昔格達(dá)地層隧道圍巖及初期支護(hù)變形規(guī)律研究

舒東利， 楊建民， 朱麟晨

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

昔格達(dá)地層隧道圍巖及初期支護(hù)變形規(guī)律研究

舒東利， 楊建民， 朱麟晨

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

為探明昔格達(dá)地層隧道開挖過程中初期支護(hù)背后空隙注漿的時機(jī)以及預(yù)留變形量的大小，以成昆復(fù)線鐵路昔格達(dá)地層隧道為背景，采用現(xiàn)場實測與統(tǒng)計分析的方法對昔格達(dá)地層隧道圍巖和初期支護(hù)的變形規(guī)律以及預(yù)留變形量進(jìn)行深入分析。研究結(jié)果表明： 1)昔格達(dá)地層隧道上臺階開挖后初期支護(hù)與圍巖間存在初始空隙，拱頂圍巖與初期支護(hù)間的差異沉降為1～2 mm，受地質(zhì)、埋深及施工等因素影響，中臺階開挖較易引起隧道塌方，建議中臺階開挖前對拱部初期支護(hù)背后的空隙進(jìn)行注漿回填。2)昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量可根據(jù)掌子面施工揭示圍巖情況調(diào)整，若施工揭示的昔格達(dá)組以頁巖為主，建議預(yù)留變形量設(shè)置為24～30 mm； 若施工揭示的昔格達(dá)組以砂巖為主，建議預(yù)留變形量設(shè)置為118～123 mm。

昔格達(dá)地層； 隧道圍巖； 初期支護(hù)； 差異沉降； 注漿回填； 預(yù)留變形量

0 引言

第三系昔格達(dá)地層主要分布于四川南部金沙江、雅礱江和大渡河等河谷中，典型昔格達(dá)地層主要集中在攀枝花和西昌等地。昔格達(dá)地層主要由灰黑色泥巖、頁巖和灰黃色砂巖組成，巖層產(chǎn)狀平緩，節(jié)理多為陡傾。中—微風(fēng)化昔格達(dá)地層基本承載力可達(dá)到250～350 kPa，強(qiáng)風(fēng)化昔格達(dá)地層基本承載力僅180～200 kPa。昔格達(dá)地層具有強(qiáng)度低、膠結(jié)弱、變形大及遇水易崩解軟化的特點(diǎn)。隧道施工中遇到昔格達(dá)地層，特別是地下水較豐富的地段，如果不進(jìn)行處理往往會造成初期支護(hù)侵限、掌子面塌方和洞口滑坡等危害。昔格達(dá)地層運(yùn)營隧道多出現(xiàn)拱部空洞、掉塊和基礎(chǔ)翻漿冒泥等病害。

目前關(guān)于昔格達(dá)地層的研究較多，曾強(qiáng)等[1]通過三軸試驗對昔格達(dá)組粉砂和黏土剪模阻特性進(jìn)行了研究； 汪杰等[2]對昔格達(dá)加筋灰土抗剪強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了試驗分析； 趙東平等[3]和菅磊等[4]等對軟弱圍巖大斷面隧道預(yù)留變形量的設(shè)置進(jìn)行了研究； 文獻(xiàn)[5-7]對軟弱圍巖隧道的變形及控制技術(shù)進(jìn)行了研究； 黃紹檳等[8]對西攀路昔格達(dá)地層滑坡特性及成因進(jìn)行了分析； 孫長升[9]和吳磊[10]分別通過室內(nèi)試驗和模型試驗對昔格達(dá)地層隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析； 劉強(qiáng)[11]對昔格達(dá)地層隧道的施工及結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行了研究； 盧愛民[12]對麗攀高速華坪隧道的昔格達(dá)地層工程特性進(jìn)行了試驗研究； 王志杰等[13]、孟祥磊[14]和許瑞寧[15]對成昆線昔格達(dá)地層隧道的變形規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。另外，四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院聯(lián)合四川攀西高速公路公司、西南交通大學(xué)、成都理工大學(xué)和四川大學(xué)組成“昔格達(dá)地層公路修建技術(shù)研究”課題組，以西攀公路為依托，針對昔格達(dá)地層的工程特性進(jìn)行了一系列的研究。

