淺談木寨嶺隧道施工中的問(wèn)題

蒙高磊　李皓瑋　劉明道　劉之葵

摘 要：通過(guò)剖析木寨嶺隧道的工況以及主要地質(zhì)特征，介紹蘭渝鐵路木寨嶺隧道施工中遇到的問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)例分析了隧道產(chǎn)生塌方以及軟巖大變形的原因，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了合理、有效的施工建議，為今后類(lèi)似的隧道工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道 炭質(zhì)板巖 塌方 大變形

中圖分類(lèi)號(hào)：U459.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（b）-0009-03

Abstract：Through analyzing the working conditions and the main geological characteristics of the Wood Village Ridge Tunnel， introduce lanzhou-chongqing railway wooden village ridge of the problems in the tunnel construction， combining with engineering examples， the article analyses the collapsed tunnel and the reason for the large soft rock deformation， and aimed at these problems puts forward the reasonable and effective construction suggestions， provide reference for similar tunnel projects in the future.

Key Words：Tunnel； Carbonaceous slate；Collapse； Large deformation

隨著我國(guó)改革的深入，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)也蓬勃發(fā)展，對(duì)于鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的投資力度也不斷加大。隨著路網(wǎng)的不斷完善，特別是隧道的建設(shè)，越來(lái)越向著深埋、長(zhǎng)、大等方向不斷發(fā)展，各種工程問(wèn)題亦隨之出現(xiàn)，例如國(guó)外的奧地利陶恩隧道[1]、阿爾貝格隧道[2]、日本的惠那山隧道[3]以及國(guó)內(nèi)的木寨嶺公路隧道[4]、南昆鐵路家竹菁隧道[5]、蘭新鐵路烏鞘嶺隧道[6]等都出現(xiàn)了不同程度的圍巖大變形問(wèn)題，給隧道的正常施工造成很大的影響。該文結(jié)合工程實(shí)際對(duì)正在施工的木寨嶺隧道遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，以期為后續(xù)類(lèi)似工程的施工提供建設(shè)性的建議。

1 工程概況

蘭渝鐵路是連接我國(guó)西北與西南的重要鐵路干線，而其中的木寨嶺雙洞單線隧道是蘭渝鐵路全線唯一一座動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，線路基本呈北南走向，線路右側(cè)有5座輔助坑道，左側(cè)有3座輔助坑道，具體見(jiàn)圖1。木寨嶺位于甘肅省定西市岷縣與漳縣交界處的嶺羅山區(qū)，是渭河與洮河的分水嶺，也是隴南通往定西、蘭州的屏障。在2004年，連通西北與西南的212國(guó)道在這里棄彎取直，拋棄原有彎急坡陡的越嶺公路，通過(guò)1 700 多米的木寨嶺公路隧道連通山嶺兩邊的岷、漳二縣，而蘭渝鐵路木寨嶺隧道以19 068 m的長(zhǎng)度穿越這一巨大的分水嶺，其長(zhǎng)度僅次于全長(zhǎng)28 236 m西秦嶺隧道，為蘭渝線第二長(zhǎng)隧。木寨嶺隧道地處震區(qū)，通過(guò)11條斷層，隧道洞身穿過(guò)3個(gè)背斜及2個(gè)向斜構(gòu)造，地質(zhì)條件非常復(fù)雜；隧道穿越的板巖及炭質(zhì)板巖區(qū)占全隧的46.53%，該巖石遇水易崩解軟化，圍巖穩(wěn)定性極差，且炭質(zhì)板巖區(qū)可能有瓦斯外溢；隧道穿越的山體含水量大，開(kāi)挖中易發(fā)生突水突泥；隧道通過(guò)區(qū)有總長(zhǎng)4.5 km的11條長(zhǎng)大斷層破碎帶沿隧道走向交叉分布，極易發(fā)生圍巖大滑坍。

2 主要地質(zhì)特征

木寨嶺隧道是比較典型的板巖隧道工程，而其中炭質(zhì)板巖段易發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。炭質(zhì)板巖外觀為青灰色-黑色，板狀構(gòu)造，變晶結(jié)構(gòu)，主要成分砂質(zhì)、鈣質(zhì)、炭質(zhì)、鐵質(zhì)等，含石英細(xì)粒，裂隙、節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化，Ⅵ級(jí)軟石，σ0= ，風(fēng)化層厚5～10 m，Ⅲ級(jí)硬土，σ0= 。巖層產(chǎn)狀：以N60～70E/25～66S，EW/35～85N，N40E/50～70為主。炭質(zhì)板巖的力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)面傾角大小相關(guān)，結(jié)構(gòu)面受力后易發(fā)生剪切破壞和產(chǎn)生順層滑移破壞，板巖浸水后強(qiáng)度降低50%。且在通過(guò)水壓致裂法測(cè)試后表明[7]：木寨嶺隧道區(qū)域地應(yīng)力分布為顯著的水平構(gòu)造應(yīng)力特征（σH>σh>σv），都屬于極高和高地應(yīng)力地段，最大主應(yīng)力與隧道軸線基本一致，故對(duì)隧道穩(wěn)定性影響較小，但對(duì)斜井施工有很大影響。

