柳 超，譚引剛，左清軍

(1.中國地質(zhì)大學 工程學院，武漢 430074;2.中交第二公路工程局有限公司，西安 710065)

1 地質(zhì)概況

兩水隧道是雙線鐵路大斷面隧道，全長4 928.3 m，是蘭渝鐵路全線被列為高風險隧道群中最長的隧道。該隧道處于高地應力環(huán)境中，具有變形位移速率快，變化規(guī)律不明顯的特征;其中 V級軟巖3 582.3 m，V級加強106 m，IV級圍巖1 240 m。

兩水隧道洞身涉及地層主要為志留系上統(tǒng)的千枚巖夾板巖;其中，千枚巖炭化嚴重。隧道區(qū)域內(nèi)山勢陡峻，地面起伏較大，基巖裸露，降水量較小，地下水補給來源不足。隧道內(nèi)的圍巖富水程度為弱富水區(qū)，對混凝土、鋼筋等不具氯鹽和硫酸鹽化學侵蝕性。

2 隧道圍巖破壞的特征

兩水隧道里程樁號為 DK357+082—DK362+090。在開挖DK357+295斷面過程時，發(fā)現(xiàn)已支護過的DK357+280斷面左側拱墻處出現(xiàn)一條長約2 m的裂縫，并且拱頂下沉和圍巖收斂遲遲不能穩(wěn)定。而后隨著隧道的進一步開挖，雖然現(xiàn)場采取了臨時橫向和扇形支撐、環(huán)向注漿等加固措施，但 DK357+270—DK357+330段拱頂?shù)南鲁梁蛧鷰r收斂仍處于進一步發(fā)展中。四個月后最大拱頂下沉已達到52.3 cm，最大水平收斂也達到32.5 cm。

根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)，DK357+275—DK357+330段、DK359+255—DK359+265段和 DK359+402—DK359+442段變形具有以下特征:

1)在上臺階開挖及支護完成后，前3 d圍巖收斂和拱頂下沉均較大(1.5～3.0 cm/d)，3 d以后變形速率有一定的緩和，圍巖收斂和拱頂下沉保持在1 cm/d左右。在開挖中、下臺階時，變形速率明顯加快，變形值明顯增大。

2)初期支護在開始階段正常受力變形，但是隨著時間的推移，變形未見明顯減小，一般在初期支護施工后15 d左右，初期支護出現(xiàn)開裂掉塊現(xiàn)象，局部鋼架開始扭曲(見圖1)。

圖1 DK357+275—DK357+285段鋼架扭曲變形

3)從變形發(fā)展趨勢來看，在施作仰拱封閉成環(huán)以后，變形速率有明顯的減小［1］，變形開始趨于穩(wěn)定，一般為2～10 mm/d。

4)通過前期的施工發(fā)現(xiàn)，在軟巖地質(zhì)隧道中采用普通的鉆爆法非常不利于圍巖的穩(wěn)定，尤其是對已穩(wěn)定段落的圍巖變形影響非常大(爆破后已支護好段落的圍巖變形數(shù)據(jù)明顯加大)。

3 隧道圍巖破壞的原因分析

3.1 巖性條件的影響

炭質(zhì)千枚巖屬副變質(zhì)巖，是一種具有千枚狀構造的巖石，礦物成分以絹云母為主，多呈微粒狀或片狀，有時含有綠泥石、黑云母、石榴石或方解石。主要特征是能被剝成葉片狀的薄片，表面呈顯著的絲絹光澤，質(zhì)地軟，遇水易軟化。炭質(zhì)千枚巖吸水率極低，但一旦遇水則單軸抗壓強度、泊松比、黏聚力都急劇下降，這充分說明了炭質(zhì)千枚巖對水的敏感度極強［2］。炭質(zhì)千枚巖遇水后的性質(zhì)變化規(guī)律如表1所示。

表1 炭質(zhì)千枚巖遇水后的性質(zhì)變化規(guī)律

雖然擠壓緊密的炭質(zhì)千枚巖層具有弱透水性，是相對隔水層，但在隧道開挖卸荷后，由于炭質(zhì)千枚巖的黏聚力c、內(nèi)摩擦角 φ與泊松比等參數(shù)發(fā)生較大的變化，加上膨脹性和地下水的影響，圍巖易于發(fā)生塑性變形，向巷道內(nèi)擠入。密實的巖體變松散，圍巖自承能力繼續(xù)變差，變形也持續(xù)進行。

3.2 地下水條件的影響

地下水在隧道施工中，對圍巖的穩(wěn)定性起著很大的作用，特別是在軟弱的炭質(zhì)千枚巖區(qū)，更是起著控制作用。

根據(jù)隧道的勘察情況并結合區(qū)域資料綜合分析，圍巖的富水程度為弱富水區(qū)。但是就目前兩水隧道進口施工情況來看，地下水較豐富，掌子面濕潤，含水量飽和，有水從掌子面滲出，局部水量成股狀流出?？紤]其原因，可能是圍巖洞身為炭質(zhì)千枚巖時，當千枚巖厚度達到一定程度，洞身就不會出現(xiàn)地下水。然而在開挖過程中，圍巖產(chǎn)生應力重分布，發(fā)生變形，形成松動區(qū)與塑性區(qū)。特別是當初期支護不及時或初期支護強度不足以抵抗千枚巖的變形時，塑性區(qū)范圍可能會進一步擴大，這都誘發(fā)了地下水的發(fā)育［3］。塑性區(qū)的加大與地下水的發(fā)育互相促進，互相作用，使圍巖穩(wěn)定性不斷變差。

