高原炭質(zhì)千枚巖隧道變形控制技術(shù)研究

楊通軍

摘 要：云屯堡隧道為單洞雙線隧道，全長22923.419m，是我國在建鐵路項(xiàng)目中最長的單洞雙線山嶺隧道。隧道進(jìn)口緊鄰岷江雙線特大橋，出口接松潘車站。為合理確定云屯堡隧道大變形施工及運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)安全，開展了云屯堡隧道大變形控制方案研究。由于隧道主要巖性為砂巖、板巖、千枚巖、炭質(zhì)千枚巖，受區(qū)域構(gòu)造影響，褶皺發(fā)育，巖體破碎，主要軟巖為板巖和炭質(zhì)千枚巖、千枚巖，因此方案研究主要圍繞著高原炭質(zhì)千枚巖隧道變形控制技術(shù)展開。

關(guān)鍵詞：高原炭質(zhì)千枚巖隧道 變形控制技術(shù) 方案研究

中圖分類號：F062.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4914（2017）03-281-02

一、引言

山嶺隧道穿越高原地區(qū)遭遇到炭質(zhì)千枚巖巖層等軟弱圍巖時(shí)，在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中常常會出現(xiàn)大變形的現(xiàn)象，施工難度很大。因此隧道工程建設(shè)人員針對如何控制高原高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形控制的研究是這一領(lǐng)域一直關(guān)注的重要課題。

二、工程概況

云屯堡隧道位于成蘭鐵路成都至川主寺（黃勝關(guān)）段鎮(zhèn)江關(guān)至松潘區(qū)間。隧址位于岷江左岸，距岷江0.5～3.5公里，與G213道路并行而進(jìn)，為傍山隧道。隧道洞身下穿多條橫向支溝，地形起伏較大，穿越區(qū)最高峰高程約3420米，相對高差大于500米。隧道最大埋深約750米，最小埋深為8米。隧道海拔均在2800米以上，年平均氣溫5.7℃，極端最低氣溫一般在-21.1℃，屬高原高寒地區(qū)。云屯堡隧道自開工建設(shè)以來，各工區(qū)正洞均出現(xiàn)不同程度的圍巖變形，造成初支混凝土剝落、掉塊；鋼筋網(wǎng)片裸露、撕裂；局部鋼架扭曲；初支侵限；橫洞襯砌壓潰、開裂、底鼓等現(xiàn)象。為合理確定云屯堡隧道大變形段設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工法，確保隧道施工及運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)安全，開展云屯堡隧道大變形控制技術(shù)研究。

三、工程地質(zhì)地貌概述

云屯堡隧道處于龍門山斷裂褶皺帶與甘孜——松潘褶皺帶復(fù)合部位，緊鄰岷江活動(dòng)斷裂東側(cè)，橫穿摩天嶺構(gòu)造帶夏莫倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜、花海子倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜等褶曲構(gòu)造，經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，軟硬互層狀地層巖體極為破碎。具有“四極三高五復(fù)雜”的典型特征：地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著；高地殼應(yīng)力、高地震烈度、高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史、復(fù)雜的構(gòu)造形跡、復(fù)雜多變的復(fù)理巖建造、復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境、復(fù)雜的地下水條件。地質(zhì)復(fù)雜，洞身穿越7個(gè)次級褶皺，一個(gè)斷層，不良地質(zhì)主要包括：活動(dòng)性斷裂帶、崩塌、泥石流、危巖落石、高地應(yīng)力、斷層破碎帶、巖溶、順層、瓦斯及有害氣體、放射性、高地溫?zé)岷Φ?。隧道施工過程中極易發(fā)生大變形。變形特征包括：拱頂沉降、收斂變形均突出；拱頂及左側(cè)拱腰先破壞，后右側(cè)拱腰破壞；隧道開挖時(shí)掌子面潮濕，無明顯地下水滲出；變形后混凝土剝落掉塊處有地下水滲出。

四、隧道變形處理技術(shù)措施

在針對地質(zhì)預(yù)判大變形段落及分級，擬定如下總原則。以“控制變形”為前提的“優(yōu)化輪廓、分步預(yù)留、錨撐結(jié)合、快速封閉、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的大變形處理原則。根據(jù)本線其它雙線隧道軟巖大變形處理取得的成果，初步擬定本隧輕微、中等、嚴(yán)重大變形主要措施，通過先導(dǎo)段試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化調(diào)整。

（一）隧道輕微、中等變形處理技術(shù)措施

針對輕微、中等變形以優(yōu)化洞形，加強(qiáng)措施，盡量保護(hù)圍巖的原則進(jìn)行控制。如提高初期支護(hù)剛度可較有效地抵御前期變形，通過調(diào)整初期支護(hù)的鋼架使鋼架扭曲的現(xiàn)象得到了一定控制（見表1、表2）。

