云桂鐵路對門山隧道富水軟巖大變形段掘進(jìn)施工技術(shù)研究

才泳

摘要： 文章結(jié)合云桂鐵路對門山隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)粉砂巖地層出現(xiàn)的大變形問題，在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、研究及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，提出了針對性的變形控制措施。在對門山隧道施工過程中，通過選擇合理的開挖方式、合理優(yōu)化支護(hù)措施、采用可調(diào)整式鋼拱架、設(shè)置超前導(dǎo)洞及超前鉆孔釋放應(yīng)力、加大變形預(yù)留量等措施有效地控制了圍巖變形。本隧道所采取的變形控制技術(shù)措施達(dá)到了有效控制軟巖大變形的目標(biāo)。

Abstract： Combined with the large deformation problem when the Duimenshan Tunnel of Yungui Railway throughout the strong weathering soft siltstone strata， the paper puts forward the targeted deformation control measures on the basis of the analysis of the field geological survey， research and monitoring measurement data analysis. In the construction process of the Duimenshan tunnel， through the measures of selecting reasonable excavation methods， reasonably optimizing the support measures， using adjustable steel arch， setting the lead hole and the leading hole release stress， and increasing the amount of deformation reserve， the deformation of the surrounding rock is effectively controlled. The deformation control technology measures achieve the goal of effective control of soft rock deformation.

關(guān)鍵詞： 鐵路隧道；軟質(zhì)圍巖；大變形；控制措施；監(jiān)控量測

Key words： railway tunnel；soft surrounding rock；large deformation；control measure；monitoring measurement

中圖分類號：U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0100-03

0 引言

隨著我國在基礎(chǔ)建設(shè)方面的迅猛發(fā)展，公路、鐵路及地鐵等工程建設(shè)項(xiàng)目遍地開花，并伴隨著西南部大開發(fā)的加速推進(jìn)，越來越多長大隧道工程及地下工程建設(shè)于西南部地區(qū)。西南部地區(qū)位于亞歐板塊與印度洋板塊碰撞地帶，地殼運(yùn)動活躍，山體斷裂發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧洞工程常需穿越高應(yīng)力軟弱圍巖地段，高應(yīng)力及軟弱巖體常使隧洞工程出現(xiàn)圍巖大變形。圍巖大變形使隧洞洞身及支護(hù)、襯砌等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形開裂、塌方、超限等具有極大危害的地質(zhì)災(zāi)害。因此，掌握高應(yīng)力軟弱圍巖情況下的隧道開挖技術(shù)及措施，確保施工的順利進(jìn)行及隧道結(jié)構(gòu)物安全正常使用，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

云桂鐵路對門山隧道位于丘北縣新店鄉(xiāng)、沖頭鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道設(shè)計(jì)為單面下坡。進(jìn)口里程DK588+058，出口里程DK597+636，全長為9578m，最大埋深約680m，隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中山地貌，地形起伏較大。測區(qū)地面高程1185～1929m，洞身段高程一般在1300～1500m，相對高差200～700m，自然坡度一般20°～40°，局部可達(dá)60°。測區(qū)內(nèi)基巖零星出露，表層有第四系坡殘積粉質(zhì)粘土覆蓋，坡體植被發(fā)育，多為雜木，局部平緩處被肯為旱地。隧道進(jìn)出口地段均為沖溝及斜坡地。

測區(qū)地表上覆坡殘積（Q）粉質(zhì)粘土。隧道穿越地層主要為三疊系上統(tǒng)鳥格組（T3n）地層，巖性為灰、黃灰色薄至中厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉細(xì)巖；三疊系中統(tǒng)法郎組B段（T2fb）地層，巖性為黃灰色、綠灰色薄至中厚層狀泥巖、砂泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，該地層普遍含鈣質(zhì)。

測區(qū)構(gòu)造以華夏系、新華夏系為主體構(gòu)造系。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，具繼承性和多期復(fù)活的特點(diǎn)，以新裂構(gòu)造為主，褶曲構(gòu)造也較為發(fā)育，地層走向北東向，北北東向，測區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度屬復(fù)雜。

2 施工中遇到圍巖大變形的地質(zhì)問題

隧道施工至DK592+065斷面時，初支的C25噴射混凝土在施作后30h時，進(jìn)行隧道收斂變形監(jiān)控量測的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)噴射的混凝土出現(xiàn)龜裂及斜裂縫等現(xiàn)象。48h時，支護(hù)噴射混凝土的裂縫變大，支護(hù)呈現(xiàn)向明顯的膨脹變形，同時隧底有隆起跡象。4d后I20b工字鋼拱架呈現(xiàn)局部扭曲變形，鋼拱架局部與噴混脫離，同時隧底隆起更為明顯。

經(jīng)進(jìn)行監(jiān)控量測，隧道變形速率在12d以內(nèi)較大。水平收斂變形速率最大值為15.23mm/d，累計(jì)水平收斂量達(dá)532.52mm；拱頂下沉的最大速率為12.67mm/d，累計(jì)拱頂下沉量達(dá)427.26mm；洞底隆起量達(dá)227.15mm。

