藏噶隧道蝕變花崗巖地層圍巖大變形控制措施研究*

彭學軍，李一萍，陳 彬，劉飛翔，方星樺

(1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南 長沙 410117； 2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075)

1 工程概況

川藏鐵路拉(薩)林(芝)段藏噶隧道全長8 775m，為設計列車速度160km/h的客貨共線單線隧道，隧址位于山南地區桑日縣境內，線位高程3 550.000m左右，隧區地面高程3 550.000～4 400.000m，隧道最大埋深778m[1]。隧道主要穿越第三系始新統花崗巖、閃長巖。地下水以孔隙水、基巖裂隙水為主，水量豐富。隧址區域性斷裂構造極為發育，洞身依次穿越拉龍—藏噶張性斷裂、正嘎斷裂和沃卡—羅布莎斷裂(該斷裂為沃卡盆地東緣斷裂，共發育5處支斷裂)，受區域構造影響，巖體較破碎；不良地質有冰磧層、大變形、連續富水斷裂等。隧道部分區段縱斷面如圖1所示[1]。

圖1 藏噶隧道部分區段縱斷面

本隧道為全線控制工期的重難點工程之一，全隧道設有2座橫洞，其中2號橫洞全長1 040m，與隧道正洞交于DK169+000處。2號橫洞工區正洞施工時，DK169+025—DK169+140段由原設計Ⅲ級圍巖、全斷面法開挖變更為Ⅴ級圍巖、臺階法開挖。該段主要采用Ⅴc型復合式襯砌結構(見圖2)[1]，支護參數為：全環設型鋼鋼架支護，間距0.8m/榀；拱墻、仰拱25cm噴射混凝土；拱部設3.5m長φ42超前小導管，間距2.4m，共22根；拱部設3m長φ22組合中空錨桿，邊墻設3m長φ22砂漿錨桿，間距1.2m×1.0m(環×縱)；預留變形量為80～100mm。

圖2 Ⅴc型復合式襯砌結構斷面(單位：cm)

2 隧道施工圍巖與支護結構變形

2.1 現場施工情況

2號橫洞輔助坑道于2016年6月自H2DK0+300附近開始發生大變形，其中H2DK0+297—H2DK0+000共計297m由III級圍巖變更為V級圍巖，變形量最大為320mm。2017年3月28日完成橫洞開挖。

2號橫洞大里程正洞于2017年4月25日自DK169+025處開始一直受圍巖大變形影響，現場變形情況嚴重，大變形發生在目前掌子面DK169+247。最大變形發生在DK169+122上臺階，斷面累計水平收斂3 023mm，主要表現為初支嚴重開裂、噴射混凝土剝落及鋼架扭曲變形、接頭直接斷裂以及初支變形侵限等情況，如圖3所示。

圖3 初支破壞典型照片

2.2 大變形段整體變形情況

DK169+025—DK169+140段圍巖變形監測統計結果(見圖4)表明，該里程段內圍巖變形量大，其拱頂沉降平均值為248.32mm，水平收斂平均值為942.73mm，均超出預留變形量(80～100mm)，圍巖變形整體呈現出水平收斂大于拱頂沉降的特征。DK169+122斷面施工至下臺階時，上臺階支護結構已嚴重變形侵限，其累計拱頂沉降值為656.0mm，累計水平收斂值為3 023.0mm，該斷面進行了拆換拱處理。

圖4 DK169+025—DK169+140段圍巖累計變形曲線

2.3 典型斷面圍巖變形特征

選取DK169+055，DK169+070典型斷面進行分析，這兩個斷面均為臺階法施工，采用Ⅴc型復合式襯砌結構，其變形時程曲線分別如圖5，6所示。

圖5 DK169+055斷面圍巖變形時程及速率曲線

通過分析圖5和圖6所示變形時程曲線可得出以下結論。

圖6 DK169+070斷面圍巖變形時程及速率曲線

1)圍巖變形量較大 在監測時段內，圍巖拱頂沉降、水平收斂變形量大，且呈現出水平收斂大于拱頂沉降的特征。其中，DK169+055斷面拱頂沉降累計值為84.5mm，水平收斂累計值為301.5mm，DK169+070斷面拱頂沉降累計值為89.0mm，水平收斂累計值為1 073.5mm，兩個斷面的拱頂沉降累計值和水平收斂累計值均超過設計預留變形量(80～100mm)。

