侵入蝕變巖隧道大變形控制技術研究

彎曉林

(中鐵十九局集團第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

隨著我國交通路網的逐步完善，交通基礎設施建設重心逐步向西南地區轉移[1]。該地區地質條件復雜、地質活動強烈，由此導致隧道工程施工會面臨洞周變形較大、掌子面失穩等問題，嚴重影響施工進度、危害施工人員安全[2]。因此，隧道大變形與掌子面穩定性控制問題成為西南地區隧道建設中亟需解決的關鍵問題[3]。

國內外相關學者已對隧道大變形問題展開了深入研究，并取得了相關成果。朱永全[4]從隧道圍巖變形量角度，給出了大變形界定標準；何滿潮[5]根據軟巖變形機理對大變形問題進行分類，分為彈性大變形與塑性大變形兩類；陳宗基[6]歸納了大變形產生的原因；趙旭峰[7]、田偉權[8]、李國良[9]、郭尚坤[10]等主要從隧道軟弱圍巖擠壓性大變形的力學特性出發，揭示了大變形力學機理和影響因素，提出了變形潛勢分級方法和擠壓性圍巖荷載計算公式，分別采取斷面曲率優化、限阻器變形吸收圍巖構造應力、雙層支護結構等方法控制圍巖大變形，在蘭渝鐵路等隧道工程中得到了很好的驗證；潘飛等[11]對高地應力地層隧道圍巖大變形采用了優化開挖方法、調整預留變形量、多層復合初支等手段進行綜合處理；張德華[12]對大梁隧道極高地應力問題開展現場試驗并提出了新型支護結構。

從以上研究現狀分析可知，對隧道大變形控制技術多數是基于施工經驗總結，且采取的工程措施適用性有限。本文以玉磨鐵路安定隧道為工程依托，對侵入蝕變巖隧道大變形控制措施展開研究，分析不同支護措施的控制效果；總結侵入蝕變巖隧道施工功效降低的原因，提出相應解決方案，形成侵入蝕變巖隧道大變形控制技術，可為蝕變巖隧道大變形的控制提供技術支撐。

2 工程背景

安定隧道總長度約17.476 km，處于滇西南地區哀牢山脈。受區域構造影響，發育斷層20條、向斜2條。

隧道洞身主要通過3套地層:一是三疊系上統路馬組(T3lm)泥巖、砂巖夾頁巖、炭質泥巖、灰巖、煤線；路馬組(T3lm)灰巖夾泥巖；一碗水組下段(T3ya)砂巖、泥巖夾砂礫巖，上統(T3)板巖、千枚巖、砂巖夾砂礫巖，中統(T2)板巖、變質砂巖夾泥灰巖、灰巖、千枚巖，長度約6.2 km。二是志留系中下統(S1-2)砂巖、泥巖、板巖、千枚巖夾灰巖、頁巖、炭質板巖，長度約1.3 km，隧道出口為代表。三是燕山期侵入超基性巖等地層及斷層角礫(Fbr)，長度約1.1 km。

3 施工中遇到的主要問題

3.1 有水地帶的侵入巖

4號斜井平導巖性為超基性巖(橄欖巖)和泥巖，橄欖巖為橄欖色，粗粒結構，含黑色云母片，塊狀構造，受構造影響巖體破碎，呈碎塊、角礫狀，部分塊狀結構；泥巖為灰綠色，呈土塊狀，粘性強、表面光滑，遇水極易軟化變形，主要分布于左側和右側拱部開挖輪廓線附近。圍巖整體強度低，軟弱，自穩性差，呈角礫、碎石狀松散富水結構，開挖易坍塌或大變形。掌子面有大股狀水流出，水量較大，如圖1所示。

圖1 PDK138＋373掌子面出水狀況

4號斜井小里程段揭示圍巖以侵入巖為主，系橄欖巖，灰綠色，粗粒狀結構，強風化，地處蝕變帶，巖質較弱，強度低，節理裂隙很發育，結合程度差，巖體極破碎，呈角礫碎塊狀松散結構，自穩性極差。掌子面含較多裂隙水，呈散流狀，拱頂呈淋雨狀。圍巖軟弱富水，施工期間溜塌現象時有發生，圍巖難自穩，如圖2所示。加之地下水對圍巖的弱化作用，造成初支收斂變形嚴重，剛進入侵入巖地段對圍巖認識不清，采用常規支護措施，造成長段落換拱現象。

