甘塔斯隧道膨脹巖剛性支護設計與施工

唐曉冬

(中國土木工程集團有限公司，北京 100038)

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甘塔斯隧道膨脹巖剛性支護設計與施工

唐曉冬

(中國土木工程集團有限公司，北京 100038)

摘要：詳細討論了阿爾及利亞甘塔斯隧道膨脹巖支護設計與施工所遇到的主要問題，指出初支設計應基于對實際地質情況的真正認識。施工過程發現，及早封閉仰拱、隔離圍巖與空氣的接觸是減少膨脹性的有效措施；多層剛性支護是限制圍巖膨脹性、簡化施工、提高進度的較好支護形式。

關鍵詞：隧道；膨脹巖；剛性支護；新奧法

1 工程概況

1.1 甘塔斯隧道概況

阿爾及利亞東西鐵路干線西段55 km線路改造及復線工程，總長56.7 km，設計速度160 km/h。該項目穿越甘塔斯低山區，是阿爾及利亞北方干線鐵路的重要組成部分，其中甘塔斯隧道是本項目的重點控制工程。

甘塔斯隧道為雙洞單線隧道(7 346 m+7 335 m)，最大埋深390 m，進口位于直線上，端線間距為35 m；出口位于曲線上，端線間距過渡為24 m(見圖1)。隧道最小曲線半徑為Rmin=988 m，最大曲線半徑為Rmax=3 017.5 m。縱斷面設計為人字坡，進口坡度3‰，出口坡度6‰。兩洞間設14個橫洞，間距500 m。隧道設置斜井一座，長度530 m，與正洞交匯處距進口2 km。

圖1 甘塔斯隧道出口左、右洞位置圖

1.2 隧道地質特征及橫斷面設計

根據地質勘探報告[1]，甘塔斯隧道進出口主要地層為第三系泥灰巖，具膨脹性，巖質極軟，屬V級圍巖；洞身主要是第三系泥灰巖夾砂巖、泥灰巖、砂巖夾泥灰巖及白堊系頁巖為主。具膨脹性的泥灰巖呈青灰色、深灰色，泥質結構，單軸抗壓強度0.75～7.57 kPa，設計提示支護設計應有適當的預留變形量[2]。在出口端大約V1K108+300～108+600之間存在斷層。

1.3 不良地質段施工概況

隧道從2011年開始施工，分別從進口、斜井、出口三處掘進，斜井和進口間(V1K102+086～V1K104+114,約2 028 m)為砂質泥灰巖及帶有砂巖的粘土泥灰巖地質段，采用新奧法施工，于2013年10月貫通；之后，掘進在斜井和出口處雙洞、雙向四個工作面同時進行。

從2013年7月起，甘塔斯隧道出口遭遇不良圍巖地質段(埋深80～150 m)，采用新奧法施工的初期支護變形嚴重。雖然在當時已有設計支護類型范圍內，通過不斷改善施工工藝、加強支護形式，仍然沒有明顯改善的跡象,并導致進行多次初支換拱施工(V1K108+702～V1K108+584,換拱是國內在膨脹土地層隧道施工的習慣叫法，指機械拆除侵限或者變形失穩的支護，按照新支護類型重新施作初支)，部分地段進行了兩次換拱仍不能穩定圍巖。換拱不僅導致極大浪費，也拖延了工程進度。

為恢復進度，2014年4月在出口端左洞，通過縮小斷面(小導洞，從V1K108+583起小里程方向)，嘗試使用原設計的強支護強行通過問題地段，以便待圍巖情況好轉后，一面向進口方向掘進，一面處理這一段。但在此段施工小導洞開挖支護長度252 m后，遇到掌子面出現較大的股狀水流，浸泡了已經完成的后方初期支護段，導致后部仰拱突然向上隆起，仰拱鋼拱架斷裂，膨脹土填滿幾乎半個導洞(見圖2、圖3)，不得不終止掘進。

圖2小導洞掌子面出水圖3小導洞仰拱隆起(面向掌子面)

2015年4月，斜井左洞圍巖出現變化，在V1K106+546～V1K106+591地段，使用格柵拱架的初期支護在仰拱閉合成環以后，出現拱頂開裂、拱架變形、邊墻開裂等現象，后使用格柵拱架噴砼做內襯進行加固；在其它地段使用HEB180@100 cm，HEB220@80 cm的地段，在仰拱封閉之后，仍然出現同樣的問題。此段初期支護仍然采用新奧法設計。

2 隧道支護設計及效果

甘塔斯隧道圍巖分類采用RMR，支護設計采用新奧法，初期支護主要采用噴砼支護，二襯厚度40 cm，施工過程中實施動態監控量測。

噴砼支護根據地質情況，采用格柵拱架，間距1.2 m；型鋼拱架HEB180，間距0.8～1.2 m；最重支護采用HEB220，間距0.6～0.8 m。噴砼厚度25～40 cm，強度RN25(法國標準，相當于國內等級強度為C30混凝土)。實際支護形式按照量測結果及支護效果進行動態調整。

