhì)構造作用，具有明顯的摩擦鏡面和扭曲、揉皺現(xiàn)象，易產(chǎn)生層間滑動，圍巖節(jié)理、裂隙極發(fā)育，手掰易碎，巖體較破碎，多呈碎塊、角礫狀，且?guī)r層走向不利于隧道穩(wěn)定，開挖接觸空氣或水后巖體急劇衰變劣化。施工過程中表現(xiàn)為開挖后掌子面巖體快速剝落，易塌方，變形迅速且量值大，出現(xiàn)初期支護噴射混凝土開裂剝落，型鋼鋼架扭曲局部甚至折斷，支護內(nèi)鼓，凈空侵限等現(xiàn)象，現(xiàn)場施工進度極其緩慢。

2 大變形判別及原因分析

2．1 大變形判別

大變形是相對正常變形而言，目前隧道界對此無統(tǒng)一的定義和判別標準。各類圍巖在正常施工條件下都會產(chǎn)生一定的變形，現(xiàn)行規(guī)范中取一定的預留變形量來容納這些變形量值。國內(nèi)許多學者對此開展了一系列的研究［1-4］，取得了一系列的成果。興源隧道自2010 年7 月8 日開工以來，掌子面僅完成開挖約1 600 m，每掌子面月開挖僅約為20 m。施工過程中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反應變形段變形速率大多＞60 mm/d，累計變形＞500 mm 的測點超過98 個，其中最大累計變形超過1 270 mm，最大變形速率達400 mm/d。結合文獻［1］結論，興源隧道屬于大變形隧道。

2．2 大變形原因分析

2．2．1 地質(zhì)因素

隧道開挖后，由于卸荷效應開挖輪廓周邊的圍巖具有恢復原狀的臨空面，而局部地層富含基巖裂隙水，周邊的水向隧道內(nèi)匯集。炭質(zhì)泥巖具有沿正交于層理方向膨脹、應力釋放的特性，由于受區(qū)域地質(zhì)構造作用影響，具有明顯的摩擦鏡面和扭曲、揉皺現(xiàn)象(見圖1)，層間幾乎無粘結力，圍巖較破碎，呈碎塊狀、角礫狀松散結構，且?guī)r層走向不利于隧道結構穩(wěn)定，開挖后與空氣或水接觸后急劇風化剝落快，使隧道圍巖無法形成自然“承載拱”，形成松散結構，從而使圍巖壓力增大，此時若支護結構未封閉成環(huán)形成整體受力結構，很難抵抗圍巖壓力。另外，圍巖產(chǎn)狀對隧道結構受力的影響很大，如進口端線路右側巖層層面傾向洞內(nèi)，造成該側側壓力較大，導致右側拱部至邊墻部位發(fā)生大變形;出口端隧道局部段落圍巖極其破碎松散，豎向壓力相對較大，對隧道兩側拱部的圍巖穩(wěn)定性影響較大。上述因素是產(chǎn)生興源隧道大變形的主要因素。

圖1 掌子面圍巖摩擦鏡面和扭曲、揉皺現(xiàn)象

2．2．2 施工因素

現(xiàn)場施工主要采用臺階法施工，施工過程中開挖進尺過大，核心土長度與高度預留的不夠，工序間銜接不夠緊密，使得開挖后臨空面圍巖剝落嚴重，其中以拱頂部位尤為明顯;初期支護封閉成環(huán)周期長或回填不密實;為增加拱腳承載力，雖然隧道開挖采取擴大拱腳，加強縱向連接和鎖腳錨管的措施，但由于大拱腳處需擴挖且仍處于軟弱地層之上，施工過程中不注意保護造成臺階節(jié)點處往往超挖嚴重，造成拱圈圍巖失去支撐點而擾動，進而導致隧道周邊松動圈范圍擴大，圍巖壓力增大;監(jiān)控量測信息反饋不及時，支護變形持續(xù)增大，未及時采取有效措施，這是產(chǎn)生興源隧道大變形的影響因素。