圖2 掌子面破碎巖體溜塌及出水

3.2 無水地帶侵入巖

3號斜井大里程揭示地層巖性為蛇紋巖，灰綠～黑綠色，變晶結構，巖質軟弱；節理裂隙極發育，結構面雜亂無序，結合程度很差，巖體極破碎，呈角礫碎石狀松散結構，遇水極易軟化，如圖3所示。

圖3 無水地段侵入巖

施工后發現初支收斂、沉降過大，后及時增加套拱加強支護，個別段落初支變形失效嚴重，出現鋼架扭曲、變形，造成長段落初支換拱現象。工期、人力、物力、財力損失嚴重。

3.3 斷層破碎帶對施工的影響

3號斜井平導巖性為砂巖，掌子面施工至PDK136＋902里程后地下水極發育，處于有壓涌水狀態，初始揭示時水平鉆孔射出距離30 m左右。根據流量計顯示單平導掌子面出水量由1 000 m3/h逐步增加到1 800 m3/h，水質混濁，含砂泥。推測已進入到九甲－安定逆沖斷層，比原設計里程提前153 m，對施工進度造成嚴重影響。

3.4 淺埋段志留系地層對隧道施工的影響

志留系地層以炭質頁巖、炭質泥巖為主，巖質較軟弱，薄層狀為主，強風化，揭示全部以炭質泥巖為主，夾少量砂礫，屬軟質巖，圍巖穩定性差，難自穩，如圖4所示。施工中出現長段落初支收斂沉降過大造成侵限變形。

圖4 志留系地層

出口段施工43個月，施工 944 m，換拱166 m，自行增加套拱324 m，可想其施工難度之大。

4 施工控制措施

4.1 噴砼封閉掌子面

(1)現場掌子面穩定控制措施

蛇紋巖地段和蝕變帶富水地段，采用噴砼(厚度5 cm，強度C20)進行掌子面封閉，來延長圍巖的自穩時間，利用有限的穩定時間，對初支進行快速封閉，防止洞周初支發生大變形，加快施工進度，保證安全，封閉掌子面后圍巖變形顯著減小。

(2)噴砼封閉掌子面控制措施效果分析

采用Flac3D有限差分軟件，對比分析不同噴砼厚度下隧道掌子面縱向變形曲線、上臺階及中臺階水平位移。三維計算模型如圖5所示。

圖5 三維數值計算模型

模型橫向取90 m，豎直向上取至拱頂以上50 m，豎直向下取40 m，縱向取80 m。圍巖采用實體單元，噴砼層采用Shell單元。材料參數見表1。工況劃分見表2。

表1 圍巖與噴砼力學參數

表2 噴砼厚度工況劃分

不同噴砼厚度下，隨施工進展隧道拱頂沉降曲線如圖6所示。由圖6可看出，掌子面噴砼可有效控制掌子面附近拱頂沉降，而對掌子面穩定時拱頂沉降影響不大。由于施工時掌子面不穩定，會使圍巖松弛范圍增大，因此掌子面噴砼封閉對減小拱頂下沉會起到一定作用。

圖6 不同噴砼厚度下隧道拱頂沉降曲線

不同噴砼厚度條件下上、中臺階水平位移曲線如圖7所示。

圖7 不同噴砼厚度下水平位移曲線

由圖7可知:掌子面噴砼厚度增加，上、中臺階水平位移均顯著減小，表明掌子面噴砼措施可有效控制洞周水平收斂；掌子面噴砼措施對上臺階水平位移的控制相對中臺階較為明顯；掌子面噴砼措施對控制洞周水平位移比拱頂沉降效果明顯。