（二）隧道嚴(yán)重大變形地段處理技術(shù)措施

針對嚴(yán)重大變形地段設(shè)置多層支護(hù)，分層施作；錨桿采用長短結(jié)合形式，短錨桿在噴射混凝土前及時(shí)施作，長錨桿在噴射混凝土完成后及時(shí)施作——后打錨桿施工法；預(yù)留變形量可采用分步預(yù)留方式。為了防止初期支護(hù)侵限拆換拱架，考慮到圍巖變形的不均勻性，預(yù)留變形量需要根據(jù)工程地質(zhì)、埋置深度、施工方法、支護(hù)情況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)等實(shí)際變形情況靈活調(diào)整。同時(shí)，為了確保二襯厚度，考慮初期支護(hù)在二襯之前不穩(wěn)定的情況，鋪設(shè)土工布后再進(jìn)行綁扎鋼筋等多道工序（見表3）。

（三）短臺階或微臺階工藝

通過微臺階法處理變形的技術(shù)可以縮短封閉時(shí)間，支護(hù)及早封閉成環(huán)，施工時(shí)核心土長和高分別是3米和2.5米。中、上、下臺階長度分別是3到5米，5米和6到7米。下臺階距離仰拱15米，仰拱距離掌子面距離不大于35米。根據(jù)隧道現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。變形控制應(yīng)在隧道前9到15天施工較為有效，下臺階接腿實(shí)踐不超過9天，仰拱封閉時(shí)間不超過15天還可設(shè)置臨時(shí)仰拱或者橫撐以控制變形。

（四）大剛度支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

大剛度支護(hù)施工技術(shù)是根據(jù)初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度的特性，對碳質(zhì)千枚巖進(jìn)行高地應(yīng)力大變形加以施工控制。采用大型鋼架構(gòu)建大剛度支護(hù)體系，根隧道軸向水平擠壓應(yīng)力大于橫向水平擠壓應(yīng)力的特點(diǎn)，加強(qiáng)鋼架縱向連接，設(shè)置工16縱向連接鋼架，確保鋼架的整體性和剛度。施工中整體支護(hù)效果明顯好于一般段，特別是水平方向應(yīng)無扭曲和失穩(wěn)。

（五）二次襯砌施作時(shí)間

適時(shí)施作二次襯砌。澆筑“剛強(qiáng)”結(jié)構(gòu)，抵抗余存的變形壓力，維護(hù)隧道及圍巖的整體穩(wěn)定，是穩(wěn)定變形，經(jīng)濟(jì)有效的方法。二次襯砌施作時(shí)機(jī)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際量測數(shù)據(jù)對支護(hù)及圍巖的穩(wěn)定性位移或回歸分析所得最終位移量、位移速度及其變化趨勢、隧道埋深、開挖斷面大小等進(jìn)行綜合分析判別，施工時(shí)根據(jù)隧道變形情況、支護(hù)受力狀態(tài)及初期支護(hù)表面裂縫發(fā)展情況等綜合考慮變形趨勢穩(wěn)定，將隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)定為水平收斂（拱腰附近七天平均值）小于0.2毫米每天、拱部下沉速度小于0.15毫米每天。同時(shí)將二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

（六）隧道變形處理其他技術(shù)措施

對隧道變形進(jìn)行技術(shù)處理的措施還包括：采用銑挖機(jī)開挖周邊，破碎錘開挖中部的組合開挖法，有效減少擾動(dòng)，杜絕了突發(fā)性鼓出變形；長錨管鎖腳，是控制初期支護(hù)大變形的有效措施；采用工字鋼型鋼鋼架替代螺紋鋼縱向連接，加強(qiáng)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；增加監(jiān)控量測項(xiàng)目和監(jiān)測頻率，及時(shí)掌握施工各階段圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形情況等。

五、結(jié)束語

在采取了系列大變形防治措施后，云屯堡隧道變形（以拱頂下沉和水平收斂為主，拱頂最大沉降速率為60毫米每天，累計(jì)沉降變形513毫米；水平收斂多發(fā)生在拱腰部位，最大水平收斂速率為29.1毫米每天，累計(jì)收斂為288毫米）、支護(hù)開裂、扭曲等現(xiàn)象得到了較為有效的控制。經(jīng)過工程實(shí)踐后我們總結(jié)出下列實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：短臺階或微臺階工藝是控制隧道大變形的有效措施之一；自進(jìn)式長錨桿鎖腳是控制隧道大變形的有效措施之一；預(yù)留合理的變形量是控制隧道大變形的有效措施之一。

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（作者單位：中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司 天津 300162）

（責(zé)編：賈偉）