淺談木寨嶺隧道施工中的問題

蒙高磊　李皓瑋　劉明道　劉之葵

摘 要：通過剖析木寨嶺隧道的工況以及主要地質特征，介紹蘭渝鐵路木寨嶺隧道施工中遇到的問題，結合工程實例分析了隧道產生塌方以及軟巖大變形的原因，并針對這些問題提出了合理、有效的施工建議，為今后類似的隧道工程提供借鑒。

關鍵詞：隧道 炭質板巖 塌方 大變形

中圖分類號：U459.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0009-03

Abstract：Through analyzing the working conditions and the main geological characteristics of the Wood Village Ridge Tunnel， introduce lanzhou-chongqing railway wooden village ridge of the problems in the tunnel construction， combining with engineering examples， the article analyses the collapsed tunnel and the reason for the large soft rock deformation， and aimed at these problems puts forward the reasonable and effective construction suggestions， provide reference for similar tunnel projects in the future.

Key Words：Tunnel； Carbonaceous slate；Collapse； Large deformation

隨著我國改革的深入，我國的經濟建設也蓬勃發(fā)展，對于鐵路、公路等基礎設施的投資力度也不斷加大。隨著路網的不斷完善，特別是隧道的建設，越來越向著深埋、長、大等方向不斷發(fā)展，各種工程問題亦隨之出現(xiàn)，例如國外的奧地利陶恩隧道[1]、阿爾貝格隧道[2]、日本的惠那山隧道[3]以及國內的木寨嶺公路隧道[4]、南昆鐵路家竹菁隧道[5]、蘭新鐵路烏鞘嶺隧道[6]等都出現(xiàn)了不同程度的圍巖大變形問題，給隧道的正常施工造成很大的影響。該文結合工程實際對正在施工的木寨嶺隧道遇到的問題進行分析，以期為后續(xù)類似工程的施工提供建設性的建議。

1 工程概況

蘭渝鐵路是連接我國西北與西南的重要鐵路干線，而其中的木寨嶺雙洞單線隧道是蘭渝鐵路全線唯一一座動態(tài)設計的極高風險隧道，線路基本呈北南走向，線路右側有5座輔助坑道，左側有3座輔助坑道，具體見圖1。木寨嶺位于甘肅省定西市岷縣與漳縣交界處的嶺羅山區(qū)，是渭河與洮河的分水嶺，也是隴南通往定西、蘭州的屏障。在2004年，連通西北與西南的212國道在這里棄彎取直，拋棄原有彎急坡陡的越嶺公路，通過1 700 多米的木寨嶺公路隧道連通山嶺兩邊的岷、漳二縣，而蘭渝鐵路木寨嶺隧道以19 068 m的長度穿越這一巨大的分水嶺，其長度僅次于全長28 236 m西秦嶺隧道，為蘭渝線第二長隧。木寨嶺隧道地處震區(qū)，通過11條斷層，隧道洞身穿過3個背斜及2個向斜構造，地質條件非常復雜；隧道穿越的板巖及炭質板巖區(qū)占全隧的46.53%，該巖石遇水易崩解軟化，圍巖穩(wěn)定性極差，且炭質板巖區(qū)可能有瓦斯外溢；隧道穿越的山體含水量大，開挖中易發(fā)生突水突泥；隧道通過區(qū)有總長4.5 km的11條長大斷層破碎帶沿隧道走向交叉分布，極易發(fā)生圍巖大滑坍。

2 主要地質特征

木寨嶺隧道是比較典型的板巖隧道工程，而其中炭質板巖段易發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。炭質板巖外觀為青灰色-黑色，板狀構造，變晶結構，主要成分砂質、鈣質、炭質、鐵質等，含石英細粒，裂隙、節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化，Ⅵ級軟石，σ0= ，風化層厚5～10 m，Ⅲ級硬土，σ0= 。巖層產狀：以N60～70E/25～66S，EW/35～85N，N40E/50～70為主。炭質板巖的力學特性與結構面傾角大小相關，結構面受力后易發(fā)生剪切破壞和產生順層滑移破壞，板巖浸水后強度降低50%。且在通過水壓致裂法測試后表明[7]：木寨嶺隧道區(qū)域地應力分布為顯著的水平構造應力特征（σH>σh>σv），都屬于極高和高地應力地段，最大主應力與隧道軸線基本一致，故對隧道穩(wěn)定性影響較小，但對斜井施工有很大影響。