在1#斜井與進口之間的砂質泥灰巖段，上述新奧法設計適用性較好，初支表現良好，沒有觀察到大的位移和應力變化情況；但在斜井與出口之間，隨著向山體內部掘進所遇地質情況和地應力的變化，原先依據新奧法所設計的初支在不同的部位不斷出現開裂，致使在同一里程上不斷出現換拱仍然不能阻止破壞的產生；推遲仰拱開挖時機更加重了這些地段上初支的破壞程度。

在出口端，隨著掘進向斷層帶推進，左右洞掌子面均出現巖體被擠進洞內，通常擠入達到1 m以上，開挖進度一度受阻。雖采用設計允許的各種加強支護措施，但都達不到應有的支護效果，噴砼開裂、鋼拱架壓屈等現象經常出現，侵限造成經常返工，經濟和時間損失十分嚴重。

3 膨脹巖地段的初期支護失效特征及分析

3.1 地質條件的重新認識

甘塔斯隧道在設計初期即已認識到在泥灰巖地段存在膨脹性，在隧道進出口位置的淺部鉆探中，已經發現有這種現象，但由于各種原因，并沒有相應的針對膨脹性圍巖的專門支護設計。

為了證實施工過程中所遇到的各種破壞現象與圍巖的膨脹性有關，我方委托當地和國內有關單位進行了巖石膨脹性實驗。結果發現，有側限最大膨脹力介于31～718 kPa，并沿隧道全長呈不均勻分布。極劈理化和劈理化泥灰巖的有側限膨脹力可達 718 kPa，膠結程度差，干燥飽和吸水率較大，抗剪強度低，單軸抗壓強度低，總體上屬中等～強烈膨脹性圍巖。砂質泥灰巖的有側限膨脹力可達 277 kPa，膠結程度較差，干燥飽和吸水率53.6%～67.7%，抗剪強度較低，單軸抗壓強度低，總體上屬中偏強的膨脹性。砂巖夾泥灰巖易沿著既有層理面發生剪切破壞，膠結程度更差，干燥飽和吸水率均較小(30.9%～44.3%)，膨脹力介于31～116 kPa之間，總體上屬弱膨脹性(膨脹性分級指標見表1)。基本上可以確定，甘塔斯隧道所穿越的地層是膨脹性地層。只不過，上述斜井到進口之間屬于較弱膨脹性的地層。

表1 膨脹性分級指標

掌子面擠入地層也證明了隧道所處地層的低強度、高塑性或者高膨脹性的特征。

3.2 結構失效特征

膨脹性圍巖內支護結構的破壞有以下特征：無論是在使用格柵拱架地段還是使用HEB180型鋼地段，在仰拱封閉10～15 d之后，初支便開始出現縱向裂縫，從外觀來看，這些裂縫應屬于壓剪破壞(圖4)。這樣的縱縫，有些地方是單獨出現，有些地方則合并其它破壞形式同時出現(圖4～圖7)，這與膨脹力的分布不均有關。

這些破壞形式與較大的垂直于隧道軸線方向的水平應力有關，但是，也有文獻認為[3,4]，這其實是由隧道底部較大的膨脹力造成的。

在隧道內相當多的地段，邊墻存在圖5和圖6的破壞形式。這些破壞一般都在仰拱封閉之后若干天之后才出現。

圖4 拱頂破壞以壓碎為主要特征的縱縫圖5 邊墻破壞為壓剪破壞狀況圖6 鑿開后邊墻壓剪破壞圖7 仰拱隆起，拱架中心接頭被剪斷

初支仰拱部分的鋼拱架也常被頂起，中心接頭部分被剪斷，噴砼層斷裂被高高抬起(圖7)；改變接頭位置后情況有所改善，但加劇了邊墻部位的破壞程度。

4 膨脹巖地段的支護設計

4.1 膨脹巖的特性及常用處理方法

對于膨脹巖地層，一般認為在沒有地下水存在的情況下是不會出現膨脹性的。但在干旱的非洲，有文獻指出[5]，某些隧道根本就不存在地下水，卻仍然出現較大的膨脹性。甘塔斯隧道的情況就是這樣的一個無明顯可見地下水但仍然出現膨脹性的例子。當然，膨脹性巖體遇水是一定膨脹的，小導洞即是這樣的情況。

對膨脹性圍巖的支護設計，歐洲具有豐富的實例可供參考。處理的方法有[6]：①預應力長錨桿加固仰拱部位；②仰拱部位預留較大變形空間；③增加仰拱結構厚度；④新意法，采用剛性支護。

4.2 甘塔斯隧道膨脹巖地段支護設計[7]

由于甘塔斯隧道的情況與新意法所述原理比較接近，并且巖體出現的破壞形式也基本接近，因此，支護形式采用剛性支護，以較大的剛性抵抗地層的膨脹，以避免將來在運營期間出現二襯及仰拱破壞的情況。