4.2 大變形支護措施

(1)?76大鎖腳錨管穩定拱腳措施

為了避免軟巖地段初支收斂過大，采取對鎖腳錨管加大加長方式控制初支變形，將原設計4.5 m長?42鎖腳錨管調整為6 m長?76鎖腳錨管，并進行注漿。初支的收斂、沉降變形得到了明顯的控制。

(2)?76大直徑鎖腳錨管穩定拱腳控制措施效果分析

采用Flac3D有限差分軟件，對比分析了不同鎖腳錨管長度下隧道圍巖拱頂沉降與拱腳水平位移。鎖腳錨管長度見表3。圍巖采用實體單元，按V級圍巖材料參數取值，鎖腳錨管采用beam單元。鎖腳錨管與水平面夾角45°斜向下打設。

表3 鎖腳錨管長度

不同鎖腳錨管長度對隧道洞周變形影響規律如圖8所示。

圖8 隧道洞周變形與鎖腳錨管長度關系曲線

由圖8可知:鎖腳錨管長度增加拱頂沉降明顯減小，長度為2.5 m時，拱頂沉降值為40.52 cm，長度為5 m時，拱頂沉降值減小為26.32 cm，減小35.04%；鎖腳錨管長度增加，洞周水平位移也明顯減小，長度為2.5 m時，洞周水平位移值為35.62 cm，長度為5 m時，洞周水平位移值減小為26.88 cm，減小24.62%；鎖腳錨管措施對拱頂沉降比水平位移的控制效果更為明顯。

(3)加大預留變形量

為了避免初支過大變形，造成侵限換拱，不僅要控制變形，還要加大預留變形量，延長變形時間。在大變形地段預留變形量調整至最大70 cm，可避免大量換拱作業。

5 施工功效降低原因及解決方案

5.1 功效降低原因

(1)圍巖級別變化對施工進度影響

關鍵段落圍巖級別統計及影響時間見表4。

表4 關鍵段落圍巖級別統計及影響時間

由表4可看出:圍巖級別的大幅度調整對施工進度造成了嚴重影響。施工過程中揭露圍巖級別與設計圍巖級別差別較大，多是圍巖級別升高，穩定性降低，造成工期滯后。

(2)不良地質的頻繁出現對施工進度影響

發育斷層20條、向斜2條，期間侵入巖出露頻繁，圍巖富水，斷層、向斜部位施工十分困難，個別斷層處理需要大量時間。侵入蝕變巖地帶溜塌現象明顯，初支變形大，屬大變形地段，造成了大量的砼超耗。

5.2 隧道施工功效提升措施

(1)增設斜井輔助施工通道

由于圍巖等級變化較大，造成實際進度指標低于原設計指標。為了滿足玉磨鐵路工期要求，動態調整施工組織，通過增設平導進行分水降壓、探明地質、增加工作面來解決工期問題，在施工過程中4號斜井增設1 780 m平導，3號斜井正洞增設迂回平導800 m。

(2)變更鋼拱架支護方案

施工時拱頂掉塊、初支變形時有發生，四肢格柵鋼架早期強度低，拱頂掉塊對格柵鋼架變形影響較大，處理時間長，格柵鋼架加工工藝較型鋼鋼架復雜，耗費時間長，經實踐證明Ⅳ級圍巖段采用 18型鋼鋼架代替四肢格柵鋼架可加快施工進度。

6 結論

以安定隧道為工程背景，研究了侵入蝕變巖隧道大變形控制措施及其效果，并分析隧道施工功效降低原因，提出了相應解決方案。

(1)侵入蝕變巖段采用掌子面噴砼、?76鎖腳錨管、加大預留變形量3種措施對隧道大變形進行了有效控制，避免了大量初支拆換。

(2)掌子面噴砼封閉可減小拱頂沉降和水平位移，對洞周水平位移的控制效果更為顯著；鎖腳錨管可降低隧道拱頂沉降與水平位移，且對拱頂沉降的控制效果更顯著。

(3)圍巖級別變化與不良地質頻繁出現是導致侵入蝕變巖隧道施工功效降低的主要原因，增設斜井輔助施工通道和采用型鋼鋼架兩種措施使施工功效顯著提升。