目前在開挖面積超過110 m2的大斷面昔格達(dá)地層隧道修建技術(shù)方面的研究還是空白。本研究依托成昆復(fù)線鐵路隧道工程，采用現(xiàn)場實測與統(tǒng)計分析的方法，對隧道拱頂圍巖與初期支護(hù)的差異沉降以及預(yù)留變形量進(jìn)行研究分析，以期為昔格達(dá)地層隧道的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 線路概況

成昆復(fù)線為設(shè)計車速160 km/h的客貨共線雙線電力牽引鐵路。成昆復(fù)線米易至攀枝花段共18座隧道，其中，10座隧道穿越昔格達(dá)地層，昔格達(dá)地層長度總計約10.4 km。成昆復(fù)線米攀段昔格達(dá)地層隧道分布情況見表1。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

隧區(qū)穿越的昔格達(dá)地層主要為〈11-1〉頁巖夾砂巖、〈11-2〉砂巖夾頁巖、〈11-3〉礫巖。頁巖呈灰黑、灰、灰白色；砂巖呈灰黃、深灰色，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄—中層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，僅存在少量鈣質(zhì)膠結(jié)，陡傾節(jié)理發(fā)育，質(zhì)軟，手捏易呈土狀或粉砂狀，為半成巖，易風(fēng)化剝落，遇水易軟化崩解；礫巖呈淺灰、灰褐、蘭灰色，成巖作用差，泥質(zhì)膠結(jié)。

隧區(qū)內(nèi)地表水總體不發(fā)育，多以季節(jié)性溝水為主，主要分布于五馬箐溝、回箐溝及白沙溝等地，水量隨季節(jié)變化較大，旱季水流較小，雨季流量驟增，受大氣降水補(bǔ)給，主要以蒸發(fā)、下滲及地表徑流等形式排泄。地下水主要為基巖裂隙水、斷層帶水及巖溶水，多以滲流形式由隧道左側(cè)向隧道右側(cè)安寧河河谷低洼地帶排泄，主要受大氣降水和地表水補(bǔ)給。

1.3 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)判別，昔格達(dá)地層為Ⅴ級圍巖，采用Vb型復(fù)合式襯砌支護(hù)，開挖面積為124.67 m2，設(shè)計斷面如圖1所示。

圖1 隧道斷面設(shè)計圖(單位： cm)

Vb型襯砌初期支護(hù)拱墻噴射混凝土厚度為27 cm，仰拱噴射混凝土厚度為25 cm，錨桿長度為3.5 m，間距為1.2 m×1.1 m(環(huán)向×縱向)； 二次襯砌采用鋼筋混凝土，厚度為50 cm。

2 隧道拱頂圍巖與初期支護(hù)差異沉降分析

為探明昔格達(dá)地層隧道初期支護(hù)與圍巖之間空隙的變化規(guī)律、圍巖與初期支護(hù)是否共同變形、初期支護(hù)受力條件等問題，在隧道拱頂圍巖和初期支護(hù)位置布置沉降觀測點(diǎn)，現(xiàn)場實測圍巖與初期支護(hù)的沉降。定義差異沉降為圍巖沉降與初期支護(hù)沉降差值的絕對值。

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

在初期支護(hù)拱頂鋼架焊接鋼管，錨桿通過鋼管深入圍巖，在錨桿端頭部位貼反光膜片(WY-1—WY-3)，采用全站儀測得拱頂圍巖的沉降。在初期支護(hù)噴射混凝土與圍巖測點(diǎn)相近的位置貼反光膜片(CZ-1—CZ-3)，采用全站儀測得拱頂初期支護(hù)的沉降。測點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖2所示。測點(diǎn)布設(shè)的現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖2 測點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖3 測點(diǎn)布設(shè)的現(xiàn)場照片

采用高精度的凈空三維非接觸觀測方法量測拱頂沉降。觀測系統(tǒng)由高精度的全站儀、便攜式微機(jī)和回復(fù)式反光測點(diǎn)(徠卡反射膜片)組成，量測精度控制為0.1 mm。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

