淺析山嶺鐵路隧道構造復雜區(qū)軟巖大變形施工控制技術

譚 勇

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

成蘭鐵路區(qū)域范圍內(nèi)受強烈新構造運動的影響，地質(zhì)條件非常復雜，部分隧道在施工過程中均遇到了軟巖大變形問題，給施工帶來了挑戰(zhàn)。其中德勝隧道需要穿越炭質(zhì)千枚巖夾粉砂巖地層，這些地層在施工之前受到高強度地應力影響均出現(xiàn)了嚴重變形。圍巖變形原因和過程異常復雜。本文以新建成蘭鐵路成都至川主寺段德勝隧道施工為背景，對山嶺地區(qū)鐵路隧道建設中遭遇的構造復雜區(qū)軟巖大變形施工的控制技術進行分析研究。

1 工程概況

德勝隧道位于松潘縣境內(nèi)，正洞全長22.943km，洞身最大埋深約750m，地處龍門山斷裂帶、西秦嶺褶皺帶、岷江斷裂帶構成的“A”形斷裂塊中。這3條斷裂帶均為區(qū)域性活動斷裂，均具有強震發(fā)震歷史，是我國青藏高原東部地區(qū)重要的活動斷裂帶，其中岷江活動斷裂帶距線路左側僅為0.5~3.5km，特殊的地形地質(zhì)條件呈現(xiàn)出典型的“四極三高”特征（即地形切割極為強烈、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、高地震烈度和高地質(zhì)災害風險）。隧道圍巖多為軟弱破碎的炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖等，受復雜活躍的構造帶影響，巖體表現(xiàn)出強烈的揉皺扭曲和擠壓破碎，風化程度嚴重，軟巖破碎巖體條件下施工環(huán)境極差。

2 軟巖大變形施工現(xiàn)狀

德勝隧道巖體強度普遍低于3MPa，根據(jù)水壓致裂法測試結果可知隧址區(qū)最大水平主應力約25.8MPa，側壓力系數(shù)為1.25，根據(jù)圍巖強度應力比判定大變形等級為輕微~嚴重。施工過程中隧道最大拱頂沉降和水平收斂分別達到1115.2mm和2674.0mm，變形速率最大可達95.2mm/d，且變形持續(xù)時間長，出現(xiàn)嚴重的混凝土開裂剝落、鋼架折斷失效等災害現(xiàn)象，支護結構破壞現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 支護結構破壞現(xiàn)場圖

3 隧道大變形影響因素

施工中遇到的軟巖隧道大變形通常為多種因素疊加作用的結果。為了更好地了解掌握軟巖隧道大變形影響因素[1]，以成蘭鐵路德勝軟巖隧道為例開展巖石力學試驗以及施工因素方面的綜合分析。

3.1 高地應力

地應力強弱是決定隧道圍巖是否發(fā)生變形的根本性因素，如果圍巖地應力較高，圍巖容易發(fā)生餅化現(xiàn)象，即容易發(fā)生變形。德勝隧道圍巖在開挖之前具有非常高的初始地應力，主要以構造應力為主，當原始平衡狀態(tài)被破壞后則發(fā)生擠壓變形。隧道變形程度主要取決于最大水平主應力與隧道軸線之間的關系，如果最大水平主應力與隧道軸線之間交角較小，即兩者方向基本一致，則有助于保持圍巖穩(wěn)定性。

3.2 地層巖性

不同巖性具有不同的礦物成分和結構穩(wěn)定性，因此巖性也會對隧道圍巖變形產(chǎn)生顯著影響。德勝隧道圍巖以千枚巖為主，其礦物成分包括云母、石英以及綠泥石等，同時容易發(fā)育節(jié)理裂縫，這從根本上決定了千枚巖單軸抗壓強度較小，通常不足3MPa，千枚巖還具有良好的可塑性、崩解性以及遇水軟化性，這些均容易導致其在應力作用下發(fā)生變形。

3.3 地質(zhì)構造

德勝隧道位于岷江斷裂帶，施工區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)育多條斷裂，復雜構造帶中地應力賦存條件復雜，導致局部區(qū)域往往存在極高地應力。在隧道開挖過程中，一方面巖體會向著隧道凈空方向發(fā)生形變，另一方面原本擠密的破碎巖體內(nèi)部會發(fā)生各種剪切以及滑移等，也容易導致圍巖形變[2]。

