牡綏鐵路興源隧道軟巖大變形控制技術(shù)

徐　松

(中國鐵建二十二局集團(tuán)有限公司， 北京　100044)

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牡綏鐵路興源隧道軟巖大變形控制技術(shù)

徐松

(中國鐵建二十二局集團(tuán)有限公司， 北京100044)

為解決東北地區(qū)高地應(yīng)力軟巖隧道產(chǎn)生的大變形問題，針對薄層狀炭質(zhì)泥巖夾砂巖，從臺階長度高度、主要的技術(shù)措施以及施工組織措施等方面進(jìn)行研究。主要研究結(jié)論如下：1)在開挖和支護(hù)技術(shù)上，上臺階高度為3.5 m，采用單層I25b工字鋼、φ89洞身管棚，鎖腳采用φ89大直徑長鎖腳，增加縱向型鋼連接及全環(huán)徑向注漿加固等支護(hù)措施； 2)施工組織措施上，采取快挖快支快封閉、仰拱二次襯砌適時跟進(jìn)的施工原則。采用以上軟巖隧道施工方法，有效地控制了圍巖變形，確保了施工安全，加快了施工進(jìn)度。

牡綏鐵路； 興源隧道； 高地應(yīng)力； 軟巖； 大變形隧道； 控制技術(shù)

0　引言

軟巖大變形隧道的施工問題自20世紀(jì)60年代起就作為世界性難題被提出，是困擾隧道建設(shè)者的突出問題，也是國內(nèi)外隧道工程界普遍關(guān)注的焦點和難點問題之一。如何才能有針對性地研究控制技術(shù)，發(fā)揮支護(hù)的最佳效果，國內(nèi)外專家從理論到實踐在各個領(lǐng)域都做了許多探索和研究。研究方向主要體現(xiàn)在軟巖的變形機制[1-3]、支護(hù)結(jié)構(gòu)與軟弱圍巖相互作用規(guī)律等方面、軟巖流變的本構(gòu)關(guān)系[4-5]、軟巖支護(hù)原則[6]以及最佳支護(hù)時機[7]。如孫偉亮[8]、王水善[9]基于隧道施工力學(xué)行為分析,制定了“超前支護(hù)、初期支護(hù)加強、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?jì)、及時封閉、底部加強、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預(yù)報”的快速施工原則和總體方案；鄒翀[10]通過調(diào)研蘭渝鐵路，得到控制軟巖隧道變形的施工方法；趙福善[11]在保證安全施工的基礎(chǔ)上，提出了軟巖隧道大變形分級標(biāo)準(zhǔn)及其對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)；唐紹武[12]認(rèn)為針對大變形軟巖隧道應(yīng)放抗結(jié)合，先讓發(fā)生較大變形，后提高其剛性支撐。以上這些研究大多都是針對某個特殊的工程案例，研究成果有一定的局限性。

興源隧道處于大頂山東南翼興源復(fù)向斜西北翼，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層發(fā)育，巖層褶皺扭曲變形嚴(yán)重，巖體軟弱破碎，地下水豐富，地質(zhì)構(gòu)造造成地應(yīng)力高且存在偏壓等影響，與以往發(fā)生變形隧道相比，興源隧道變形持續(xù)時間更長，普遍達(dá)到60 d的時間，施工過程中發(fā)生過多次拆換拱架后繼續(xù)發(fā)生變形的情況。隧道區(qū)域地下水豐富，如果在施工過程中不能采取合理有效的變形控制措施將無法阻止隧道的變形和破壞，施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度無法保障。本文通過現(xiàn)場支護(hù)措施作用效果與變形數(shù)據(jù)反饋分析總結(jié)出一整套控制變形的措施。

