地下水作用下的炭質(zhì)板巖隧道變形控制技術(shù)探討

張濤，王彥東，陳錫武

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

地下水作用下的炭質(zhì)板巖隧道變形控制技術(shù)探討

張濤，王彥東，陳錫武

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

以在建成蘭鐵路松潘隧道為工程實(shí)例，探討研究地下水和構(gòu)造應(yīng)力共同作用下炭質(zhì)板巖隧道變形特征。通過(guò)變形原因分析，采取設(shè)置長(zhǎng)錨桿、注漿加固松散圍巖、加強(qiáng)鋼拱架鎖腳等措施，能夠有效控制變形。將軟巖變形控制措施納入動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的手段。通過(guò)工程試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整工程措施，優(yōu)化變形控制方案，對(duì)成蘭鐵路隧道建設(shè)具有較好的指導(dǎo)意義和工程借鑒。

地下水；炭質(zhì)板巖；隧道；變形

炭質(zhì)板巖隧道一直是隧道修建技術(shù)中變形控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)對(duì)炭質(zhì)板巖隧道的變形控制技術(shù)也有大量的研究文獻(xiàn)，最典型的為蘭渝鐵路木寨嶺隧道，文獻(xiàn)中多從隧道施工變形情況、高地應(yīng)力分析等方面研究提出變形控制措施。但對(duì)地下水和構(gòu)造應(yīng)力公共作用下的松散炭質(zhì)板巖隧道變形研究相對(duì)缺乏，尚需更進(jìn)一步的研究和探討。本文結(jié)合在建成蘭鐵路松潘隧道在地下水和構(gòu)造應(yīng)力共同作用下的變形特征，通過(guò)工程試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整工程措施，確定變形控制方案，對(duì)成蘭鐵路隧道建設(shè)具有較好的指導(dǎo)意義和工程借鑒。

1 工程概況

松潘隧道位于四川省松潘縣城東側(cè)，岷江河谷左岸，為傍山隧道，全長(zhǎng)8 048 m，其走向與岷江河流基本平行，距岷江約150～700 m，隧道開(kāi)挖斷面約130 m2以上，最大埋深270 m。該隧道處于岷江活動(dòng)斷裂南段右側(cè)170～600 m(圖1)，岷江斷裂南段全長(zhǎng)約110 km，具有明顯的全新世活動(dòng)性，發(fā)生過(guò)1713年疊溪7級(jí)地震和1933年疊溪7.5級(jí)地震。隧道位于岷江斷裂的下盤(pán)(被動(dòng)盤(pán))，地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)新都橋組(T3x)炭質(zhì)板巖夾板巖、砂巖(圖2)，受岷江斷裂影響，巖體破碎，次生小斷層及柔皺較發(fā)育，層理產(chǎn)狀變化較快，層間擠壓嚴(yán)重。由于受構(gòu)造影響巖體較破碎，砂巖、板巖等節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部貫通性好，貯存了較豐的裂隙水，預(yù)測(cè)隧道最大涌水量1.5×104m3/d。軟質(zhì)巖在構(gòu)造應(yīng)力及地下水作用下極易發(fā)生大變形，施工圖設(shè)計(jì)中預(yù)測(cè)該隧道發(fā)生輕微-中等軟巖大變形段長(zhǎng)共計(jì)990 m，可能發(fā)生變形段長(zhǎng)1 500 m。

圖1 松潘隧道與岷江活動(dòng)斷裂位置關(guān)系

圖2 松潘隧道地層巖性分布情況

2 隧道變形情況及特征分析

2.1 隧道變形情況

松潘隧道斜井工區(qū)正洞D3K244+200～+247段為V級(jí)圍巖，預(yù)測(cè)可能發(fā)生大變形，設(shè)計(jì)采用Ⅴ級(jí)復(fù)合襯砌，初期支護(hù)拱墻設(shè)φ22組合中空錨桿及砂漿錨桿，拱墻設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土厚27 cm；加強(qiáng)支護(hù)設(shè)置全環(huán)I20b型鋼鋼架；超前支護(hù)拱部設(shè)置φ42注漿小導(dǎo)管。2014年9月27日起，該段右側(cè)拱腰發(fā)生初支開(kāi)裂、掉塊，部分拱架扭曲，其中D3K244+225～D3K244+235段拱墻初期支護(hù)變形侵限,最大收斂變形達(dá)38.8 cm(圖3、4、5)。