2)圍巖變形速率較快 在監測時段內，隧道圍巖變形先后經歷了加速階段與發展階段。隧道上臺階開挖至下臺階開挖，圍巖變形處于加速階段，圍巖變形速率大，DK169+055斷面平均沉降速率和上臺階平均收斂速率分別為2.0，17.7mm/d，DK169+070斷面平均沉降速率和上臺階平均收斂速率分別為2.6，31.3mm/d，此階段圍巖變形占總變形的40%～50%；隧道下臺階開挖至仰拱開挖支護，圍巖變形處于發展階段，圍巖變形速率有所減小，但仍維持在較高狀態，DK169+055斷面平均沉降速率和上臺階平均收斂速率分別為2.9，4.6mm/d，DK169+070斷面平均沉降速率和上臺階平均收斂速率分別為1.7，19.2mm/d，此階段圍巖變形占總變形的50%～60%。

3)圍巖變形速率受施工擾動存在一定影響 DK169+055斷面在下臺階左側開挖時，水平收斂速率由17.2mm/d躍升至30.2mm/d，DK169+070斷面在下臺階右側開挖時，水平收斂速率由9.3mm/d躍升至48.5mm/d，且隨后出現變形速率波動變化特征，圍巖變形速率受施工擾動影響較大。

4)隧道圍巖變形持續時間長 支護封閉成環后圍巖變形仍無收斂跡象，2個典型斷面在施作仰拱后圍巖變形速率逐漸減小但最后仍處于較低水平值，其值約為3.2mm/d，圍巖變形仍持續緩慢增長。

3 蝕變花崗巖地層圍巖大變形控制措施

3.1 圍巖大變形原因分析

綜合地質資料、圍巖變形特征及相關工程案例分析，藏噶隧道圍巖大變形的主要原因如下。

1)圍巖條件及地質構造復雜 隧址區位于沃卡地塹東緣斷裂影響帶中，受多期區域構造影響，隧區巖體結構松散破碎，褶皺及節理、裂隙極發育，層間結合性差，多有分離現象，結構面強度處于殘余狀態；加之大變形段圍巖蝕變特征明顯，巖體強度較低，為巖體大變形提供了誘發條件[2]。

2)存在較高地應力 由該區域深孔地應力測試結果可知，隧區最大水平主應力與垂直應力的比值平均為1.29，最大達1.76，表明區內的地應力主要為構造應力，方向為N6oW-N7oE，最大水平地應力達17.72MPa。考慮到藏噶隧道大變形段圍巖結構松散破碎，巖體強度較低，圍巖在較高地應力作用下易出現大變形[3-4]。

3.2 控制措施

1)開挖方式 結合圍巖大變形特征及原因，在后續施工中采用以三臺階法、合理控制臺階長度為主的開挖方法，具體施工工序為：①施作拱部超前支護；②開挖上臺階，施作初期支護，上臺階開挖高度4.4m，臺階開挖循環進尺根據初期支護鋼架間距確定為0.6m；③開挖中臺階右側，施作初期支護，開挖高度1.8m，距上臺階5m，開挖循環進尺根據初期支護鋼架間距的2倍確定為1.2m；④開挖中臺階左側，施作初期支護，距中臺階右側3m；⑤開挖下臺階右側，施作初期支護，開挖高度4.2m，距中臺階左側3m，開挖循環進尺根據初期支護鋼架間距的2倍確定為1.2m；⑥開挖下臺階左側，施作初期支護，距下臺階右側3m；⑦施作二層支護，下臺階左、右兩側初支完成后，及時對已施工完一層初支段施作二層支護；⑧開挖仰拱，施作初期支護，開挖循環進尺為3m；⑨施作仰拱二次襯砌及仰拱填充，仰拱澆筑長度為12m；⑩進行邊墻、拱部模筑混凝土澆筑。施工工序如圖7所示。

圖7 三臺階法施工工序

2)支護方式 支護方式采用以調整邊墻曲率、長短錨桿結合、雙層初支支護為主的防抗結合的支護方式，其具體支護措施為：①調整邊墻曲率(邊墻側拱矢加大50cm)。②采用雙層支護，第1層支護設全環HW175型鋼，間距0.6m/榀，噴射25cm厚C30混凝土；第2層支護設全環I20b型鋼，間距0.6m/榀，噴射27cm厚C30混凝土。③增加預留變形量，III型嚴重大變形段預留變形量40cm+20cm，II型中等變形段預留變形量30cm。④長短錨桿結合，拱部6m長φ22中空錨桿，邊墻10m長φ32自進式錨桿，仰拱6m長φ32自進式錨桿，頂部15m長φ50鋼管。⑤加強二次襯砌剛度，設全環60cm厚C35鋼筋混凝土。IIIB型襯砌結構斷面如圖8所示。

