中老鐵路達(dá)隆一號隧道橫洞初支病害整治技術(shù)研究

楊 鑫，王建軍，周 波，李思濤

（中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710024）

中老鐵路是泛亞鐵路中線的重要組成部分，由我國提供資金、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)修建。中老鐵路新建磨丁至萬象段穿越復(fù)雜的地質(zhì)條件，特別是炭質(zhì)板巖破碎、節(jié)理很發(fā)育、遇水后整體性及自穩(wěn)性大大降低，導(dǎo)致隧道開挖支護(hù)后出現(xiàn)開裂、大變形和侵限等問題，嚴(yán)重影響施工安全、工期和工程質(zhì)量。

尹遜峰[1]對麗香鐵路某高地應(yīng)力炭質(zhì)板巖隧道施工過程中圍巖位移進(jìn)行了模擬分析，得出邊墻兩側(cè)圍巖為影響隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵，提出了超短臺階法與加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)的綜合控制技術(shù)和對已發(fā)生大變形段采取換拱措施。張濤等[2]以成蘭鐵路松潘隧道為工程實(shí)例，探討研究地下水和構(gòu)造應(yīng)力共同作用下炭質(zhì)板巖隧道變形特征，提出了長錨桿注漿加固松散圍巖、加強(qiáng)鋼拱架鎖腳等控制變形措施。鄒翀等[3]依托蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖段實(shí)際情況，在7#斜井進(jìn)行了超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放控制方法的現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明沉降減少了2/3、收斂減少了1/3，達(dá)到了變形控制的目的。蘭渝鐵路毛羽山隧道圍巖主要以炭質(zhì)板巖為主，周彥雄[4]分析認(rèn)為高地應(yīng)力和軟巖是造成大變形的主要原因，提出了提高初期支護(hù)強(qiáng)度、加設(shè)長錨桿注漿加固、預(yù)留合理變形量和雙層初期支護(hù)的變形控制措施。彭發(fā)新等[5]結(jié)合蒙河鐵路新現(xiàn)一號隧道炭質(zhì)板巖破碎帶施工過程中遇到的大變形問題，闡述了控制圍巖變形避免初支侵限的綜合治理措施。為解決蘭渝鐵路木寨嶺隧道鹿扎斜井通過高地應(yīng)力炭質(zhì)板巖地段隧道坍塌防治和變形控制，王維富[6]從炭質(zhì)板巖的特性、變形機(jī)制以及出現(xiàn)變形后的處治方法等方面進(jìn)行了研究。結(jié)合在建的廣昆鐵路炭質(zhì)板巖地區(qū)隧道施工[7]，對于斜井小斷面隧道，采用“微臺階預(yù)留核心土法”施工，加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)，二襯緊跟，洞內(nèi)積水及時(shí)抽排。對于雙線大斷面隧道，采用“鐵路大斷面隧道三臺階七步流水作業(yè)法”施工，加強(qiáng)超前和初期支護(hù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和圍巖變形監(jiān)控量測及防突泥涌水和塌方措施。

關(guān)于炭質(zhì)板巖鐵路隧道初支大變形問題的研究不多，隨著“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的發(fā)展，中國的鐵路技術(shù)必將大量走出國門，將會面對大量的板巖隧道等復(fù)雜地質(zhì)條件施工問題。因此，針對“中老鐵路”達(dá)隆一號隧道橫洞初支大變形等病害，開展炭質(zhì)板巖隧道初支病害整治技術(shù)的研究具有重要意義。

1 工程概況

1.1 達(dá)隆一號隧道

達(dá)隆一號隧道位于班普亞—沙拉巴土區(qū)間，設(shè)計(jì)為時(shí)速160 km/h 單線隧道。隧道進(jìn)口里程DK197+002，出口里程DK203+425，全長6 423 m。隧道進(jìn)口接路基，出口接沙嫩山1 號中橋，埋深最大約345 m。全隧除進(jìn)口DK197+002～DK202+381.412 段位于半徑R=6 000 m 的左偏曲線上，DK202+381.412～DK203+425 段位于半徑R=4 500 m 的左偏曲線上外，其余地段均為直線。