3.4 工程擾動

工程擾動是影響隧道圍巖變形的主要外部因素，在隧道開挖之前圍巖整體保持良好的平衡狀態(tài)，受到爆破振動、施工用水浸濕等擾動將打破圍巖初始平衡應力狀態(tài)，導致圍巖應力重新分布，部分地應力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，部分地應力以形變能形式釋放，導致裂紋快速擴展并連通，巖樣整體弱化。

3.5 地下水影響

地下水對巖石具有一定的軟化和崩解作用，通常來說在高地應力條件下千枚巖的含水率非常低，巖石力學性質(zhì)穩(wěn)定，但是在開挖之后會形成過水通道，地下水會逐漸向隧道內(nèi)匯聚，特別是在雨季這種現(xiàn)象更為明顯，導致千枚巖中的含水率升高，力學性質(zhì)下降。

總的來說，洞室開挖卸荷后，洞周徑向應力的減小和切向應力的增大使得應力差增大，當巖體所受應力超過起裂應力時，內(nèi)部裂紋進一步貫通，加劇了松動圈快速發(fā)展，德勝隧道大變形的產(chǎn)生機理是碎脹效應和擠壓效應的疊加結果。

4 軟巖隧道大變形施工控制技術

德勝隧道施工過程中針對可能出現(xiàn)的圍巖大變形，以“控制變形”為前提，施工過程中遵循“控制進尺、分步預留、錨撐結合、加強措施、快速封閉、動態(tài)調(diào)整”的大變形處理原則，是確保施工順利的關鍵。

4.1 軟巖大變形的預測

首先應該對掌子面揭示圍巖狀態(tài)進行了解，采取基于地質(zhì)雷達測試、聲波法測試、多點位移計測試相結合的判定方法，然后采取針對性防控措施[3]。軟巖大變形圍巖典型特征：巖性主要為炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖，呈現(xiàn)薄層狀，構造發(fā)育揉皺扭曲，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖石結構散體破碎狀，開挖后自穩(wěn)能力差。

4.2 動態(tài)調(diào)整預留變形量

基于變形強烈的嚴重大變形地段，第一層預留變形量設置為30～40cm，第二層預留變形量設置為60～70cm，對各分步臺階設置不等預留變形量，吻合變形發(fā)展規(guī)律，另外可以結合隧道兩側圍巖不同的軟硬強度，適時調(diào)整隧道開挖中線與線路軸線的偏離值，更好控制形變。

4.3 三臺階預留核心土法開挖施工

三臺階分部開挖減小斷面開挖面積，有效控制掌子面掉塊、溜塌，上部核心土留置考慮上臺階和先行側中臺階，核心土面積宜大，控制掌子面變形和溜塌，中、下臺階不留核心土，僅于后行側中、下臺階留置巖柱。上、中、下臺階斷面高度分別為4.5m、4m和3m，隧道初支封閉成環(huán)空間跨度上距離掌子面不能超過30m，時間跨度上不大于25d。

4.4 強化超前支護控制

對于輕微、中等大變形段采用Φ42mm 超前小導管支護，對于嚴重大變形段采用超前管棚支護，給隧道拱頂形成了良好傘形保護結構，有效防止拱頂圍巖坍塌。其中超前管棚為Φ108mm、壁厚6mm 的熱軋無縫鋼管，單根長度8m，環(huán)向間距40cm，縱向有效搭接長度≥3m，拱部120°范圍設置。

4.5 初支拱架安裝

全環(huán)設置HW200型鋼鋼架，縱向0.6m/榀，Φ8鋼筋網(wǎng)片20cm×20cm，鋼架之間通過I20b 型鋼進行縱向連接，全面提升鋼架整體強度，嚴重大變形洞段第二層初期支護根據(jù)監(jiān)測實時數(shù)據(jù)施作，當一支未封閉成環(huán)變形量就超過初支預留變形量的50%時，及時施作二次支護，未超過50%且初支無明顯破壞特征則在一支封閉成環(huán)后施作。針對HW200 鋼拱架重、整體工作量大以及安裝速度慢等問題，在進行雙層拱架安裝時通過專門的鋼架安裝機進行安裝，保障了施工效率和質(zhì)量，也有助于保障施工安全[4]。

4.6 長短錨桿組合體系

松動圈測試表明德勝隧道拱頂及仰拱部位松動圈均較小，基于此在隧道拱部和邊墻區(qū)域分別通過短錨桿和長錨桿進行支護，錨桿類型采用Φ25組合中空錨桿及Φ 32自進式錨桿，短錨桿長度分別為4m、6m，長錨桿長度10m，對于嚴重大變形段為了提升支護能力在仰拱部位增設額外5m 短錨桿，在系統(tǒng)錨桿鉆孔作業(yè)中選擇錨桿臺車或三臂鑿巖臺車，滿足鉆孔深度和鉆孔角度要求。