拱頂測點(diǎn)共3組，2個對稱測點(diǎn)的拱頂沉降規(guī)律較為類似，以小紅山隧道D1K535+555斷面和朱家隧道D1K533+381斷面為例，測得拱頂圍巖和初期支護(hù)的沉降，沉降時程曲線如圖4所示。

由圖4可知： 上臺階開挖期間圍巖與初期支護(hù)的沉降變化趨勢相同，上臺階開挖后急速下沉5～10 mm；中臺階開挖期間，沉降繼續(xù)增大，圍巖與初期支護(hù)沉降開始出現(xiàn)差異，圍巖下沉較初期支護(hù)多1～2 mm；下臺階開挖至仰拱閉合，圍巖與初期支護(hù)沉降差變化不大，直至沉降穩(wěn)定。

上臺階開挖時圍巖與初期支護(hù)沉降速率一致，中臺階開挖時圍巖與初期支護(hù)出現(xiàn)差異沉降，說明上臺階開挖支護(hù)完成后初期支護(hù)與圍巖之間仍存在1～2 mm的空隙。中臺階開挖過程中圍巖比初期支護(hù)下沉大，此時圍巖下沉填補(bǔ)空隙，并逐漸與初期支護(hù)緊貼，此時極易引起隧道塌方，因此建議在中臺階開挖前對拱部初期支護(hù)背后的空隙進(jìn)行注漿回填。

(a) 小紅山隧道D1K535+555斷面WY-1(CZ-1)測點(diǎn)

(b) 小紅山隧道D1K535+555斷面WY-2(CZ-2)測點(diǎn)

(c) 朱家隧道D1K533+381斷面WY-1(CZ-1)測點(diǎn)

(d) 朱家隧道D1K533+381斷面WY-2(CZ-2)測點(diǎn)

Fig. 4 Time-history curves of differential settlement of tunnel crown top(in 2015)

在小紅山隧道與朱家隧道共布設(shè)了6個監(jiān)測斷面，拱頂圍巖與初期支護(hù)的絕對沉降和差異沉降取監(jiān)測結(jié)果的平均值，如表2所示。

表2拱頂圍巖與初期支護(hù)的絕對沉降和差異沉降

Table 2 Absolute settlement and differential settlement between surrounding rock and primary support of tunnel crown top

mm

由表2可知： 圍巖拱頂沉降的最大平均值為22.67 mm，最小平均值為13.67 mm； 初期支護(hù)拱頂沉降的最大平均值為20.67 mm，最小平均值為13.00 mm； 圍巖與初期支護(hù)差異沉降的最大平均值為2 mm，最小平均值為0.67 mm。

2.3 塌方案例分析

埡口雙線隧道全長12 447 m，進(jìn)口0～850 m段位于昔格達(dá)〈11-1〉頁巖夾砂巖及〈11-2〉砂巖夾頁巖地層中，進(jìn)口處最大埋深為65 m。

2014年11月6日，埡口隧道進(jìn)口D2K540+283處發(fā)生塌方，初期支護(hù)破壞，掌子面擠出，地表塌陷。塌方段隧道拱頂位于〈11-2〉砂巖夾頁巖中，埋深20 m，地表陷坑深7 m。隧道塌方及地表陷坑現(xiàn)場照片如圖5所示。

(a) 隧道塌方

(b) 地表陷坑

塌方斷面處地表及拱頂沉降曲線如圖6所示。上臺階開挖后地表及拱頂沉降均較小，不超過10 mm。中臺階開挖過程中地表沉降與拱頂沉降均迅速發(fā)展，拱頂沉降增至87 mm左右，地表沉降增至28 mm左右。由于沉降過大，沉降速率過快，現(xiàn)場停止施工，2014年11月6日D2K540+283斷面發(fā)生塌方及地表沉陷。

圖6 塌方斷面處地表及拱頂沉降曲線(2014年)

Fig. 6 Settlement curves of ground surface and tunnel crown top at collapse section(in 2014)