1　工程概況

興源隧道位于黑龍江省穆棱市興源鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道區(qū)為低山丘陵區(qū)，屬于老爺嶺山系。地形起伏較大，山嶺陡峭，“V”型沖溝發(fā)育。隧道區(qū)植被茂密，部分辟為耕地。隧道進(jìn)口里程為DK409+090，出口里程為DK412+517，全長3 427 m，是大斷面雙線隧道(開挖面積156 m2)，隧道內(nèi)最大埋深約123 m。施工開挖揭示地層為薄層炭質(zhì)泥巖夾砂巖，砂巖為灰白色，炭質(zhì)泥巖黑色發(fā)亮，具有明顯的不均勻性。根據(jù)地形圖資料顯示，偏壓現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致線路右側(cè)較左側(cè)地應(yīng)力高。由于受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用，巖層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。節(jié)理裂隙極發(fā)育，手掰易碎，巖體破碎至極破碎，多呈碎塊狀、角礫狀，且?guī)r層走向不利于隧道穩(wěn)定。各作業(yè)面的地應(yīng)力主要來源不一，根據(jù)3個方向的地應(yīng)力關(guān)系判斷，通過現(xiàn)場實際監(jiān)測圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)進(jìn)口段地應(yīng)力主要以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，斜井地段地應(yīng)力主要以水平與自重應(yīng)力聯(lián)合作用為主，出口段地應(yīng)力主要以自重應(yīng)力為主，卸荷效應(yīng)強烈，開挖接觸空氣和水后巖體急劇衰變劣化。導(dǎo)致開挖后初期支護(hù)出現(xiàn)噴射混凝土開裂掉塊、鋼架扭曲、剪斷，引起多次換拱，圍巖級別以Ⅴ級和Ⅵ級為主，屬于軟巖大變形隧道。隧道暗洞開工階段，主要以單層I20a間距0.6 m型鋼鋼架進(jìn)行支護(hù)，后經(jīng)過不斷地優(yōu)化，最終采取單層I25b型鋼鋼架，輔以洞身φ89中管棚、φ89長大鎖腳等加強措施，施工變形預(yù)留量為50 cm，特殊困難地段增加 20 cm的措施補強空間。進(jìn)口現(xiàn)場開挖揭示的圍巖如圖1所示。斜井現(xiàn)場開挖揭示的圍巖如圖2所示。斜井DK411+413.8圍巖壓力時程曲線如圖3所示。出口現(xiàn)場開挖揭示的圍巖如圖4所示。圍巖變形示意圖如圖5所示。

2　隧道變形情況

興源隧道圍巖巖性軟弱、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、薄層狀的炭質(zhì)泥巖夾砂巖在高地應(yīng)力及偏壓作用下，產(chǎn)生較大的塑性位移。開挖后初期圍巖變形速率快、變形收斂所需時間長、最終變形量大、縱向變形不均勻剪切現(xiàn)象嚴(yán)重，是該隧道大變形的主要特征。在興源隧道施工過程中，多個里程發(fā)生大變形，圍巖失穩(wěn)變形導(dǎo)致初期支護(hù)最大橫向位移為292 cm(見圖6)，最大豎向位移為148 cm，大變形導(dǎo)致初期支護(hù)破壞拆換連續(xù)里程有1 100 m；其最大的拱頂沉降速率達(dá)到4 cm/d，右側(cè)最大的收斂速率達(dá)到5 cm/d，最大的拱頂沉降速率達(dá)到3 cm/d，變形時間長，不易控制。初期支護(hù)I25b工字鋼扭曲、剪斷如圖7所示。

圖1　進(jìn)口現(xiàn)場開挖揭示的圍巖

圖2　斜井現(xiàn)場開挖揭示的圍巖

3　施工方案

興源隧道地質(zhì)條件特殊，國內(nèi)可借鑒的隧道為蘭渝鐵路，但因軟巖大變形機制千差萬別，不同圍巖巖性、不同地質(zhì)構(gòu)造、不同圍巖賦存條件都有可能發(fā)生軟巖大變形，支護(hù)參數(shù)和施工方法不能適用于所有的軟巖大變形情況。興源隧道產(chǎn)生變形的原因：圍巖巖性軟弱、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、薄層狀的炭質(zhì)泥巖夾砂巖在高地應(yīng)力及偏壓作用下，由于開挖卸載產(chǎn)生應(yīng)力重分布，使圍巖強度迅速降低，導(dǎo)致軟巖的塑流以及圍巖的彎曲變形，產(chǎn)生較大的塑性位移。同時地下水水位較高，隧道裂隙水發(fā)育，構(gòu)造裂隙寬2～3 mm，平均1～2 m有一條裂隙，炭質(zhì)泥巖遇水軟化，改變了巖體力學(xué)參數(shù)，巖體強度大大降低，惡化了圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境，成為促進(jìn)圍巖產(chǎn)生較大變形的主要外部因素。興源隧道開工以來，多次請專家從圍巖物理力學(xué)參數(shù)、支護(hù)參數(shù)、施工方法、變形計算、大變形分級及管理等級、隧道炭質(zhì)泥巖頁巖大變形機制分析等方面進(jìn)行研究，并進(jìn)行大量圍巖壓力、鋼架應(yīng)力及監(jiān)控量測實驗。最終確定興源隧道支護(hù)方案采用單層支護(hù)，預(yù)留變形量形式，單層支護(hù)采用I25b型鋼鋼架間距60 cm；網(wǎng)噴C30早高強混凝土，厚度為32 cm；超前采用φ89洞身管棚；鎖腳采用φ89大直徑長鎖腳；增加縱向型鋼連接及全環(huán)徑向注漿加固等支護(hù)措施。洞身管棚施作后掌子面如圖8所示。

