高原炭質千枚巖隧道變形控制技術研究

楊通軍

摘 要：云屯堡隧道為單洞雙線隧道，全長22923.419m，是我國在建鐵路項目中最長的單洞雙線山嶺隧道。隧道進口緊鄰岷江雙線特大橋，出口接松潘車站。為合理確定云屯堡隧道大變形施工及運營期間結構安全，開展了云屯堡隧道大變形控制方案研究。由于隧道主要巖性為砂巖、板巖、千枚巖、炭質千枚巖，受區域構造影響，褶皺發育，巖體破碎，主要軟巖為板巖和炭質千枚巖、千枚巖，因此方案研究主要圍繞著高原炭質千枚巖隧道變形控制技術展開。

關鍵詞：高原炭質千枚巖隧道 變形控制技術 方案研究

中圖分類號：F062.4 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2017）03-281-02

一、引言

山嶺隧道穿越高原地區遭遇到炭質千枚巖巖層等軟弱圍巖時，在初期支護結構中常常會出現大變形的現象，施工難度很大。因此隧道工程建設人員針對如何控制高原高地應力軟弱圍巖大變形控制的研究是這一領域一直關注的重要課題。

二、工程概況

云屯堡隧道位于成蘭鐵路成都至川主寺（黃勝關）段鎮江關至松潘區間。隧址位于岷江左岸，距岷江0.5～3.5公里，與G213道路并行而進，為傍山隧道。隧道洞身下穿多條橫向支溝，地形起伏較大，穿越區最高峰高程約3420米，相對高差大于500米。隧道最大埋深約750米，最小埋深為8米。隧道海拔均在2800米以上，年平均氣溫5.7℃，極端最低氣溫一般在-21.1℃，屬高原高寒地區。云屯堡隧道自開工建設以來，各工區正洞均出現不同程度的圍巖變形，造成初支混凝土剝落、掉塊；鋼筋網片裸露、撕裂；局部鋼架扭曲；初支侵限；橫洞襯砌壓潰、開裂、底鼓等現象。為合理確定云屯堡隧道大變形段設計參數及施工工法，確保隧道施工及運營期間結構安全，開展云屯堡隧道大變形控制技術研究。

三、工程地質地貌概述

云屯堡隧道處于龍門山斷裂褶皺帶與甘孜——松潘褶皺帶復合部位，緊鄰岷江活動斷裂東側，橫穿摩天嶺構造帶夏莫倒轉復向斜、花海子倒轉復背斜等褶曲構造，經多期構造運動，軟硬互層狀地層巖體極為破碎。具有“四極三高五復雜”的典型特征：地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應極為顯著；高地殼應力、高地震烈度、高地質災害風險；復雜的構造運動歷史、復雜的構造形跡、復雜多變的復理巖建造、復雜的地應力環境、復雜的地下水條件。地質復雜，洞身穿越7個次級褶皺，一個斷層，不良地質主要包括：活動性斷裂帶、崩塌、泥石流、危巖落石、高地應力、斷層破碎帶、巖溶、順層、瓦斯及有害氣體、放射性、高地溫熱害等。隧道施工過程中極易發生大變形。變形特征包括：拱頂沉降、收斂變形均突出；拱頂及左側拱腰先破壞，后右側拱腰破壞；隧道開挖時掌子面潮濕，無明顯地下水滲出；變形后混凝土剝落掉塊處有地下水滲出。

四、隧道變形處理技術措施

在針對地質預判大變形段落及分級，擬定如下總原則。以“控制變形”為前提的“優化輪廓、分步預留、錨撐結合、快速封閉、動態調整”的大變形處理原則。根據本線其它雙線隧道軟巖大變形處理取得的成果，初步擬定本隧輕微、中等、嚴重大變形主要措施，通過先導段試驗進行驗證及優化調整。

（一）隧道輕微、中等變形處理技術措施

針對輕微、中等變形以優化洞形，加強措施，盡量保護圍巖的原則進行控制。如提高初期支護剛度可較有效地抵御前期變形，通過調整初期支護的鋼架使鋼架扭曲的現象得到了一定控制（見表1、表2）。