發(fā)生隧道圍巖嚴(yán)重變形后，經(jīng)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)勘察、檢測及分析。本斷面處隧道埋深約為563m，隧道圍巖為軟質(zhì)粉砂巖，且地下水滲流較大。隧道橫截面內(nèi)的最大圍巖初始應(yīng)力（σ）為12.78MPa，隧道水平應(yīng)力的最大初始值為13.78MPa，粉質(zhì)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）為19.6MPa，巖石強(qiáng)度比Rc/σmax=1.42<4。按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003-2005）分級標(biāo)準(zhǔn)，屬于極高應(yīng)力，即隧道圍巖存在高應(yīng)力，軟質(zhì)巖在開挖時變形極為顯著，且持續(xù)時間長，成洞性差。endprint

3 對門山隧道高應(yīng)力變形控制措施

3.1 總體施工原則

根據(jù)對門山隧道軟弱圍巖的特點(diǎn)、地下高應(yīng)力分布的規(guī)律及隧道的外輪廓形狀，并結(jié)合其它項(xiàng)目施工時，在高應(yīng)力軟弱圍巖大變形的處理及控制方面的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)總結(jié)?？傮w上按照“先柔后剛，先放后抗”的基本原則進(jìn)行大變形的控制。

“先柔后剛，先放后抗”指初支采取鋼筋網(wǎng)噴射混凝土、可調(diào)整的鋼拱架（且型號由原來I20b工字鋼加大至I22b工字鋼）及錨桿等柔性結(jié)構(gòu)，在較大程度上允許圍巖釋放大部分變形，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)留量后；采用較大剛性的二次襯砌，即提高二襯混凝土標(biāo)號，增加厚度等措施，以抵抗圍巖壓力，避免洞身變形及破壞。

3.2 變形控制技術(shù)措施

按照以上基本原則，本項(xiàng)目采取了如下主要變形控制的技術(shù)措施：

3.2.1 選擇合理的開挖方式

采取預(yù)留核心土的三臺階七步法施工（如圖1所示），且遵循仰拱及時封閉成環(huán)，二襯緊跟的原則。以達(dá)到控制荷載釋放速度，降低對圍巖的擾動，從而減少大變形帶來的危害。

以機(jī)械開挖為主，必要時輔以爆破，在施工中注重對施工方法及工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。

核心土長度宜為3～5m，寬度為隧道寬度的1/3～1/2。循環(huán)進(jìn)尺依鋼架間距確定，且控制1.5m內(nèi)，左、右側(cè)臺階錯開2～3m，各臺階長度控制在7m以內(nèi)，仰拱距下臺階不大于15m，以使初期支護(hù)及早封閉成環(huán)。

3.2.2 合理優(yōu)化支護(hù)措施

對門山隧道大變形段超前支護(hù)采用？準(zhǔn)42mm小導(dǎo)管，長度為4.5m，布置范圍為拱部150°范圍內(nèi)，縱向每3m設(shè)置一環(huán)。小導(dǎo)管環(huán)向間距設(shè)為30cm，小導(dǎo)管內(nèi)注漿。小導(dǎo)管縱向鉆眼角度以10～15°上仰角。小導(dǎo)管外露部分與剛架及錨桿焊接牢固，形成承載整體。

采用6～9m系統(tǒng)長錨桿，按1.0m×1.0m布設(shè)。25cm厚鋼纖維噴射混凝土。

3.2.3 設(shè)置超前導(dǎo)洞及超前鉆孔釋放應(yīng)力

在隧道中部設(shè)置一處超前導(dǎo)洞（見圖2），利用超前導(dǎo)洞釋放圍巖應(yīng)力，導(dǎo)洞設(shè)置于隧洞上部，導(dǎo)洞超前掌子面25m以上，導(dǎo)洞開挖斷面面積為30m2，提前12d以上進(jìn)行圍巖應(yīng)力及變形釋放。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)洞兩側(cè)洞壁的收劍變形值于190～280mm范圍內(nèi)。隧道洞身開挖支護(hù)后的收斂變形值于210～330mm范圍內(nèi)。超前導(dǎo)洞可使圍巖提前釋放了35～52%變形量，極大地降低圍巖作用于支期支護(hù)的壓力。表1為典型斷面的超前導(dǎo)洞釋放變形量測數(shù)據(jù)表。

在部分地段采用了超前鉆孔進(jìn)行壓力釋放，通?？讖皆酱螅瑝毫︶尫诺男Ч?，但需根據(jù)既有設(shè)備情況、技術(shù)能力及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本考慮后確定孔徑，本項(xiàng)目的超前鉆孔直徑為20cm。超前掌子面約30m。監(jiān)測量測的結(jié)果表明，本項(xiàng)目超前鉆孔釋放應(yīng)力后的洞身總變形量為未鉆設(shè)超前鉆孔76～89%范圍內(nèi)，雖具有一定的效果，但較超前導(dǎo)洞而言，提前釋放的變形量要小許多。故本項(xiàng)目施工時，主要采用超前導(dǎo)洞釋放變形量。