圖3　斜井DK411+413.8圍巖壓力時程曲線

圖4　出口現(xiàn)場開挖揭示的圍巖

圖5　圍巖變形示意圖

圖6　隧道最大收斂292 cm

4　關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1洞身超前管棚施工

開挖后支護(hù)鋼拱架，形成牢固的棚狀支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效控制下沉。本隧道采用φ89管棚，管棚長10 m/循環(huán)，環(huán)向間距3根/m，縱向搭接長度為3 m，拱部144°設(shè)置。管棚施工前，先設(shè)置施工作業(yè)面，工作面采用拱頂擴(kuò)挖施工，擴(kuò)挖長度及高度根據(jù)鉆機型號確定，本隧道采用RPD-180CBR鉆機，擴(kuò)挖長度為2 m，高度為40 cm，保證鉆機移動的靈活性。

圖7　初期支護(hù)I25b工字鋼扭曲、剪斷

Fig. 7Twist and break of H-steel I25b shaped steel of primarysupport

圖8　洞身管棚施作后掌子面

4.2開挖

4.2.1開挖方法

本隧道原設(shè)計采用三臺階臨時仰拱法開挖，為確保封閉成環(huán)時間，經(jīng)現(xiàn)場多次試驗優(yōu)化開挖工藝后，采用短臺階法施工，短臺階法的理念是基于各工序的“短、平、快”，即在隧道有限空間內(nèi)組織好流水作業(yè)和平行作業(yè)來提高功效，達(dá)到盡早封閉成環(huán)。本隧道仰拱封閉成環(huán)時間為15～18 d，二次襯砌封閉成環(huán)時間控制在30 d內(nèi)，到掌子面距仰拱距離控制在18～25 m，二次襯砌距掌子面距離控制在28～40 m，施工二次襯砌之前圍巖變形往往未穩(wěn)定，故二次襯砌的配筋及厚度應(yīng)進(jìn)行針對性加強，二次襯砌厚度增加至60 cm，二次襯砌鋼筋主筋采取φ28間距20 cm排列。其中，針對興源隧道大變形特征，現(xiàn)場采用三臺階七部開挖法，加快工序循環(huán)達(dá)到快封閉的目的，鋼拱架間距為0.6 m，臺階長度為5 m。開挖完成后及時施作初期支護(hù)，并施作鎖腳錨管，鎖腳錨管下斜15°，長度為8 m。通過對上臺階高度為3.5、4.0、4.5 m 3種情況進(jìn)行的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，上臺階高度為3.5 m時控制變形效果較好，同時3.5 m的高度利于人工結(jié)合機械進(jìn)行鋼架安裝作業(yè)，安全性高。拱頂豎向位移時程曲線如圖9所示。拱腰豎向位移時程曲線如圖10所示。邊墻水平位移時程曲線如圖11所示。

圖9　拱頂豎向位移時程曲線

Fig. 9Time-history curves of vertical deformation of tunnel arch crown

圖10　拱腰豎向位移時程曲線

4.2.2開挖設(shè)備革新

為減小開挖對圍巖的擾動，經(jīng)技術(shù)改造和試驗，現(xiàn)場利用換斗器巧妙地實現(xiàn)了挖掘機斗與松土器的轉(zhuǎn)換，松土器根據(jù)臺階的高度和挖掘機大小制作，現(xiàn)場回轉(zhuǎn)靈活，可實現(xiàn)上勾和下勾動作，解決了拱腳及周邊開挖問題，也降低了開挖過程中挖掘機斗對初期支護(hù)面的碰撞和破壞概率。單鉤機開挖如圖12所示。

