高地應(yīng)力破碎圍巖隧道大變形控制技術(shù)研究

李 松 黃林華 楊鐵雄

（1.湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425000；2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

隨著西部大開發(fā)的持續(xù)發(fā)展，繼青藏鐵后的滇藏鐵路也如火如荼推進(jìn)，川藏鐵路也逐步提上日程，高海拔地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件下隧道建設(shè)往往面臨著多重困難，由高地應(yīng)力造成的圍巖大變形則成為常見而難以處理的地質(zhì)災(zāi)害[1]，不少學(xué)者和工程技術(shù)人員對高地應(yīng)力地層隧道圍巖大變形問題開展了研究，李生杰等[2]對從巖石力學(xué)角度解釋了圍巖大變發(fā)生的力學(xué)機(jī)理，并提出了處理方法。潘飛[3-4]等對高地應(yīng)力地層隧道圍巖大變形工程現(xiàn)場采用了優(yōu)化開挖方法、調(diào)整預(yù)留變形量、采用復(fù)合初期支護(hù)等手段進(jìn)行綜合處理，并分析了處理方法的有效性。張德華[5]對大梁隧道極高地應(yīng)力問題開展現(xiàn)場試驗優(yōu)化并提出了新型支護(hù)結(jié)構(gòu)。本文從麗香鐵路站前某些隧道高地應(yīng)力地層發(fā)生了圍巖大變形出發(fā)，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果和現(xiàn)場開挖情況分析誘發(fā)圍巖大變形的原因、提出優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和施工技術(shù)等方法，評價大變形設(shè)計施工方案的有效性，為同類高地應(yīng)力破碎圍巖隧道大變形處置方法提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

新建麗香鐵路站前四標(biāo)位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣內(nèi)，所在地域?qū)僭颇鲜∥鞅辈?、青藏高原南東緣之橫斷山脈中段高原雪山地區(qū)。起訖里程為DK65+776～DK76+382，線路長度10606m。

麗香鐵路地處歐亞板塊與印度板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原東南緣之川滇菱形斷塊的西部邊界斷裂帶（金沙江-中甸斷裂帶）內(nèi)，橫斷山脈中段，哈巴雪山山脈西側(cè)，地勢東高西低，山脈呈南北向展布，橫向溝谷發(fā)育，溝谷下切極深，屬深山峽谷地貌。

線路基本沿區(qū)域構(gòu)造線行進(jìn)，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，屬我國著名的南北向地震南段之滇西地震帶。發(fā)生變形的隧道地段主要為炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖、全強(qiáng)風(fēng)化片理化玄武巖及凝灰?guī)r等，層理、片理、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面多存在軟弱夾層，屬軟巖或極軟巖，實測地應(yīng)力16.11～27.79MPa。隧道區(qū)覆蓋第四系全新人工棄土塊石土、滑坡堆積層等，受區(qū)域性構(gòu)造影響，其間褶曲發(fā)育，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性較差。

2 隧道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

2.1 圍巖大變形情況

已開工的4座隧道中，有長坪、白巖子、圓寶山等3座隧道出現(xiàn)了圍巖較大變形情況。其中，正洞累計變形較大段落長度達(dá)629.8m，輔助坑道累計變形較大段落長度達(dá)731.2m。按原施工組織方法隧道開挖主要以兩臺階法、三臺階法為主，施工過程中對隧道的拱頂和邊墻水平收斂進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明圍巖變形主要是水平收斂發(fā)展過快而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，以圖1長坪隧道DK61+320～DK61+290段水平監(jiān)測曲線為例，監(jiān)測期內(nèi)兩個斷面水平收斂均達(dá)到500mm以上，隧道上臺階變形較大，初期支護(hù)施工后一段時間內(nèi)圍巖位移仍有較快發(fā)展，隨后位移發(fā)展加速直至發(fā)生破壞?，F(xiàn)場初期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞主要表現(xiàn)為邊墻處鋼架扭曲、接頭錯動和邊墻噴射混凝土開裂，形成縱向貫通裂縫進(jìn)而造成整體失效破壞。

圖1 DK61+320～DK61+290段圍巖水平收斂監(jiān)測曲線

從現(xiàn)場施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和調(diào)整支護(hù)措施中總結(jié)的規(guī)律來看，按原設(shè)計支護(hù)方案采用上下臺階法施工，施加初期支護(hù)較難控制圍巖位移發(fā)生，收斂變形最大值達(dá)到300mm以上，嚴(yán)重地層中水平收斂值達(dá)到800mm，上收斂的變形量大于拱頂變形量，下收斂變形量相對較小。施加二次襯砌后，拱頂沉降與水平收斂逐步趨于穩(wěn)定，隧道初支完成后若15d之內(nèi)不及時施做二襯，初支變形將隨時間推移不斷增大最終導(dǎo)致侵限，大多需要換拱。即使二次襯砌施工后圍巖位移得到控制，按照新奧法和傳統(tǒng)設(shè)計理念，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要靠初期支護(hù)承受荷載，圍巖位移應(yīng)當(dāng)在二襯施加前趨于穩(wěn)定，二次襯砌作為安全儲備如承受較大荷載對后期運(yùn)營安全造成隱患。

2.2 圍巖大變形原因分析

通過對麗香鐵路四標(biāo)隧道圍巖變形較大地段地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工情況等進(jìn)行綜合分析，初步得出圍巖變形的主要原因有：

（1）大變形地段巖性多為片理化玄武巖、玄武巖夾凝灰?guī)r或炭質(zhì)頁巖、板巖等，巖體軟弱破碎，自穩(wěn)能力差，且部分段落地應(yīng)力較高、巖體具有弱膨脹性特征、局部段落巖體順層偏壓，導(dǎo)致隧道開挖后圍巖變形較大。