3 主要工程問題

3.1 隧道塌方

在炭質板巖地層中，隧道爆破完畢之后，初期掌子面形成較好，然而隨著圍巖暴露時間的增長，開挖面不斷出現(xiàn)掉塊，最后出現(xiàn)坍塌，若遇到圍巖富含裂隙水的情況則坍塌更為嚴重，如圖2。

3.2 軟巖大變形

由于木寨嶺隧道所處高地應力地區(qū)，且隧道穿越地段多為膨脹性的炭質板巖，因此在隧道斜井施工中出現(xiàn)較多軟巖大變形的地段。從總體變形監(jiān)測情況來看，在幾個變形的隧道斜井中最早出現(xiàn)變形的是5#鹿扎斜井，發(fā)生在2009年5月初；7#大戰(zhàn)溝斜井的變形時間最長，變形范圍最大，從2009年5月開始變形一直持續(xù)到9月；6#大溝莊斜井的變形出現(xiàn)在2009年7、8月間，日變形量和最終變形量都不是很大，但由于后期地下水的涌出，其變形量逐漸增大，在變形期間開挖面先后兩次出現(xiàn)股狀流水，圍巖遇水后承載力降低變形增大；2#大坪斜井出現(xiàn)時間較晚，變形范圍也較小，但是其日變形量比較大，部分測量點的最終變形也較大；3#大坪有軌斜井的主副井變形比較顯著，日變形量也比較大，自2009年6月以來，主、副井先后發(fā)生了4次大變形，變形范圍從30～70 m不等，表現(xiàn)為拱墻大面積噴混凝土開裂、掉塊，鋼拱架整體往洞身方向徑向變形開裂。量測數(shù)據(jù)顯示變形主要為收斂變形較大，同時伴隨拱頂下沉，且收斂速度較快。在斜6+59～5+90變形段從2009年8月22日開始變形突然加劇，且速度極快，在一天內拱墻初支混凝土出現(xiàn)大范圍開裂、掉塊，斜6+22位置拱頂斷裂，見圖3、圖4。

4 問題原因分析及處理措施

對于隧道塌方，根據(jù)斜井開挖的巖層顯示，炭質板巖為薄層狀，層厚5～30cm，節(jié)理發(fā)育，圍巖破碎，在開挖爆破之后圍巖應力重分布，使得外露圍巖形成一道塑性松動圈，巖體間摩阻力降低，受重力與地應力雙重作用，表層巖塊掉落，隨之第二次應力重分布，逐漸形成塌方。其次，炭質板巖主要為軟質巖，本身節(jié)理裂隙發(fā)育，結構面光滑，圍巖完整性差，根據(jù)隧道頂部圍巖平衡拱理論圍巖越破碎，所需支護力也越大，更易形成塌方，且受地下水影響，巖體遇水后強度急劇下降，層間泥質充填物在裂隙水的作用下失去膠結作用，造成巖體強度降低的同時因裂隙水帶走層間結合物，導致巖體完整性的進一步破壞。在施工過程中由于開挖進尺過大未能及時支護以及施工過程不夠細致也是導致隧道塌方的原因。對于塌方可在以下幾個方面著手。

（1）在設計階段，對于隧道的危險地段應盡量采取超前錨桿或管棚等超前支護措施，抑或根據(jù)地下水發(fā)育情況采取超前注漿等圍巖加固措施，增加圍巖的穩(wěn)定性。

（2）在施工階段，在開挖前拱部范圍采取超前支護措施，減少圍巖掉塊，防止松動圈擴大；在開挖時采用控制爆破和臺階法開挖，減少爆破對圍巖的擾動，增強圍巖自身承載力和穩(wěn)定性；在開挖后要及時的進行初期支護，使尚未達到整體破壞的周邊巖體及時得到徑向抗力，使局部應力狀態(tài)由二維轉向三維，從而提高承載力[8]。