圖11　邊墻水平位移時程曲線

圖12　單鉤機開挖

4.3φ89大直徑長鎖腳施工

鋼架架立后，先施作臨時φ42鎖腳錨管，長4.5 m，每節(jié)點4根。待有施工空間后，中下臺階迅速施工φ89鎖腳錨管，鉆孔采用液壓行走式潛孔鉆機，鉆孔直徑108 mm，孔深9 m。φ89鎖腳采用長9 m厚5 mm的無縫鋼管，每節(jié)點2根，水平向下15°打設(shè)，管身施作出漿孔，孔徑16 mm，縱向間距15 cm，沿管每環(huán)布置2個孔；端頭預(yù)留0.5 m作為止?jié){段，要求現(xiàn)場打孔深9.0 m，注漿管外露初期支護(hù)面20～35 cm。安裝后注漿加固，鎖腳與拱架采用18槽鋼焊接。φ89鎖腳示意圖如圖13所示。

圖13　φ89鎖腳示意圖(單位：mm)

4.4縱向連接結(jié)構(gòu)

為保證初期支護(hù)鋼架整體受力，鋼架與鋼架之間連接由設(shè)計φ22鋼筋改為20工字鋼，工字鋼與鋼架之間采用滿焊，共設(shè)置9道，其中上臺階5道，中下臺階各2道。鋼拱架布置圖及現(xiàn)場安裝如圖14和圖15所示。

圖14　鋼拱架縱向連接示意圖

Fig. 14Sketch diagram of longitudinal connection among steel arch

圖15　鋼拱架縱向連接結(jié)構(gòu)

4.5徑向注漿

本隧道芬納公式計算軟巖塑性范圍為5～7 m，采用卡斯特奈公式計算為4～6 m，確定徑向注漿加固范圍為初期支護(hù)輪廓線外6 m。采用長3.5 mφ50鋼管，間距環(huán)×縱=1.75 m×2.0 m，呈梅花形布置。注漿材料采用快硬硫鋁酸鹽水泥，注漿壓力為1～2 MPa，根據(jù)現(xiàn)場實驗確定注漿水灰比為0.8。

5　隧道變形控制

軟巖大變形隧道的關(guān)鍵工序為隧道的監(jiān)控量測與分析，本隧道通過圍巖變形、圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力及二次襯砌接觸壓力等現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，控制步距。

5.1監(jiān)控量測

1)地質(zhì)和支護(hù)狀況信息的觀察。觀察記錄工作面的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，作隧道地質(zhì)素描，觀察開挖面附近初期支護(hù)狀況，判斷圍巖和初期支護(hù)的可靠性。

2)圍巖壓力及鋼架應(yīng)力監(jiān)測。隧道鋼架在安裝時，同時安裝圍巖壓力盒。

3)拱頂下沉及收斂量測。施工時按分布施工測設(shè)水平線，其測點布設(shè)如圖16所示。

圖16　監(jiān)控量測點布設(shè)示意圖

5.2變形規(guī)律分析及采用措施

1)本隧道沉降規(guī)律為上中臺階開挖時對沉降收斂影響最大，上臺階施工時沉降占總沉降40%，中臺階開挖時沉降占總沉降40%，下臺階及仰拱開挖時沉降占總沉降20%。DK410+230里程斷面圍巖變形速率時程曲線如圖17所示，9月18日上臺階開挖后圍巖變形較為平緩，至9月28日中臺階開挖后圍巖變形呈遞增趨勢，9月30日打設(shè)φ89鎖腳注漿后圍巖變形呈下降趨勢，10月4日下臺階開挖圍巖變形速率略有波動，但10月5日打設(shè)φ89鎖腳注漿后圍巖變形速率繼續(xù)下降并趨于穩(wěn)定。隧道開挖后各項措施的施工時間不宜拖延過長，務(wù)必在3～5 d將控制變形的措施實施到位，同時快挖快支快封閉，仰拱跟至下臺階，及時封閉成環(huán)。

圖17　DK410+230里程斷面圍巖變形速率時程曲線(2012年)

Fig. 17Time-history curves of surrounding rock deformation velocity at cross-section DK410+230 in 2012

通過建立預(yù)警機制確保施工安全，安全等級及控制措施見表1。

表1　安全等級及施工應(yīng)對措施表

2)圍巖壓力和接觸壓力結(jié)果均表明右拱腰部位承受很大的圍巖變形荷載，結(jié)合圍巖地層巖性綜合分析表明，受圍巖流變特性及巖層走向、傾向的影響，圍巖主要變形破壞向右拱腰臨空面發(fā)展，因此對右拱腰的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的荷載作用，現(xiàn)場采用不對稱支護(hù)措施，右側(cè)拱腰增加4根N32自進(jìn)式錨桿，錨桿長8 m。