圖3 松潘隧道變形位置

圖4 隧道初支變形開(kāi)裂

圖5 隧道變形鋼架扭曲

2.2 變形特征分析

松潘隧道D3K244+200～+247段變形特征主要表現(xiàn)在以下方面：

(1) 隧道變形以水平收斂為主

隧道變形水平收斂大，拱頂沉降相對(duì)較小(圖6、7)，變形導(dǎo)致初支開(kāi)裂、鋼架扭曲均發(fā)生在靠山側(cè)拱腰位置，中臺(tái)階鋼架接頭上50 cm左右。

圖6 D3K244+248斷面水平收斂曲線

圖7 D3K244+248斷面拱頂沉降曲線

(2) 中臺(tái)階及仰拱施作時(shí)變形大

因隧道上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖時(shí)，監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)未能及時(shí)布置，無(wú)法測(cè)得監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)。中臺(tái)階開(kāi)挖后初支施作前變形大，水平收斂和拱頂沉降變形速率均呈跳躍性突變，最大水平收斂速率為39.0 mm/d，累計(jì)為241.6 mm，最大拱頂沉降速率達(dá)7.6 mm/d；初支鋼架施作后隧道變形趨于穩(wěn)定，仰拱施作時(shí)變形又再次呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，初支鋼架封閉成環(huán)后，變形基本趨于穩(wěn)定(見(jiàn)圖6、7)。

(3) 地下水發(fā)育段隧道變形大

變形過(guò)程中，靠山側(cè)有多處滲水，鉆孔取芯探測(cè)時(shí)，鉆進(jìn)約8 m出現(xiàn)大股水流從孔內(nèi)噴出，炭質(zhì)板巖遇水后膨脹崩解，巖體強(qiáng)度迅速下降，造成溜坍、掉塊，形成更大的松動(dòng)圈。

3 隧道變形原因分析

3.1 構(gòu)造應(yīng)力突出

松潘隧道處于岷江活動(dòng)斷裂南段右側(cè)170～600 m，受斷裂構(gòu)造多期地震的強(qiáng)烈影響，小型褶曲發(fā)育，巖體扭曲較嚴(yán)重，部分地段擠壓揉皺變形明顯，圍巖巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育(圖8、9)。

圖8 圍巖擠壓揉皺

圖9 巖體扭曲

3.2 巖質(zhì)軟、層間結(jié)合差

開(kāi)挖揭示變形段巖性為炭質(zhì)板巖、板巖互層，局部含炭質(zhì)千枚巖，巖質(zhì)較軟，巖性變化較快且無(wú)規(guī)律，靠山側(cè)巖層陡傾，呈薄層狀，層面基本平行于隧道軸線，層間無(wú)膠結(jié)物或?yàn)槟噘|(zhì)膠結(jié)，結(jié)合性差，易產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面向隧道內(nèi)的壓潰變形。

3.3 局部地下水發(fā)育

隧道開(kāi)挖掌子面基本呈浸潤(rùn)潮濕狀，局部地下水發(fā)育段呈股狀流出，炭質(zhì)板巖受地下水浸泡而膨脹崩解，呈漿糊狀溜坍，造成圍巖松動(dòng)，出現(xiàn)較大圍巖松動(dòng)圈，在地下水和構(gòu)造應(yīng)力共同作用下，松散圍巖應(yīng)力作用于鋼架之上，極易造成初支開(kāi)裂、鋼架扭曲變形。

3.4 初支閉合時(shí)間長(zhǎng)