在木寨嶺隧道的施工過程中遇到最多的是軟巖大變形，軟巖大變形問題實際上是一個塑性大變形問題，針對變形的特點以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，其成因可從以下幾個方面進行分析。

（1）地質條件。木寨嶺隧道的大變形段多為巖質板巖和斷層破碎帶，炭質板巖具有膨脹性，質軟，遇水易崩解，巖體自身強度低，其巖層走向與隧道軸線夾角較小，巖層膨脹所產生的側壓及開挖后應力均較大，易產生側向大變形；此外，通過地質素描圖可看出在巖層產狀相差不大的情況下，特別是在斷層破碎帶，節(jié)理越發(fā)育，變形越明顯，且隧道所處均為極高和高地應力區(qū)域，加劇了軟巖變形的速度以及規(guī)模。

（2）支護條件。一方面是初期支護強度不夠，使得其剛度不足以抵抗強大的地應力作用，從而產生變形；另一方面是施工工序間隔時間過長，未能及時形成封閉的支護體系，使得初期支護在無約束下產生無限制性變形，最終發(fā)展成圍巖大變形。

（3）施工條件。施工初期隧道斜井斷面采用直墻結構，因各斜井與主隧道斜交，斜井走向與所受主應力方向基本垂直，在施工一段時間后直墻在側壓作用下內鼓變形，結構抗力急劇減小，導致塑性變形加大，后期施工在采用曲率較大的圓形斷面之后發(fā)現(xiàn)斜井變形的情況有明顯的好轉，因此可以判斷隧道斷面形式的選擇亦是產生大變形的原因。此外由于有的斜井坡度較大，開挖方法不當導致初支成環(huán)不及時，并在重力作用下隨著井深的增長造成邊墻變形開裂和仰拱上鼓。

針對之前對木寨嶺隧道軟巖大變形的分析，為確保施工進度、抑制其變形可采取以下措施[9]。

（1）加強變形監(jiān)測工作，不僅要對變形區(qū)域進行長期的監(jiān)測，對于初期變形不明顯區(qū)域也要建立長效的監(jiān)測機制，未雨綢繆。

（2）采用合理的支護形式、支護時機以及支護參數(shù)，盡量進行超前設計，并對后續(xù)施工可能出現(xiàn)的問題提出相應的應對方案。

（3）采用合理的隧道斷面形式，應用早高強濕噴混凝土，抑制圍巖變形，提高初期支護強度，在施工過程中預留變形量以釋放殘余應力。

5 結語

目前木寨嶺隧道即將全斷面貫通，在斜井與主線貫通之后由于正洞斷面增大，凈空的要求與大變形的控制標準也要相應地提高，因此之前斜井施工中的一些經驗教訓顯得格外重要，將為后續(xù)類似工程提供寶貴的施工經驗。

參考文獻

[1] 金鑫.陶恩隧道掘進中的一些經驗[J].隧道譯叢，1976（2）：50-54.

[2] 劉達仁.阿爾貝格隧道掘進中的支護問題[J].隧道譯叢，1970（5）：32-42.

[3] 鄒崇富.惠那山隧道長平譯斷層中新奧法的設計和施工[J].隧道譯叢，1986（1）：37-46.

[4] 中國公路學會.2003全國公路隧道學術會議論文集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5] 鐵道部第二勘察設計院.高應力比煤系地層巷道穩(wěn)定及支護技術[Z].

[6] 卿三惠，黃潤秋.烏鞘嶺特長隧道軟弱圍巖大變形特性研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2005，42（2）：7-14.

[7] 巨小強.木寨嶺隧道越嶺區(qū)區(qū)域地應力特征分析及應用[J].鐵道勘察，2010（2）：33-35.

[8] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京：人民交通出版社，2010.

[9] 楊新安，黃宏偉.隧道病害與防治[M].上海：同濟大學出版社，2003.