3)輔助施工措施 為更好地控制圍巖變形，還采取了其他輔助措施[5]，主要有：①加強超前支護措施，提高圍巖承載力，減小圍巖松動發展，試驗段的超前支護措施為：方案1，10m長φ89管棚，29根/環，0.4m×6.6m(環×縱)；方案2，3.5m長φ42小導管，0.4m× 1.8m(環×縱)，29根/環；方案3，3.5m長φ42小導管，0.4m× 2.4m(環×縱)，29根/環。②提高噴射混凝土強度等級。③必要時增設上臺階臨時仰拱與中臺階鎖腳錨管。④必要時進行徑向注漿。⑤進行圍巖變形監測和初期支護應力監測，將相關信息及時反饋到施工中，保證施工安全，為調整掘進進尺和施工方法及二層支護、二次襯砌施作提供信息依據。

4 實施效果分析

DK169+025—DK169+140段大變形現象突出，因此選取DK169+140—DK169+263段(共123m)作為大變形試驗段，采取針對性措施進行大變形控制試驗，該段圍巖以Ⅴ級圍巖為主，節理、裂隙發育，巖體呈碎裂散體結構，強度較低，遇水易崩解，與DK169+025—DK169+140段圍巖無明顯差異。

4.1 試驗段圍巖變形監測結果

試驗段各監測斷面變形監測結果如圖9所示。從圖9中可分析得到：①大變形試驗段拱頂沉降和上臺階收斂平均值分別為117.18，743.69mm，拱頂沉降平均值較大變形段減小52.8%，水平收斂平均值較大變形段減小21.1%，各斷面水平收斂基本上在安全范圍內，變形得到有效控制；②DK169+200—DK169+263段在IIIB型襯砌支護參數的基礎上進一步加強后，變形控制效果有了明顯提高，尤其是上臺階收斂，有了顯著下降。

4.2 試驗段典型斷面變形特征

選取DK169+224斷面作為典型斷面進行分析，其變形時程曲線如圖10所示。

圖10 DK169+224斷面圍巖變形時程及速率曲線

通過分析圖10所示變形時程曲線可得出以下結論。

1)圍巖變形量得到控制 該斷面拱頂沉降累計值為102.3mm，上臺階水平收斂和下臺階水平收斂累計值分別為523.6，95.1mm，均在設計預留變形量(拱頂沉降600mm、水平收斂1 200mm)范圍內，也呈現出水平收斂大于拱頂沉降的特征。

2)圍巖變形速率降低 該斷面上臺階開挖至下臺階開挖時間段內，拱頂沉降平均值與上臺階收斂平均值分別為3.4，17.9mm/d，下臺階開挖至仰拱開挖支護時間段內，拱頂沉降平均值與上臺階收斂平均值分別為1.3，6.4mm/d，變形速率相對于大變形段圍巖有所下降，圍巖變形發展減緩。

3)圍巖變形持續時間縮短 自上臺階開挖44d后施作仰拱封閉支護成環，圍巖變形趨于收斂，在仰拱施作完成4d后圍巖變形速率降低至0，圍巖變形達到穩定，相比于大變形段變形持續時間明顯縮短。

綜上可知，采取以三臺階法開挖，調整邊墻曲率、長短錨桿結合、雙層支護為主的防抗結合變形控制措施，結合臨時仰拱、拱腳鎖腳錨管等輔助措施后，圍巖變形量、變形速率、變形持續時間得到較好控制，施工過程中支護效果良好，未出現大變形、塌方等異常現象，控制效果較好。

4.3 施工進度

DK169+025—DK169+140大變形段2017年4月7日起施工，2018年5月22日完成全段二襯混凝土澆筑，總共歷經410d，日開挖速率0.28m/d；DK169+200—DK169+263試驗段2017年10月27日起施工，2018年10月15日完成全段二襯混凝土澆筑，總共歷經353d，日開挖速率0.35 m/d。試驗段的日開挖速率較大變形段提高25%，提高了施工效率，在加快施工進度方面效果明顯。

5 結語

1)藏噶隧道穿越多條斷裂帶，受區域構造影響，地應力以構造應力為主，巖體松散破碎，整體性差，花崗巖蝕變特征明顯，強度較低，不利于控制隧道變形，支護結構破壞嚴重，發生大變形。

2)藏噶隧道圍巖大變形呈現出變形量大、變形速率快、變形持續時間長、收斂明顯大于沉降的特征。通過采取三臺階法開挖，調整邊墻曲率、長短錨桿結合、雙層支護為主的防抗結合變形控制措施，結合臨時仰拱、拱腳鎖腳錨管等輔助措施，使得圍巖最大變形量、速率得以控制，施工效果良好。