3.2.4 加大變形預(yù)留量

設(shè)計(jì)預(yù)留變形量按照25cm考慮。本隧道施工時加大了變形預(yù)留量，防止初支超限。一般預(yù)留拱頂下沉量40cm，預(yù)留水平收斂30cm，并根據(jù)不同隧道段的圍巖情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2.5 探索二次襯砌合理施作時間

施工時，實(shí)測軟巖變形數(shù)據(jù)，并進(jìn)行變形數(shù)據(jù)的初步分析，以確認(rèn)實(shí)測數(shù)據(jù)的有效性，對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行位移時程曲線、變形速率時程曲線的繪制，隨后進(jìn)行變形數(shù)據(jù)曲線的回歸分析（如圖3所示）。按照二次襯砌所允許的變形量及變形收斂速率的控制值，通地回歸分析曲線計(jì)算二襯施作的時間，在確定的二襯施作時間再對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，滿足要求后，進(jìn)行二襯的施作。

3.2.6 提高初支及模注砼襯砌的剛度

通過加大初支鋼拱架工字鋼型號、提高襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、加大襯砌厚度等方式提高模注砼襯砌的剛度。①初支的鋼架型號由原來I20b工字鋼加大至I22b工字鋼。 ②襯砌厚度由原來的50cm加大至55cm。③將襯砌結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土強(qiáng)度由原來的C35提高至C40。

3.2.7 提高監(jiān)控量測的頻率

監(jiān)控量測作為確保隧道施工安全及施工質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，作為高應(yīng)力大變形隧道施工，做好監(jiān)控量測尤為重要。

通過監(jiān)控量測以掌握隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)信息，并將分析結(jié)構(gòu)及時反饋，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)。同時，通過監(jiān)控量測以了解隧道圍巖在所采取的技術(shù)控制措施下的表現(xiàn)情況及反映的一些規(guī)律、特點(diǎn)，為所采用的工法、技術(shù)措施效果進(jìn)行鑒定、評估，為處理大變形提供科學(xué)依據(jù)。

普通圍巖隧道的監(jiān)測頻率通常為1～2次/d，但本項(xiàng)目將頻率提高到4次/d，遇到特殊情況及圍巖地質(zhì)極差的情況下，適時提高監(jiān)測頻率。

為了快速進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析及反饋。在手提電腦中編制了計(jì)算軟件，輸入數(shù)據(jù)后，即時自動繪制出位移—時間等各類直觀曲線；自動進(jìn)行曲線回歸分析并計(jì)算、顯示出相應(yīng)參數(shù)，能夠及時準(zhǔn)確地掌握隧道圍巖及支護(hù)的動態(tài)狀況。

4 高應(yīng)軟巖變形控制技術(shù)評估

按照上述大變形綜合控制措施及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施作后，圍巖變形得到很好的控制，收斂變形在通常12d內(nèi)趨于穩(wěn)定，雖然局部圍巖變形相對較大，但噴射混凝土表面基本沒產(chǎn)生裂縫，鋼架沒有出現(xiàn)整體扭曲變形現(xiàn)象，僅鋼架連接處型鋼墊板及型鋼出現(xiàn)輕微扭曲變形現(xiàn)象，但整體性較完好，焊縫完整，進(jìn)行了處理后，變形穩(wěn)定。

本項(xiàng)目選取了4個較為典型斷面的拱頂下沉、水平收斂達(dá)到穩(wěn)定時的天數(shù)，及施作二襯時的變形速率列表如表2所示。

從表中2可看出，斷面在12d內(nèi)均達(dá)到了變形穩(wěn)定階段，最大拱頂下沉值190mm；最大累計(jì)水平收斂值306mm，較未采用有效措施前小了許多。

5 結(jié)束語

軟弱圍巖且存在高地應(yīng)力，是使隧道洞身出現(xiàn)大變形的兩個主要成因。雖然地應(yīng)力無法減少，但可加強(qiáng)初支及二襯以抵抗高壓應(yīng)力。故本項(xiàng)目加強(qiáng)了初支參數(shù)及提高了二襯的剛度作為抵抗高地應(yīng)力的主要手段。但控制大變形的宜先放后抗，本項(xiàng)目采取了設(shè)置超前導(dǎo)洞或超前鉆孔進(jìn)行部分應(yīng)力的釋放，達(dá)到了事半功倍的效果。另外，開挖輪廓要預(yù)留足夠變形空間，避免變形超限。最后要運(yùn)用成熟、快捷的計(jì)算軟件進(jìn)行回歸分析及預(yù)測，為下一步施工工藝及支護(hù)參數(shù)的調(diào)整提供信息，以確保施工安全。

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