（二）隧道嚴重大變形地段處理技術措施

針對嚴重大變形地段設置多層支護，分層施作；錨桿采用長短結合形式，短錨桿在噴射混凝土前及時施作，長錨桿在噴射混凝土完成后及時施作——后打錨桿施工法；預留變形量可采用分步預留方式。為了防止初期支護侵限拆換拱架，考慮到圍巖變形的不均勻性，預留變形量需要根據工程地質、埋置深度、施工方法、支護情況及監控量測數據等實際變形情況靈活調整。同時，為了確保二襯厚度，考慮初期支護在二襯之前不穩定的情況，鋪設土工布后再進行綁扎鋼筋等多道工序（見表3）。

（三）短臺階或微臺階工藝

通過微臺階法處理變形的技術可以縮短封閉時間，支護及早封閉成環，施工時核心土長和高分別是3米和2.5米。中、上、下臺階長度分別是3到5米，5米和6到7米。下臺階距離仰拱15米，仰拱距離掌子面距離不大于35米。根據隧道現場變形監測數據。變形控制應在隧道前9到15天施工較為有效，下臺階接腿實踐不超過9天，仰拱封閉時間不超過15天還可設置臨時仰拱或者橫撐以控制變形。

（四）大剛度支護技術的應用

大剛度支護施工技術是根據初期支護強度和剛度的特性，對碳質千枚巖進行高地應力大變形加以施工控制。采用大型鋼架構建大剛度支護體系，根隧道軸向水平擠壓應力大于橫向水平擠壓應力的特點，加強鋼架縱向連接，設置工16縱向連接鋼架，確保鋼架的整體性和剛度。施工中整體支護效果明顯好于一般段，特別是水平方向應無扭曲和失穩。

（五）二次襯砌施作時間

適時施作二次襯砌。澆筑“剛強”結構，抵抗余存的變形壓力，維護隧道及圍巖的整體穩定，是穩定變形，經濟有效的方法。二次襯砌施作時機應根據現場實際量測數據對支護及圍巖的穩定性位移或回歸分析所得最終位移量、位移速度及其變化趨勢、隧道埋深、開挖斷面大小等進行綜合分析判別，施工時根據隧道變形情況、支護受力狀態及初期支護表面裂縫發展情況等綜合考慮變形趨勢穩定，將隧道二次襯砌施作時機定為水平收斂（拱腰附近七天平均值）小于0.2毫米每天、拱部下沉速度小于0.15毫米每天。同時將二次襯砌結構進行適當加強。

（六）隧道變形處理其他技術措施

對隧道變形進行技術處理的措施還包括：采用銑挖機開挖周邊，破碎錘開挖中部的組合開挖法，有效減少擾動，杜絕了突發性鼓出變形；長錨管鎖腳，是控制初期支護大變形的有效措施；采用工字鋼型鋼鋼架替代螺紋鋼縱向連接，加強鋼架整體性和抵御隧道縱向位移能力，提高初期支護穩定性，抑制圍巖大變形；增加監控量測項目和監測頻率，及時掌握施工各階段圍巖和支護結構的受力變形情況等。

五、結束語

在采取了系列大變形防治措施后，云屯堡隧道變形（以拱頂下沉和水平收斂為主，拱頂最大沉降速率為60毫米每天，累計沉降變形513毫米；水平收斂多發生在拱腰部位，最大水平收斂速率為29.1毫米每天，累計收斂為288毫米）、支護開裂、扭曲等現象得到了較為有效的控制。經過工程實踐后我們總結出下列實踐經驗：短臺階或微臺階工藝是控制隧道大變形的有效措施之一；自進式長錨桿鎖腳是控制隧道大變形的有效措施之一；預留合理的變形量是控制隧道大變形的有效措施之一。

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（作者單位：中鐵十六局集團第二工程有限公司 天津 300162）

（責編：賈偉）