塌方段位于條件較差的砂巖夾頁巖地層中，埋深較淺，且由于地表水下滲，導(dǎo)致圍巖惡化，塌落拱高度增大。塌方正是發(fā)生于中臺階開挖過程中，塌方荷載增大，加之圍巖與初期支護(hù)之間存在空隙，且未及時對空隙進(jìn)行注漿回填，圍巖不能自承而迅速下沉，初期支護(hù)承擔(dān)荷載增大且受到圍巖下沉的沖擊力，最終導(dǎo)致初期支護(hù)出現(xiàn)過大的變形，進(jìn)而引起塌方。因此，在中臺階開挖前及時對拱部初期支護(hù)背后的空隙進(jìn)行注漿回填是保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的良策。

3 昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量分析

在TZ 204—2008《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》[16]中，預(yù)留變形量的定義為針對圍巖預(yù)計變形量而將設(shè)計隧道開挖斷面適當(dāng)擴(kuò)大的預(yù)留量。預(yù)留變形量過小，容易造成初期支護(hù)侵限，不能滿足隧道凈空要求； 預(yù)留變形量過大，則會造成超挖嚴(yán)重，影響投資以及施工進(jìn)度。因此，合理設(shè)置預(yù)留變形量對隧道施工至關(guān)重要。滿足概率的定義為初期支護(hù)變形量小于等于給定值的統(tǒng)計監(jiān)測點(diǎn)個數(shù)占總統(tǒng)計監(jiān)測點(diǎn)個數(shù)的百分比。

3.1 昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量

成昆復(fù)線米攀段昔格達(dá)地層隧道共10座，本次統(tǒng)計的昔格達(dá)隧道共7座，分別是米易隧道、朱家隧道、小紅山隧道、坡腳底隧道、桐梓林隧道、那招隧道和埡口隧道，共148個測點(diǎn)。監(jiān)測隧道的測點(diǎn)統(tǒng)計見表3。

統(tǒng)計隧道的拱頂沉降時同樣采取高精度的凈空三維非接觸觀測方法，量測精度控制為0.1 mm。

表3 監(jiān)測隧道測點(diǎn)統(tǒng)計

以7座隧道的拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，給定不同的預(yù)留變形量，其滿足概率如圖7所示。

圖7 昔格達(dá)地層隧道的預(yù)留變形量及滿足概率

Fig. 7 Reserved deformation and satisfaction ratio of tunnel in Xigeda Formation

由圖7可知: 預(yù)留變形量分別取80、90、120 mm時，滿足概率分別為86%、91%、99%?？紤]到現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有一定的離散型，并兼顧較高的滿足概率，建議昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量設(shè)置為90～120 mm。此建議值與TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[17]中Ⅴ級圍巖雙線隧道的預(yù)留變形量80～120 mm較為接近。

3.2 頁巖夾砂巖昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量

米易、朱家、小紅山和坡腳底4座隧道的昔格達(dá)組以〈11-1〉頁巖夾砂巖為主，頁巖成分較高，為隔水層。以米易、朱家、小紅山和坡腳底4座隧道的拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，給定不同的預(yù)留變形量，其滿足概率如圖8所示。

圖8 頁巖夾砂巖昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量及滿足概率

Fig. 8 Reserved deformation and satisfaction ratio of tunnel in Xigeda Formation with shale and little sandstone

由圖8知: 預(yù)留變形量分別取20、24、30 mm時，滿足概率分別為84%、91%、96%。頁巖夾砂巖為隔水層，沒有水的軟化作用，昔格達(dá)組的承載力較高，因此可以減小預(yù)留變形量的設(shè)置值。考慮到現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有一定的離散型，并兼顧較高的滿足概率，建議頁巖夾砂巖昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量設(shè)置為24～30 mm。

3.3 砂巖夾頁巖昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量

桐梓林和埡口隧道昔格達(dá)組以〈11-2〉砂巖夾頁巖為主，砂巖成分較大，為透水層。那招隧道監(jiān)測斷面昔格達(dá)組為〈11-1〉頁巖夾砂巖，但距監(jiān)測斷面15 m處為〈11-2〉砂巖夾頁巖，對隧道拱頂沉降有一定的影響。