3 主要工程問(wèn)題

3.1 隧道塌方

在炭質(zhì)板巖地層中，隧道爆破完畢之后，初期掌子面形成較好，然而隨著圍巖暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，開(kāi)挖面不斷出現(xiàn)掉塊，最后出現(xiàn)坍塌，若遇到圍巖富含裂隙水的情況則坍塌更為嚴(yán)重，如圖2。

3.2 軟巖大變形

由于木寨嶺隧道所處高地應(yīng)力地區(qū)，且隧道穿越地段多為膨脹性的炭質(zhì)板巖，因此在隧道斜井施工中出現(xiàn)較多軟巖大變形的地段。從總體變形監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，在幾個(gè)變形的隧道斜井中最早出現(xiàn)變形的是5#鹿扎斜井，發(fā)生在2009年5月初；7#大戰(zhàn)溝斜井的變形時(shí)間最長(zhǎng)，變形范圍最大，從2009年5月開(kāi)始變形一直持續(xù)到9月；6#大溝莊斜井的變形出現(xiàn)在2009年7、8月間，日變形量和最終變形量都不是很大，但由于后期地下水的涌出，其變形量逐漸增大，在變形期間開(kāi)挖面先后兩次出現(xiàn)股狀流水，圍巖遇水后承載力降低變形增大；2#大坪斜井出現(xiàn)時(shí)間較晚，變形范圍也較小，但是其日變形量比較大，部分測(cè)量點(diǎn)的最終變形也較大；3#大坪有軌斜井的主副井變形比較顯著，日變形量也比較大，自2009年6月以來(lái)，主、副井先后發(fā)生了4次大變形，變形范圍從30～70 m不等，表現(xiàn)為拱墻大面積噴混凝土開(kāi)裂、掉塊，鋼拱架整體往洞身方向徑向變形開(kāi)裂。量測(cè)數(shù)據(jù)顯示變形主要為收斂變形較大，同時(shí)伴隨拱頂下沉，且收斂速度較快。在斜6+59～5+90變形段從2009年8月22日開(kāi)始變形突然加劇，且速度極快，在一天內(nèi)拱墻初支混凝土出現(xiàn)大范圍開(kāi)裂、掉塊，斜6+22位置拱頂斷裂，見(jiàn)圖3、圖4。

4 問(wèn)題原因分析及處理措施

對(duì)于隧道塌方，根據(jù)斜井開(kāi)挖的巖層顯示，炭質(zhì)板巖為薄層狀，層厚5～30cm，節(jié)理發(fā)育，圍巖破碎，在開(kāi)挖爆破之后圍巖應(yīng)力重分布，使得外露圍巖形成一道塑性松動(dòng)圈，巖體間摩阻力降低，受重力與地應(yīng)力雙重作用，表層巖塊掉落，隨之第二次應(yīng)力重分布，逐漸形成塌方。其次，炭質(zhì)板巖主要為軟質(zhì)巖，本身節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面光滑，圍巖完整性差，根據(jù)隧道頂部圍巖平衡拱理論圍巖越破碎，所需支護(hù)力也越大，更易形成塌方，且受地下水影響，巖體遇水后強(qiáng)度急劇下降，層間泥質(zhì)充填物在裂隙水的作用下失去膠結(jié)作用，造成巖體強(qiáng)度降低的同時(shí)因裂隙水帶走層間結(jié)合物，導(dǎo)致巖體完整性的進(jìn)一步破壞。在施工過(guò)程中由于開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)大未能及時(shí)支護(hù)以及施工過(guò)程不夠細(xì)致也是導(dǎo)致隧道塌方的原因。對(duì)于塌方可在以下幾個(gè)方面著手。

（1）在設(shè)計(jì)階段，對(duì)于隧道的危險(xiǎn)地段應(yīng)盡量采取超前錨桿或管棚等超前支護(hù)措施，抑或根據(jù)地下水發(fā)育情況采取超前注漿等圍巖加固措施，增加圍巖的穩(wěn)定性。

（2）在施工階段，在開(kāi)挖前拱部范圍采取超前支護(hù)措施，減少?lài)鷰r掉塊，防止松動(dòng)圈擴(kuò)大；在開(kāi)挖時(shí)采用控制爆破和臺(tái)階法開(kāi)挖，減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，增強(qiáng)圍巖自身承載力和穩(wěn)定性；在開(kāi)挖后要及時(shí)的進(jìn)行初期支護(hù)，使尚未達(dá)到整體破壞的周邊巖體及時(shí)得到徑向抗力，使局部應(yīng)力狀態(tài)由二維轉(zhuǎn)向三維，從而提高承載力[8]。