支護設計考慮最大膨脹力518 kPa；按照518 kPa，318 kPa，0 kPa膨脹力分別驗算，初支承擔絕大部分壓力，二襯承受小部分膨脹力。

圖8～圖11基本上確定了采用40 cm厚度、HEB220@60 cm的初支薄弱部位在仰拱中心以上大約1/5隧道高度。這個結果與現場觀察到的破壞部位和性質基本一致(圖4～圖7)。

圖8初支剪力分布圖圖9初支彎矩分布圖圖10初支截面壓應力分布圖圖11初支截面拉應力分布圖

考慮膨脹力沿隧道中線方向的不均勻性，初支考慮采用1層40 cm、HEB220支護，2層同樣參數的初支支護，以及極端情況下采用相同參數的3層支護。

5 膨脹巖地段的支護效果檢測

按照以上多層支護設計以及業主、監理和承包商現場共同對圍巖地質情況的判斷，2014年9月份先采用3層支護設計做了15 m試驗段，經過實際量測，初支內應力及位移和地層壓力都得到了很好的抑制，沒有出現之前的邊墻破壞及仰拱隆起現象；2015年2月份在左洞做了兩層支護的試驗段，結果也比較令人滿意；接著，根據巖層變化情況，逐漸減輕支護，在某些地段上采用單層支護，從觀測結果來看，支護效果非常理想(圖12、圖13)。

圖123層支護施工效果圖13兩層支護的施工效果

目前整個隧道沒有再出現初支破壞的情況，施工進度正常。

6 結論

(1)國際工程中要捋順經驗與理論的關系。國內有一套自成體系隧道施工經驗，這對于我國隧道的快速施工非常有效，特別是近年來大型數值分析工具的引進，經驗與理論的結合使得隧道的施工少了很多盲目性。但是，這些經驗和工具在國際工程環境下往往很難發揮其應有作用，即使在具有國際影響的數值分析工具使用上，也會受到合同環境、監理因素的影響不被認可而不使用。因此，有志于國際化經營的設計企業，應當深入地了解理論分析在國際工程中的真實地位。

(2)準確確定地質條件是調整支護的前提，正確的支護形式決定于對地質情況的透徹了解。甘塔斯隧道地質圍巖已經證實了具有膨脹性，但沒有采用相應針對膨脹性地層的設計，是出現隧道反復換拱的真正原因。

(3)支護的破壞與隧道斷面的大小關系不大。就膨脹性而言，在有水的情況下，縮小施工斷面似乎并沒有減弱地層的膨脹性，破壞的特征與大斷面沒有太大的區別。

(4)在同一個地點反復出現同一問題并且沒有減弱的趨勢，在沒有試驗資料的情況下，應當首先考慮膨脹力，而不是高地應力。

(5)膨脹性的出現不一定必須出現地下水。一般認為，沒有地下水位的改變，膨脹性地層一般不會有顯著的膨脹力[8]。然而，甘塔斯隧道的膨脹性恰恰是在沒有肉眼可見的地下水的情況下出現的，說明沒有水而出現膨脹性是可能的。在甘塔斯隧道多層支護施工中，采用及早封閉仰拱，將圍巖與空氣隔離的措施，被證明是減弱膨脹性的有效措施。

(6)剛性支護限制巖體膨脹性的持續發展。普通隧道施工一般采用柔性支護[9]，為此需要通過位移盡可能地釋放地應力，在膨脹性地層中采用讓壓錨桿以及可伸縮拱架等；但甘塔斯的經驗說明，在不阻斷輸水通道的情況下，這些柔性支護的最大能力往往不能抵償膨脹性所引起的大位移，加上工期因素，其實際效果不如直接采用剛性支護。

參考文獻

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[2]曹 峰，范春林.綜合地質勘察方法在甘塔斯隧道的應用實例[J].鐵道工程學報，2011(8):31-37

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[6]溫利強.軟弱圍巖大跨隧道施工技術[J].山西建筑,2009,35(13):298-299

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[8]黃 強.中強膨脹性圍巖隧道施工技術[J].公路隧道,2013，39(1):52-54

[9]中華人民共和國鐵道部.TB10204—2002 鐵路隧道施工規范[S].北京：中國鐵道出版社，2002

On the Design and Construction of the Primary Rigid Supportsfor Ganntas Tunnel in Swelling Ground

Tang Xiaodong

(China Civil Engineering Group Co. Ltd.,Beijing 100038,China )

Abstract:Main difficulties and problems encountered in the design of the primary supports for and construction of the Ganntas Tunnel in the swelling rock stratum in Algeria are talked about in detail in the paper,with an important point of view dealt with that the primary supports should be based on the real understanding of the true geological conditions.In the course of construction,to find the swelling rock,to perform the early closure of the inverted arch and to prevent the surrounding rock from contacting the air are effective measures to keep the surrounding rock from swelling. And the multi-course rigid supports are good supporting forms to counter swelling,simplify construction and accelerate the progress.

Key words:tunnel;swelling rock;rigid support;NATM

收稿日期：2015-12-25

作者簡介：唐曉冬(1971—)，男，高級工程師，主要從事海外工程項目管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.008

中圖分類號：U455.49

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)03-0031-04