3 變形控制技術

根據(jù)前文分析的炭質(zhì)泥巖隧道大變形產(chǎn)生的原因，施工過程中不斷調(diào)整支護設計參數(shù)，最終確定變形控制原則為:適當預留，加強支護，快挖、快支、快封閉，二次襯砌適時施作。

3．1 調(diào)整預留變形量

適當預留變形量可有效釋放隱藏的圍巖變形能量，預防初期支護變形侵限，同時有效減少二次襯砌的分擔的圍巖荷載，保證隧道長期運營安全。結合現(xiàn)場施工積累的經(jīng)驗和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析結論，建議參數(shù)如下:一般地段預留變形量應控制在30 ～60 cm，同時對于左右側不均勻變形應分別預留，左側邊墻預留50 ～60 cm，右側邊墻及拱頂預留20 ～40 cm。

3．2 優(yōu)化施工方法

采用短臺階預留核心土法施工，局部變形速率過快處設置臨時仰拱和斜撐，其中上臺階開挖高度控制在3．5 ～4 m 之間，臺階長度控制在3 ～5 m，同時控制掌子面開挖到支護封閉成環(huán)在35 m 左右完成，從而使支護結構盡快封閉成環(huán)。施工過程中盡量減少誘發(fā)圍巖變形的不利因素，控制圍巖的變形發(fā)展。建議從以下方面控制:采用光面爆破，預裂爆破和減震爆破技術控制爆破，減少對圍巖的重復擾動;嚴格控制開挖進尺;開挖后及時初噴封閉洞周和掌子面，以減少炭質(zhì)泥巖遇空氣和水后急劇風化剝落。

3．3 加強支護體系

通過前期施工積累的經(jīng)驗，考慮到興源隧道具有變形快且量值的特點，初期支護采用雙層型鋼鋼架網(wǎng)噴混凝土加強，其中第一層支護采用剛度較大的工字鋼架，及時抵抗威嚴變形的發(fā)展，保證后續(xù)工序的開展和施工安全;第二層支護限制變形的進一步擴大和發(fā)展，從而保證整體支護體系不會發(fā)生破壞或破壞不會影響支護效果。由于初期支護和二次襯砌是大變形隧道支護體系中主要受力構件，控制變形應加強整個支護體系。

建議支護參數(shù)如下:拱墻部位第一層鋼架采用I22b 型鋼鋼架，0．6 m/榀，噴射混凝土厚度為27 cm，第二層鋼架采用I18 或I20a 型鋼，全環(huán)設置，0．6 m/榀，其中拱墻噴射混凝土厚度為23 cm，仰拱部位噴射混凝土厚度為25 cm;拱墻部位設置雙層Φ8 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;邊墻采用Φ22 砂漿錨桿，長4．0 m，環(huán)向間距1．2 m，縱向間距1．0 m，尾部設置鋼墊板;超前支護使用Φ42 小導管，壁厚3．5 mm，長3．5 m，環(huán)向間距4 根/m;增加二次襯砌厚度為55 cm，并加強結構配筋:主筋為Φ25@20 cm，分布筋Φ16@25 cm，箍筋Φ8@25 cm×20 cm。另外，節(jié)點處采用輕型I14 型鋼加強鋼架縱向連接;鎖腳錨管施作后要求注漿，長度由4．5 m 調(diào)整為6 m。

4 現(xiàn)場應用效果驗證

為檢驗上述措施的安全合理性，施工過程中不僅進行了拱頂下沉、周邊收斂等必測項目的量測，還對圍巖壓力、鋼支撐內(nèi)力等選測項目進行了量測分析。

本文選取了進口DK409 +710 斷面和出口DK411 +968．4 斷面的位移及應力量測數(shù)據(jù)進行分析。其中DK409 +710 處采用I22b +I20a 雙層初期支護，預留變形量為55 cm，DK411 +968．4 處采用I22b +18雙層初期支護，預留變形量為50 cm。表1 是關鍵工序的時間節(jié)點。