達(dá)隆一號隧道所處區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕中低山地貌、熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨量豐富，坡面植被發(fā)育。為無人區(qū)，居民點(diǎn)極少，老撾主干線N13 號公路于DK200+370 隧道洞身附近蜿蜒而過。隧道穿越瑯勃拉邦地質(zhì)縫合帶，主要為泥灰?guī)r、板巖夾砂巖，裂隙水較發(fā)育。

根據(jù)總體施組，確保工期和施工通風(fēng)，結(jié)合實(shí)際情況，現(xiàn)場采用“1 橫洞+1 斜井”組織模式。分成4 個施工作業(yè)面，其施工隧道的長度為：進(jìn)口工作面承擔(dān)正洞施工長度1 498 m；橫洞工作面承擔(dān)正洞小里程施工長度1 665 m，大里程施工長度760 m，承擔(dān)橫洞施工長度623 m；斜井工作面承擔(dān)正洞小里程施工長度420 m，大里程施工長度450 m，承擔(dān)斜井施工長度548 m，出口工作面承擔(dān)正洞施工長度1 625 m。

1.2 橫洞

施工中橫洞用于增加工作面和通風(fēng)，運(yùn)營后用于排水。橫洞長度為625 m，于DK199+630 線路前進(jìn)方向右側(cè)設(shè)置橫洞，縱坡設(shè)置為單面下坡，坡度i=-3‰。橫洞中線與線路中線磨丁方向平面交角為75°，采用無軌雙車道運(yùn)輸，其內(nèi)凈空尺寸為7.5 m（寬）×6.2 m（高）。橫洞采用光面爆破，III 級圍巖采用全段面法開挖，IV級和V 級圍巖采用臺階法開挖。

橫洞施工段采用壓入式通風(fēng)，吸入式通風(fēng)為輔，橫洞設(shè)置2 組軸流風(fēng)機(jī)，一組（SDF（A）-NO8.0）供應(yīng)橫洞至小里程正洞1 130 m 施工，另一組（軸流風(fēng)機(jī)SDF（A）-NO9.0）供應(yīng)橫洞至大里程正洞1 870 m 施工，橫洞至大里程掘進(jìn)長度大于1 000 m 后，再增設(shè)一組（軸流風(fēng)機(jī)SDF（A）-NO9.0），進(jìn)行串聯(lián)。橫洞洞內(nèi)及橫洞與正洞交叉口各設(shè)置1 臺射流風(fēng)機(jī)（SDFS-III），橫洞至正洞大里程設(shè)置2 臺射流風(fēng)機(jī)、小里程洞內(nèi)設(shè)置1臺射流風(fēng)機(jī)。

橫洞DK199+705～800 段開挖揭示巖性為板巖，局部含炭質(zhì)，灰、深灰色，弱風(fēng)化W2，板狀構(gòu)造，中厚層夾薄層狀。掌子面部分段落巖層產(chǎn)狀有扭曲，總體走向與線路方向小角度相交，傾向掌子面右側(cè)（線路右側(cè)），傾角60°至近直立狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體多呈碎塊石狀，部分板狀，部分滲水。層之間比較光滑、結(jié)合性較差，圍巖自穩(wěn)性及整體性較差，開挖過程中容易掉塊。

2 橫洞病害及其原因分析

2018 年11 月12 日至12 月6 日期間，DK199+686～DK199+780 段連續(xù)出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)紅色報(bào)警，單日最大變形25.5 mm，掌子面開挖后一周內(nèi)平均每日收斂10 mm。2018 年11 月15 日，DK199+686～DK199+755 段線路右側(cè)邊墻鋼拱架受擠壓變形，初支上下臺階出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度2～5 mm，初支侵限3～10.4 cm。DK199+772～DK199+775 拱頂出現(xiàn)表層裂縫，長度3 m。截至2018 年12 月6 日，不同斷面的變形列于表1 中，右側(cè)邊墻初支最大變形侵限19.4 cm。