由于特殊的施工作業(yè)環(huán)境，隧道施工速度緩慢，加之軟弱圍巖的蠕變特性使其變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隧道開(kāi)挖后因長(zhǎng)時(shí)間圍巖暴露，不能及時(shí)封閉， 容易產(chǎn)生較大變形。

4 變形控制措施

通過(guò)對(duì)松潘隧道變形原因分析，并通過(guò)工程試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整工程措施。

4.1 發(fā)生變形段補(bǔ)強(qiáng)加固措施

(1) 加強(qiáng)鎖腳

上臺(tái)階與中臺(tái)階每榀鋼架接頭處增設(shè)10 m長(zhǎng)φ32自進(jìn)式錨桿進(jìn)行鎖腳，每榀鋼架增設(shè)8根。

(2) 增設(shè)φ32自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿

拱部90°外兩側(cè)邊墻增設(shè)徑向φ32自進(jìn)式錨桿進(jìn)行加固，針對(duì)隧道初支開(kāi)裂變形主要發(fā)生在靠山側(cè)拱腰位置，靠山側(cè)錨桿長(zhǎng)12 m，山外側(cè)錨桿長(zhǎng)8 m。

(3) 增設(shè)徑向φ42注漿管

為固結(jié)圍巖，提高其物理力學(xué)性能指標(biāo)，同時(shí)兼顧地下水的封堵，拱部90°外兩側(cè)邊墻增設(shè)徑向5 m長(zhǎng)φ42注漿管，固結(jié)圍巖松動(dòng)圈。

通過(guò)對(duì)變形段采取補(bǔ)強(qiáng)措施，變形基本得以控制，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)不超過(guò)5 mm/d。由于補(bǔ)強(qiáng)加固措施偏強(qiáng)，施工中還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 工程試驗(yàn)

成蘭鐵路隧道受岷江活動(dòng)斷裂影響范圍長(zhǎng)，圍巖以軟巖為主，后續(xù)施工中遇到地下水和構(gòu)造應(yīng)力共同作用下的松散圍巖變形會(huì)較多。為確保施工安全，制定行之有效的工程措施，選取 D3K244+247～D3K244+287段進(jìn)行工程試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化工程措施，試驗(yàn)措施除采用D3K244+200～D3K244+247段設(shè)計(jì)措施外，主要有以下調(diào)整：

(1) 增大預(yù)留變形量

根據(jù)已開(kāi)挖施工段隧道變形情況，試驗(yàn)段隧道開(kāi)挖預(yù)留變形量調(diào)整為30 cm。

(2) 取消邊墻φ22砂漿錨桿

取消邊墻φ22砂漿錨桿，拱部90°范圍外兩側(cè)邊墻設(shè)置φ42徑向注漿管，注漿管長(zhǎng)5 m/根，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

(3) 拱部90°范圍外兩側(cè)邊墻設(shè)徑向φ32自進(jìn)式錨桿，單根長(zhǎng)8 m，自進(jìn)式錨桿與注漿小導(dǎo)管交錯(cuò)布置。

(4) 埋設(shè)應(yīng)力測(cè)試元器件

為控制圍巖變形，采取有效的變形控制措施，對(duì)該段埋設(shè)壓力測(cè)試元器件，測(cè)定圍巖壓力、鋼架應(yīng)力等數(shù)據(jù)(圖10、11)。

圖10 斷面埋設(shè)元器件布置

圖11 元器件埋設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 對(duì)D3K244+247～D3K244+287段采取以上工程試驗(yàn)措施后，變形基本得以控制，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)不超過(guò)5 mm/d。

(2) 元器件測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)段共埋設(shè)3組初支應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面，分別為D3K244+252、D3K244+262、D3K244+266斷面，應(yīng)力最大發(fā)生在 D3K244+262處，鋼架拉應(yīng)力最大為176.9 MPa，壓應(yīng)力最大為433.3 MPa；圍巖壓力最大為0.879 MPa，山外側(cè)拱腰圍巖位移最大為16.34 mm，靠山側(cè)拱腰圍巖位移最大為15.81 mm；錨桿軸力最大在山外側(cè)拱腰處，最大值為117.9 kN。