表1 關鍵工序時間節(jié)點

4．1 變形量測數(shù)據(jù)分析

圖2、圖3 分別為進口DK409 +710 斷面和出口DK411 +968．4 斷面的拱頂下沉和周邊收斂隨時間變化趨勢圖。

圖2 DK409 +710 處變形時間曲線

圖3 DK411 +968．4 處變形時間曲線

分析圖2、圖3 可知，進口DK409 +710 處拱頂下沉為30．6 cm，周邊收斂為47．6 cm;出口DK411 +968．4 處拱頂下沉為42．8 cm，周邊收斂為35．5 cm。兩者變形具有如下規(guī)律:進口端周邊收斂大于拱頂下沉，而出口端則與之相反，拱頂下沉大于周邊收斂;變形量值受施工干擾大，掌子面開挖、中臺階施工、下臺階開挖和仰拱開挖時變形速率均變大;變形持續(xù)時間長，初期支護封閉成環(huán)后仍然未停止變形，甚至有發(fā)展，收斂特征不明顯。

4．2 應力量測數(shù)據(jù)分析

圖4 ～圖9 分別為進口DK409 +710 斷面和出口DK411 +968．4 斷面的圍巖壓力和第一層鋼支撐應力隨時間變化趨勢圖。

出口端部分量測儀器雖然由于施工過程中的破壞后期無測試數(shù)據(jù)，但從圖中基本可以看出興源隧道圍巖壓力和鋼支撐內(nèi)力隨時間變化具有一定的規(guī)律:進口端拱腳處圍巖壓力大于拱頂處圍巖壓力，而出口端則相反，拱頂處圍巖壓力大于拱腳處圍巖壓力，這與前文分析變形規(guī)律基本對應;進口端右拱腳圍巖壓力大于左側拱腳和拱頂圍巖壓力，造成結構偏壓，這與前文分析的圍巖產(chǎn)狀密切相關;圍巖壓力和鋼支撐內(nèi)力受施工干擾波動大，但總體呈“上升～平緩”的特征，說明施工過程中圍巖應力發(fā)生了重分布;進口端DK409 +710 處圍巖壓力最大值為1．2 MPa，鋼支撐應力最大值為288．8 MPa，出口端DK411 +968．4 處圍巖壓力最大值為0．6 MPa，鋼支撐應力最大值為312．3 MPa，測試結果表示圍巖壓力較大，但由于現(xiàn)場鋼架采用Q235 工字鋼，其屈服強度為235 MPa，抗拉強度為375 ～460 MPa，測試部分部位已超過屈服強度，但未到抗拉強度，故現(xiàn)場鋼架未斷裂，及時進行第二層鋼架支護和加強二次襯砌以抵抗圍巖變形和分擔受力是必要。結合變形量測具有無明顯減緩收斂的特點判斷:圍巖后期變形主要以蠕變?yōu)橹鳌?/p>

圖4 進口DK409 +710 處圍巖壓力時間曲線

圖5 DK409 +710 處第一層鋼架外側應力時間曲線

圖6 DK409 +710 處第一層鋼架內(nèi)側應力時間曲線

圖7 DK411 +968．4 處圍巖壓力時間曲線

圖8 DK411 +968．4 處第一層鋼架外側應力時間曲線

圖9 DK411 +968．4 處第一層鋼架內(nèi)側應力時間曲線

5 結論

(1)興源隧道炭質(zhì)泥巖具有圍巖變形量大，變形速度快且持續(xù)時間長，變形受施工開挖擾動大，后期變形主要為蠕變，無明顯減緩趨勢的特點，故應對支護體系的應力和變形進行長期觀測，以進一步評價隧道運營安全。

(2)通過對興源隧道炭質(zhì)泥巖大變形的分析，可以看到大變形不可避免，但采取“適當預留，加強支護，快挖、快支、快封閉，二次襯砌適時施作”的原則可以控制變形。

(3)對于炭質(zhì)泥巖地層大變形隧道的二次襯砌應提早施作，以便讓二次襯砌承擔一部分圍巖壓力，且有利于隧道穩(wěn)定，但該地層二次襯砌施作時機有必要進行進一步研究。

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