4.7 大直徑鎖腳錨管

在鋼架節(jié)段連接處施作Ф89×6m錨管，下插角45°（必要時管內(nèi)增設HRB400φ18四肢箍鋼筋籠，增強錨管的整體抗彎剛度），采用20mm鋼板定位卡具，將大直徑鎖腳錨管、鋼架翼緣、鋼板相互間焊接牢固，管內(nèi)注漿固結管周一定范圍內(nèi)松散巖體，形成擴大基樁，以分散和傳遞初期支護體系應力至未受洞室開挖擾動的巖體中，有效控制初期支護體系的整體下沉。

4.8 拱架背后補償注漿

可以減弱巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙后端部的應力集中效應，從而將巖體由裂隙拓展破壞轉(zhuǎn)變成為剪切或拉伸破壞，提高初期支護整體的剛度和穩(wěn)定性，有利于隧道承載和控制變形。采用Φ42×5m 鋼花管，間距為1.2m×1.0m（環(huán)×縱），在垂直結構面打設鋼花管，選用水泥漿進行注漿?；诘囟魏源_定注漿液參數(shù)，對于常規(guī)地段水泥漿液水灰比為0.6∶1，對于含水較高地段選擇水泥-水玻璃雙漿液，兩者之間比例為1∶1.27。注漿壓力控制在0.5~2MPa區(qū)間范圍，并采用由下往上、由少水到水多的注漿順序。

4.9 隧底加固微型樁

為了預防仰拱上浮，在仰拱設置微型樁，微型樁間距1.2m×1.8m（橫×縱），樁長20m，鉆孔采用Ф146跟管鉆進，鋼筋束由4根Ф25鋼筋和φ42連接鋼管組成，鋼筋與連接鋼管采用焊接，連接鋼管單節(jié)長5cm，間隔1m設置一處。鋼筋束長20m，安裝時內(nèi)設Ф20 聚乙烯注漿管。注漿材料采用M35水泥砂漿。仰拱填充底部1.8m范圍與仰拱襯砌整體配筋，微型樁鋼筋伸入整體仰拱內(nèi)錨固。

4.10 監(jiān)控量測與斷面檢測

在德勝隧道開工之后，軟巖大變形地段變形發(fā)展非?？欤m然可以通過監(jiān)測方式來獲取相關的形變數(shù)據(jù)，但是通常來說監(jiān)測數(shù)據(jù)及時性較差，并且與實際形變之間存在較大差異。針對該問題，有必要在隧道開挖施工中通過三維激光掃描儀非接觸式斷面掃描儀等進行斷面檢測，可以獲得更為準確有效的形變數(shù)據(jù)[5]，為后續(xù)作業(yè)提供依據(jù)。

5 軟巖大變形控制效果

德勝隧道通過上述措施，規(guī)避了常規(guī)分部開挖導致的復雜工序交接，規(guī)避了臨時支護的安裝和拆除，有助于后續(xù)機械化作業(yè)，同時還可以有效降低工作量和工程費用。采取措施前后變形情況對比如圖2所示，從中可以看到拱頂累計沉降降低36%，水平收斂減少34%。同時大變形段一般沉降速率為3~15mm/d，收斂速率為3～20mm/d，最大沉降速率為24.3mm/d，最大收斂速率為25.9mm/d；一般累計變形為300~350mm，收斂趨于穩(wěn)定時間一般為40~60d，最長可達3個月。德勝隧道圍巖變形問題得到有效控制，施工效率顯著提升，平均月進度為20m，最大月進尺達到26m。

圖2 采取措施前后變形情況對比

6 結束語

新建成蘭鐵路成都至川主寺段德勝隧道在施工過程中遭遇的由于高地應力引起的大變形問題，針對其變形特性以及變形影響因素，以“控制變形”為前提，施工過程中遵循“控制進尺、分步預留、錨撐結合、加強措施、快速封閉、動態(tài)調(diào)整”的大變形處理原則，采用合理有效的隧道大變形施工方法與控制措施，有效地解決了初期支護變形失效，軟巖松動圈擴大問題，降低了施工安全風險系數(shù)，提升了工效與工程質(zhì)量，為今后山嶺深埋區(qū)域隧道軟巖大變形施工提供了參考作用，同時也對隧道洞口順層偏壓施工及淺埋段施工有一定的借鑒意義。