鋼架最大拉應(yīng)力發(fā)生在D3K244+262斷面，鋼拱架右拱腰(靠山側(cè))內(nèi)側(cè)受拉，最大值發(fā)生在12月15日，其值為176.9 MPa，稍小于其鋼拱架抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(188 MPa)(表1)。

表1 D3K244+262斷面鋼架內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果(單位：MPa)

鋼架最大壓應(yīng)力發(fā)生在D3K244+266斷面，右拱腰(靠山側(cè))內(nèi)側(cè)受最大壓應(yīng)力，其最大值發(fā)生于12月19日，其值為-433.3 MPa，超過(guò)其鋼拱架抗壓極限強(qiáng)度計(jì)算值(260 MPa)(表2)。

表2 D3K244+266斷面鋼架內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果(單位：MPa)

4.4 動(dòng)態(tài)調(diào)整工程措施

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隧道變形能夠較好得以控制。鋼拱架最大壓應(yīng)力超過(guò)其抗壓極限強(qiáng)度計(jì)算值，為此動(dòng)態(tài)調(diào)整I20b型鋼鋼架為I22b鋼架。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 松潘隧道通過(guò)設(shè)置長(zhǎng)錨桿、注漿加固松散圍巖、加強(qiáng)鋼拱架鎖腳等措施，對(duì)地下水和構(gòu)造應(yīng)力共同作用下的松散軟弱圍巖變形，具有較好的控制效果，為成蘭鐵路隧道工程建設(shè)提供借鑒。

(2) 隧道掌子面前方變形具有不可預(yù)見(jiàn)性，難以準(zhǔn)確預(yù)判，施工中結(jié)合開(kāi)挖情況、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行工程試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工措施是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的控制變形手段。

(3) 軟巖變形隧道快速、高效施工的機(jī)械化設(shè)備有待進(jìn)一步研發(fā)，機(jī)械化水平有待進(jìn)一步提高，以實(shí)現(xiàn)快速封閉，初支閉合，對(duì)控制隧道變形有較好的效果。

[1] 中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.松潘隧道設(shè)計(jì)圖[Z].成都：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2012:1-9.

[2] 楊新房.炭質(zhì)板巖隧道變形加固方案及施工工藝探討[J].交通建設(shè)與管理，2015,(4):255-258.

[3] 關(guān)寶樹(shù)，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4] 王維富.炭質(zhì)板巖地層隧道施工要點(diǎn)及大變形防治措施[J].隧道建設(shè)，2010,30(6)：697-700.

THE DISCUSSION OF CARBONACEOUS SLATE TUNNEL DEFORMATION CONTROL TECHNOLOGY UNDER THE GROUNDWATER CONDITION

ZHANG Tao,WANG Yan-dong,CHEN Xi-wu

(China Railway Eryuan Engineering Group CO.LTD. Chengdu 610031,China)

The discussion of carbonaceous slate tunnel deformation control technology under the groundwater conditionIt takes under construction Song-pan tunnel engineering of Chengdu-Lanzhou railway as an example in this paper, for studying the deformation characteristics of carbonaceous slate tunnel under the groundwater and the tectonic stress combining action. To set up long bolt and grout loose surrounding rock for reinforcing and strengthen lock foot of the steel arch frame, through analyzing the reason of the deformation, those methods can control the deformation effectively. It is a more economic and reasonable method that taking soft rock deformation control measures into the dynamic design. Dynamic adjustment of engineering measures and optimization the scheme of deformation control which provide a good guiding significance and engineering reference for Chengdu-Lanzhou railway tunnel construction, through the engineering test.

groundwater; carbonaceous slate; tunnel; deformation

1006-4362(2017)01-0106-05

2016-12-20 改回日期： 2017-01-17

P642;U25

A

張濤(1979- )，男，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，主要從事遂道設(shè)計(jì)方面工作。E-mail:275619384@qq.com