（2）由于邊墻未進(jìn)行超前小導(dǎo)管預(yù)注漿固結(jié)，圍巖開挖后應(yīng)力釋放較快，自穩(wěn)能力急劇下降，加上滲水軟化作用，內(nèi)摩擦角變小，導(dǎo)致圍巖對初支的主動土壓力（側(cè)壓力）急劇增加。當(dāng)側(cè)壓力超出初支的允許承載力（抗彎能力）時出現(xiàn)變形。隨著初支的變形，導(dǎo)致巖體的自穩(wěn)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生重新分布現(xiàn)象，自穩(wěn)內(nèi)應(yīng)力圈半徑不斷擴(kuò)大，相應(yīng)不穩(wěn)定巖體范圍也隨之?dāng)U大，致使側(cè)壓力繼續(xù)加大，從而加劇了變形量的不斷擴(kuò)大。

（3）施工方法選擇不當(dāng)，或工序銜接安排不合理，鋼支撐架設(shè)質(zhì)量欠佳，支撐與圍巖不密貼，聯(lián)結(jié)不夠牢固，鎖腳錨管未起到錨固作用，且由于初期支護(hù)封閉成環(huán)間隔時間較長，不能滿足圍巖壓力所需要的強(qiáng)度要求。

3 圍巖大變形處置方案

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

按原設(shè)計Ⅴ級圍巖地段設(shè)計采用V級B型復(fù)合式襯砌，拱部設(shè)置φ25組合中空錨桿，邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長度3m。全環(huán)設(shè)I18工字鋼架加強(qiáng)支護(hù)，縱向間距0.8～1m，拱部設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，每根長3～3.5m，環(huán)向間距0.4m，縱向間距1.6～2m，臺階法施工，二襯采用40cm厚鋼筋砼。

施工中根據(jù)實際情況，加大預(yù)留變形量，支護(hù)采用大變形Ⅱ型襯砌結(jié)構(gòu)，預(yù)留量40cm，全環(huán)設(shè)置工I20b鋼架，間距0.5m/榀，鋼架間縱向連接鋼筋采用φ25鋼筋，"Z"形布置，設(shè)于鋼架內(nèi)側(cè)（靠二襯側(cè)），鋼筋縱向接頭應(yīng)相互錯開,鎖腳錨桿采用φ25鋼筋，與鋼架焊接牢固；同時，加強(qiáng)各臺階底部鋼架縱向墊槽鋼的施工工藝，確保鋼架系統(tǒng)整體穩(wěn)定性；拱部設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4m，縱向間距2m，必要時帶臨時仰拱。仰拱厚55cm，二襯厚50～80cm，環(huán)向鋼筋采用Φ20螺紋筋，縱向間距20cm，層距隨二襯弧形變化而變化，縱向鋼筋采用螺紋鋼，環(huán)向間距25cm，層距隨二襯弧形變化而變化,鉤筋采用Φ8鋼筋（滿鋪）。為了保證施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度可控，在圍巖應(yīng)力較大段采用CRD開挖工法，在CRD開挖工法試驗段施工中優(yōu)化的施工工藝和總結(jié)的施工參數(shù)，動態(tài)調(diào)整下一步CRD開挖施工。

3.2 大變形段處置效果評價

圖2為長坪隧道試驗段初支變形監(jiān)測曲線，可見采用大變形Ⅱ型支護(hù)結(jié)構(gòu)及CRD開挖工法后，未發(fā)生紅色警報，可見大變形Ⅱ型襯砌對于此段圍巖變形具有良好控制效果，及時穩(wěn)定了圍巖變形收斂。CRD開挖工法能有效利用了中隔壁和臨時仰拱的支撐作用，縮短開挖與支護(hù)間隔時間，開挖對圍巖擾動小，并輔以注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)、掛網(wǎng)和格柵噴砼等支護(hù)手段，有得于圍巖變形控制，同時仰拱與下臺階的施工間距對圍巖變形有重要影響，仰拱封閉成環(huán)后，初支支護(hù)形成整體受力結(jié)構(gòu)，抵抗圍巖的變形能力增強(qiáng)，能確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全。

圖2 上臺階水平收斂監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

論文針對麗香鐵路四標(biāo)隧道發(fā)生的大變形情況，分析了其產(chǎn)生的原因，采取了相應(yīng)的設(shè)計和施工控制措施，得到了以下結(jié)論：

（1）大變形的發(fā)生與地質(zhì)條件，施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計等條件密切相關(guān)，圍巖水平收斂明顯大于豎向位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞也往往從邊墻處開始。巖體破碎，地下水豐富和高地應(yīng)力是導(dǎo)致圍巖失控的主要原因，施工技術(shù)及處置措施選擇不當(dāng)極易發(fā)生重大安全事故。

（2）在高地應(yīng)力復(fù)雜段應(yīng)采取不同的襯砌支護(hù)參數(shù)，大變形Ⅱ型襯砌重新設(shè)計了隧道斷面和支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，較好應(yīng)對了高地應(yīng)力破碎圍巖地層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移發(fā)展過快的問題，對控制圍巖變形和襯砌破壞失效具有較好效果。

（3）施工監(jiān)測結(jié)果表明上臺階圍巖位移發(fā)展較下臺階快，且臺階處鋼拱架接頭處易發(fā)生扭曲，采用CRD工法相對于上下臺階法能有效應(yīng)對問題，但一次開挖距離不宜過長，施工質(zhì)量需要重點把控，并應(yīng)當(dāng)及時施工二次襯砌。