以桐梓林、埡口和那招3座隧道的拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，給定不同的預(yù)留變形量，其滿足概率如圖9所示。

圖9 砂巖夾頁巖昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量及滿足概率

Fig. 9 Reserved deformation and satisfaction ratio of tunnel in Xigeda Formation with sandstone and little shale

由圖9知: 預(yù)留變形量分別取115、118、123 mm時，其滿足概率分別為87%、92%、97%。砂巖夾頁巖為透水層，昔格達(dá)組遇水軟化，承載力降低，因此應(yīng)提高預(yù)留變形量設(shè)置值?？紤]到現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有一定的離散型，并兼顧較高的滿足概率，建議砂巖夾頁巖昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量設(shè)置為118～123 mm。

4 結(jié)論與建議

本文依托成昆復(fù)線鐵路昔格達(dá)隧道工程，通過現(xiàn)場實測與統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

1)昔格達(dá)地層隧道拱頂圍巖與初期支護(hù)差異沉降為 1～2 mm，中臺階開挖時圍巖比初期支護(hù)下沉大，極易引起隧道塌方。

2)通過埡口隧道進(jìn)口塌方原因分析并結(jié)合拱頂?shù)某两狄?guī)律，可知昔格達(dá)地層隧道中臺階開挖過程中極易引起隧道塌方，因此建議在中臺階開挖前對拱部初期支護(hù)背后的空隙進(jìn)行注漿回填。

3)昔格達(dá)地層隧道預(yù)留變形量可根據(jù)掌子面施工揭示情況進(jìn)行調(diào)整。如果施工揭示昔格達(dá)組以頁巖為主，建議預(yù)留變形量設(shè)置為24～30 mm； 如果施工揭示昔格達(dá)組以砂巖為主，建議預(yù)留變形量設(shè)置為118～123 mm； 隧道設(shè)計中按圍巖級別考慮時，建議預(yù)留變形量設(shè)置為90～120 mm。

本文的研究結(jié)論是基于攀西地區(qū)昔格達(dá)地層隧道的監(jiān)測結(jié)果得出的，不同地區(qū)的昔格達(dá)組成分具有一定的差異性，圍巖與初期支護(hù)的變形量會稍有不同，但可為其他地區(qū)昔格達(dá)地層隧道的沉降變形規(guī)律及預(yù)留變形量的設(shè)置提供一定的參考。因此，建議后續(xù)對其他地區(qū)的昔格達(dá)地層隧道做進(jìn)一步的研究。

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Code for design of railway tunnel: TB 10003—2016[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2016.

StudyofDeformationLawofTunnelSurroundingRockandPrimarySupportinXigedaFormation

SHU Dongli, YANG Jianmin, ZHU Linchen

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

The backfill grouting time of hollow behind primary support of tunnel on Chengdu-Kunming Double-track Railway of Xigeda Formation and the reserved deformation need to be cleared. As a result, the deformation law of tunnel surrounding rock and primary support and reserved deformation in Xigeda Formation are further studied by site monitoring and statistical analysis method. The study results show that: 1) There is initial gaps between surrounding rock and primary support after top heading excavation; the differential settlement between surrounding rock and primary support of tunnel crown top is 1-2 mm; as a result of geological conditions, tunnel buried depth and construction conditions, middle bench excavation induced tunnel collapse should be paid attention to and backfill grouting should be carried out for hollow behind arch primary support before middle bench excavation. 2) The reserved deformation can be appropriately adjusted based on construction situation of tunnel face; the reserved deformation should be 24-30 mm when the shale takes the main component of Xigeda Formation, and that should be 118-123 mm when the sandstone takes the main component of Xigeda Formation.

Xigeda Formation; tunnel surrounding rock; primary support; differential settlement; backfill grouting; reserved deformation

2017-04-19;

2017-08-03

舒東利(1989—)，男，四川資陽人，2016年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事隧道及地下工程的設(shè)計研究工作。 E-mail： donglishu02@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.006

U 456.3+1

A

2096-4498(2017)12-1544-06