在木寨嶺隧道的施工過(guò)程中遇到最多的是軟巖大變形，軟巖大變形問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)塑性大變形問(wèn)題，針對(duì)變形的特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其成因可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）地質(zhì)條件。木寨嶺隧道的大變形段多為巖質(zhì)板巖和斷層破碎帶，炭質(zhì)板巖具有膨脹性，質(zhì)軟，遇水易崩解，巖體自身強(qiáng)度低，其巖層走向與隧道軸線夾角較小，巖層膨脹所產(chǎn)生的側(cè)壓及開(kāi)挖后應(yīng)力均較大，易產(chǎn)生側(cè)向大變形；此外，通過(guò)地質(zhì)素描圖可看出在巖層產(chǎn)狀相差不大的情況下，特別是在斷層破碎帶，節(jié)理越發(fā)育，變形越明顯，且隧道所處均為極高和高地應(yīng)力區(qū)域，加劇了軟巖變形的速度以及規(guī)模。

（2）支護(hù)條件。一方面是初期支護(hù)強(qiáng)度不夠，使得其剛度不足以抵抗強(qiáng)大的地應(yīng)力作用，從而產(chǎn)生變形；另一方面是施工工序間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，未能及時(shí)形成封閉的支護(hù)體系，使得初期支護(hù)在無(wú)約束下產(chǎn)生無(wú)限制性變形，最終發(fā)展成圍巖大變形。

（3）施工條件。施工初期隧道斜井?dāng)嗝娌捎弥眽Y(jié)構(gòu)，因各斜井與主隧道斜交，斜井走向與所受主應(yīng)力方向基本垂直，在施工一段時(shí)間后直墻在側(cè)壓作用下內(nèi)鼓變形，結(jié)構(gòu)抗力急劇減小，導(dǎo)致塑性變形加大，后期施工在采用曲率較大的圓形斷面之后發(fā)現(xiàn)斜井變形的情況有明顯的好轉(zhuǎn)，因此可以判斷隧道斷面形式的選擇亦是產(chǎn)生大變形的原因。此外由于有的斜井坡度較大，開(kāi)挖方法不當(dāng)導(dǎo)致初支成環(huán)不及時(shí)，并在重力作用下隨著井深的增長(zhǎng)造成邊墻變形開(kāi)裂和仰拱上鼓。

針對(duì)之前對(duì)木寨嶺隧道軟巖大變形的分析，為確保施工進(jìn)度、抑制其變形可采取以下措施[9]。

（1）加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)工作，不僅要對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，對(duì)于初期變形不明顯區(qū)域也要建立長(zhǎng)效的監(jiān)測(cè)機(jī)制，未雨綢繆。

（2）采用合理的支護(hù)形式、支護(hù)時(shí)機(jī)以及支護(hù)參數(shù)，盡量進(jìn)行超前設(shè)計(jì)，并對(duì)后續(xù)施工可能出現(xiàn)的問(wèn)題提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

（3）采用合理的隧道斷面形式，應(yīng)用早高強(qiáng)濕噴混凝土，抑制圍巖變形，提高初期支護(hù)強(qiáng)度，在施工過(guò)程中預(yù)留變形量以釋放殘余應(yīng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

目前木寨嶺隧道即將全斷面貫通，在斜井與主線貫通之后由于正洞斷面增大，凈空的要求與大變形的控制標(biāo)準(zhǔn)也要相應(yīng)地提高，因此之前斜井施工中的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)顯得格外重要，將為后續(xù)類(lèi)似工程提供寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 金鑫.陶恩隧道掘進(jìn)中的一些經(jīng)驗(yàn)[J].隧道譯叢，1976（2）：50-54.

[2] 劉達(dá)仁.阿爾貝格隧道掘進(jìn)中的支護(hù)問(wèn)題[J].隧道譯叢，1970（5）：32-42.

[3] 鄒崇富.惠那山隧道長(zhǎng)平譯斷層中新奧法的設(shè)計(jì)和施工[J].隧道譯叢，1986（1）：37-46.

[4] 中國(guó)公路學(xué)會(huì).2003全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5] 鐵道部第二勘察設(shè)計(jì)院.高應(yīng)力比煤系地層巷道穩(wěn)定及支護(hù)技術(shù)[Z].

[6] 卿三惠，黃潤(rùn)秋.烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道軟弱圍巖大變形特性研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42（2）：7-14.

[7] 巨小強(qiáng).木寨嶺隧道越嶺區(qū)區(qū)域地應(yīng)力特征分析及應(yīng)用[J].鐵道勘察，2010（2）：33-35.

[8] 王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[9] 楊新安，黃宏偉.隧道病害與防治[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.