表1 不同斷面的初支變形mm

橫洞病害的原因分析如下。

開挖隧道中，圍巖出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，原有的巖體受力狀態(tài)被破壞，薄層狀圍巖主要向洞徑方向（垂直于巖層走向）發(fā)生變形。

在隧道開挖以后圍巖出現(xiàn)松動圈容易松動掉塊，開挖輪廓不能很好地控制，導(dǎo)致鋼拱架不能與圍巖密貼、初支背后不密實(shí)甚至空洞，造成圍巖松動圈再次加大，隧洞周邊壓力增大，所以使初支不能長時(shí)間抵抗圍巖壓力，產(chǎn)生大變形和開裂等病害。

地下水徑流在隧道開挖時(shí)改變，隧道周邊匯集了大量地下水，炭質(zhì)板巖在水的作用下被軟化，層之間結(jié)合變差，圍巖的穩(wěn)定性變差，圍巖的抗力減小、作用在支護(hù)上的圍巖壓力增加，導(dǎo)致出現(xiàn)初支變形開裂破壞等病害。

3 病害整治

3.1 臨時(shí)措施

采取的臨時(shí)措施如下。

1）封閉掌子面及下臺階，并暫停開挖施工。

2）立即對DK199+760～DK199+800 上臺階設(shè)橫向支撐及向右側(cè)斜撐，斜撐頂至開裂部位下方（與水平方向夾角約60°），斜撐底焊接于橫撐上，支撐采用Φ150鋼管，縱向間距2.4 m，支撐端部應(yīng)與鋼拱架牢固焊接，控制變形的繼續(xù)增加并防止塌方，如圖1 所示。

圖1 初支大變形控制支撐結(jié)構(gòu)

3）下臺階DK199+760 處及DK199+800 仰拱端頭初支鋼拱架腳各設(shè)2 道Φ150 鋼管橫撐，其端部同樣需與鋼拱架焊接牢固，以利用控制變形。

4）現(xiàn)場應(yīng)設(shè)專職安全員，同時(shí)配備變形自動報(bào)警設(shè)備，加強(qiáng)監(jiān)測頻率，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間組織施工人員安全撤離，并及時(shí)向相關(guān)單位匯報(bào)，以便處理。

5）待臨時(shí)措施施做完畢、初支變形穩(wěn)定后，方可進(jìn)行以下整治措施。

3.2 整治措施

3.2.1 仰拱未施作段

對DK199+734～DK199+800 共66 m 未施作仰拱段，采取如下的大變形整治措施。

1）采用Φ42 鋼花管對拱墻進(jìn)行徑向注漿加固圍巖，間距1.2 m×1.2 m（環(huán)×縱），長度4.5 m，注漿材料采用水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

2）施作鋼花管注漿加固前，需要用萬能桿件搭設(shè)施工架子，如圖2 所示。

圖2 鋼花管加固圍巖的施工臺架

3）待初支變形穩(wěn)定后方可施做防水層和二次襯砌結(jié)構(gòu)，二襯采用40 cm 厚C35、P8 鋼筋防水混凝土結(jié)構(gòu)，增設(shè)I14 鋼拱架仰拱單元封閉成環(huán)，間距1.2 m，鋼拱架上下臺階腳均應(yīng)設(shè)置鎖腳錨管并注漿。

4）鎖腳錨管采用2 根Φ42 注漿鋼管，管長2.5 m，預(yù)留10 cm 于鋼拱架外，鎖腳錨管與鋼拱架焊接牢固。

5）防水砼“雙摻”具有補(bǔ)償收縮功能的抗裂高效防水劑和一級粉煤灰，摻加粉煤灰數(shù)量不小于30%的水泥用量，抗裂高效防水劑用量不少于水泥用量的8%～10%。