3)拱架受力滿足橫截面正應(yīng)力分布特征，且表現(xiàn)出整體受壓，拱架受力對各部分開挖表現(xiàn)敏感，隨著開挖拱腳約束解除，其受力迅速發(fā)生變化，待下部拱架設(shè)立重新建立約束，其受力重新迅速建立平衡。整體上看，上部拱架受力明顯大于下部，說明大變形主要發(fā)生在拱頂及拱腰部位，監(jiān)測圖如圖18和圖19所示。

圖18　DK411+414里程斷面鋼支撐應(yīng)力時程曲線

Fig. 18Time-history curves of steel arch support at cross-section DK411+414

圖19　DK411+969二次襯砌右側(cè)邊墻接觸應(yīng)力時程曲線

Fig. 19Time-history curve of contact stress on sidewall at cross-section DK411+969

4)隨著二次襯砌強度的增加，其承擔(dān)初期支護(hù)產(chǎn)生的接觸壓力也隨之增長，且在二次襯砌施作后8 d內(nèi)基本達(dá)到平穩(wěn)階段，此后圍巖變形較小，二次襯砌受力緩慢增大，最終達(dá)到0.2 MPa左右，隧道圍巖變形與支護(hù)受力之間的相互作用基本達(dá)到平衡。

6　結(jié)論與建議

我國鐵路的高速發(fā)展促使高地應(yīng)力軟巖隧道越來越常見，因此很有必要去總結(jié)像興源隧道這樣具有代表高地應(yīng)力軟巖隧道的施工工法和整套的支護(hù)參數(shù)，為以后的工程實際提供合理安全的施工方案。本文以興源隧道為背景，對其變形特征、變形規(guī)律和支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下。

1)隧道的構(gòu)造應(yīng)力造成了高地應(yīng)力，地層巖性、地層構(gòu)造、軟弱夾層和地下水是圍巖產(chǎn)生大變形的重要影響因素。變形速率總量大部分表現(xiàn)為4+4+2(上臺階開挖后變形總量+中臺階開挖后變形總量+下臺階開挖后變形總量)或3+3+3+1(上臺階開挖后變形總量+中臺階開挖后變形總量+下臺階開挖后變形總量+仰拱開挖后變形總量)。施工過程中確定每個臺階開挖后確保各項加強措施如φ89鎖腳、徑向注漿及R32N高強錨桿需要在3～5 d施工完成，通過措施參與達(dá)到控制圍巖變形的目的。

2)大變形隧道支護(hù)的過程中要根據(jù)圍巖的變形速率、變形總量靈活運用各項措施，確保支護(hù)時間的合理性。及時調(diào)整和修正支護(hù)措施，根據(jù)現(xiàn)場實際情況來選擇針對性和適應(yīng)性的施工技術(shù)方案。

3)通過對已完成段的量測數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，預(yù)判前方需要預(yù)留變形量的大小，圍巖變形穩(wěn)定的時間周期需要多久，從而確定仰拱、二次襯砌的合理施工時間，以此為基準(zhǔn)加快現(xiàn)場的施工組織，以達(dá)到工序良性循環(huán)的目的。為防止二次襯砌受力開裂影響運營期間的安全，應(yīng)在施工過程中積極研究加強二次襯砌的配筋及厚度。

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Large Deformation Control Technologies for Soft Rock of Xingyuan Tunnel on Mudanjiang-Suifenhe Railway

XU Song

(China Railway 22nd Bureau Group Co., Ltd., Beijing 100044, China)

Study is made on large deformation of soft rock tunnel with high ground stress located in thin bedded carbonaceous mudstone interbedded sandstone in Northeast China in terms of bench height and length, construction technologies and construction organization. Some conclusions are drawn as follows: 1) The height of top heading is 3.5 m; and single-layer H-steel I25b,φ89 mm pipe roof, longitudinal shaped steel and radial grouting are adopted. 2) The construction principle of rapid excavation, rapid support, rapid close and invert lining timely is adopted. Finally, the deformation of surrounding rocks has been brought under effective control; the construction safety has been guaranteed and the construction schedule has been shortened.

Mudanjiang-Suifenhe Railway; Xingyuan Tunnel; high ground stress; soft rock; large deformation; control technology

2015-06-20;

2016-06-24

徐松(1984—)，男，云南昭通人，2010年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事隧道工程施工管理工作。E-mail：921773927@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.016

U 45

B

1672-741X(2016)08-0997-07