3.2.2 仰拱已施作段

針對DK199+686～DK199+734 共48 m 仰拱已施做段，采取如下的大變形整治措施。

1）根據(jù)監(jiān)測資料和施工測量復(fù)測，對侵限部位局部設(shè)3 排Φ42 鋼花管徑向注漿，間距1.2 m×1.2 m（環(huán)×縱），長度4.5 m，注漿材料采用水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

2）待達(dá)到注漿效果變形穩(wěn)定后，方可施作防水層和二次襯砌結(jié)構(gòu)。

3）拱墻采用C35 鋼筋砼襯砌加強(qiáng)，二襯采用40 cm厚C35、P8 鋼筋防水混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2.3 隧道變形侵限段

對于隧道變形侵限段，除了采取以上鋼花管徑向注漿加固圍巖外，還需要施作小導(dǎo)管超前支護(hù)后進(jìn)行鋼拱架逐榀拆換，確保二襯的厚度以及隧道凈空限界。使用3.5 m 長、0.4 m×2 m（環(huán)×縱）間距、縱向搭接長度1.5 m 的Φ42 超前小導(dǎo)管。

3.3 橫洞未開挖段V 級圍巖施工

采用“臺階法+臨時(shí)仰拱”施工V 級圍巖段橫洞隧道，具體如圖3 所示，施工順序如下。

圖3 帶臨時(shí)仰拱的臺階法施工橫斷面

隧道超前支護(hù)利用上一次循環(huán)架立的鋼拱架，小導(dǎo)管施工采用Ф42 熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距0.4 m、縱向間距2.0 m、管長3.5 m，用風(fēng)槍打入，其尾部焊接在鋼拱架上。注漿材料采用水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

控制爆破開挖①區(qū)，初噴4 cm 厚混凝土，安裝鋼拱架，做好鎖腳鋼管，底部設(shè)置I18 鋼拱架，噴設(shè)混凝土，完成①區(qū)臨時(shí)仰拱，補(bǔ)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度后鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿。

控制爆破開挖②區(qū)，初噴4 cm 厚混凝土至導(dǎo)坑周邊，安裝鋼拱架，做好鎖腳鋼管，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度后鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿。

控制爆破開挖③區(qū)，初噴4 cm 厚混凝土后安裝仰拱的鋼拱架，隧道周邊補(bǔ)噴混凝土至設(shè)計(jì)。

澆筑第Ⅴ區(qū)域隧底填充及Ⅳ區(qū)仰拱混凝土，分次施作仰拱及隧底填充區(qū)域。

初支封閉成環(huán)后，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，待初期支護(hù)變形穩(wěn)定后拆除臨時(shí)仰拱，Ⅵ區(qū)襯砌使用二襯臺車澆筑。

4 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了中老鐵路達(dá)隆一號隧道橫洞初支大變形等病害發(fā)生的過程及其原因，提出了封閉掌子面及下臺階和上下臺階設(shè)橫向支撐及斜撐的臨時(shí)措施。對于仰拱未施作段，提出了采用鋼花管注漿加固拱墻部圍巖、增設(shè)鋼拱架仰拱單元封閉成環(huán)、加厚二襯和澆筑“雙摻”防水混凝土的綜合措施。對于仰拱已施作段，提出了在侵限部位局部設(shè)三排鋼花管徑向注漿加固圍巖、加厚拱墻二襯和澆筑“雙摻”防水混凝土的綜合措施。對于侵限段隧道，提出了在施作小導(dǎo)管超前支護(hù)后進(jìn)行鋼拱架逐榀拆換的措施。依托達(dá)隆一號隧道橫洞初支大變形等病害建立的整治技術(shù)確保了現(xiàn)場施工安全，為中老鐵路2021 年12 月3 日順利開通運(yùn)營，更為實(shí)現(xiàn)“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通作出了一點(diǎn)貢獻(xiàn)。