3.3 地應力條件的影響

工程區(qū)位于武都山字型構造體系前弧，受多期次構造的復合，揉皺及構造節(jié)理發(fā)育，其展布與區(qū)域構造線基本一致，以近東西和北西西向為主。隧道范圍未見區(qū)域性大斷裂通過，但巖體受構造運動的影響，揉皺、褶皺發(fā)育，軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊狀，巖體破碎，完整性差，其主要節(jié)理如表2所示。

表2 隧道區(qū)主要節(jié)理產(chǎn)狀表

由表2可見，隧道區(qū)主要發(fā)育5組構造，其中明顯的方位有 N55°W，N60°E，N30°E，反映存在不同方向不同期次構造運動的疊加，其結果是構造與變形更復雜，巖體更加破碎［4］。這就使得兩水隧道圍巖穩(wěn)定性總體上都很差，容易出現(xiàn)各種病害。

4 隧道圍巖破壞的治理措施

根據(jù)以上對兩水隧道變形破壞特征、圍巖特性的分析，確定在施工中采取以下治理措施。

4.1 采用雙漿液雙層注漿的方式

隧道穿越主要地層為炭質(zhì)千枚巖，因該巖體遇水后極易軟化，為防止地下水的發(fā)育，故選定漿液為水泥-水玻璃漿液。工地試驗室根據(jù)隧道涌水量、水壓等對雙液漿的配合比做了大量的試驗，以確定最佳的凝膠時間。在取得大量試驗參數(shù)的基礎上，以充分滿足注漿擴散范圍為準，保證一次注漿段(5 m)固結強度，又方便施工，選定水灰比為(0.75～0.8)∶1.0，水玻璃溶液的濃度為 30 ～35°Be'，體積比為 1.0∶0.3 ～1.0∶1.0。

在開挖掘進時采用雙層φ42 mm注漿小導管，長度5 m，環(huán)向間距40 cm，縱向搭接不小于1 m，第一層仰角 10°～15°，第二層仰角 35°～45°。

4.2 加大預留變形量，提高初期支護與圍巖共同變形的能力

兩水隧道軟巖段預留變形量50～60 cm，且采用大拱腳臺階法施工，其施工工序如圖2所示。鋼架由原來的I20b調(diào)整為H175，縱向間距仍為0.5 m，且增大預留變形按55 cm設置，鎖腳錨桿采用4根8 m長R32N自進式錨桿，在邊墻部位增設3 m長φ42 mm注漿小導管進行注漿加固，間距1.5 m×1.5 m。上導鋼架按照大拱腳施工，上導拱腳處擴大尺寸50 cm，且在原設計基礎上，在底部0.2 m與1.2 m高度處各加2根I18鋼架連接，在上導與中導連接處，焊接4根長20 cm的φ22 mm環(huán)向鋼筋，以提高連接薄弱處的抗剪能力［5］。在上臺階底部加設臨時仰拱，采用 I20b型鋼與上導鋼架連接為一體，抑制圍巖的沉降及收斂變形，使初期支護快速地封閉。

圖2 大拱腳臺階法施工工序示意

4.3 仰拱與二襯施作時機的控制

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在仰拱施作完成以后，變形量達到了總變形量的80%以上，此時如果不及時施作二次襯砌，軟弱底層就有可能隆起，甚至坍塌。所以在以后的施工中，要控制仰拱施作在下部噴錨完成以后3 d內(nèi)完成，以便盡早封閉成環(huán)形成全環(huán)受力，減小變形。開挖支護后二襯要在30 d之內(nèi)完成，這就要求加快仰拱和二襯的施工進度，仰拱距離掌子面的距離不超過30 m為宜，二襯距離掌子面的距離控制在50 m 以內(nèi)［6］。

4.4 銑挖機應用于拱部輪廓線的開挖

通過前期的施工發(fā)現(xiàn)在大斷面軟巖地層中采用普通的鉆爆法施工非常不利于圍巖的穩(wěn)定，并且鉆爆法施工對已支護段落的圍巖變形影響也非常大。為減小爆破施工對圍巖的擾動，引進了銑挖機。隧道拱部輪廓線采用銑挖機開挖，中下臺階采用預裂爆破配合挖機開挖。根據(jù)現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)繪制了采用鉆爆法和銑挖機配合預裂爆破法的日變形量與時間關系散點圖，見圖 3、圖 4。

圖3 兩種施工方法日收斂量與時間關系散點圖

由圖3、圖4可見，采用鉆爆法施工日均收斂量和下沉量均要比銑挖機配合預裂爆破法要大得多且遲遲不能穩(wěn)定，而采用銑挖機配合預裂爆破法則取得了良好的效果。

圖4 兩種施工方法日下沉量與時間關系散點圖

5 結論

1)采用與圍巖巖性相適合的漿液，能較好地防止軟巖在遇水后發(fā)生較大的變化，采取雙層注漿的方式，能較好地固結軟巖。

2)根據(jù)軟巖隧道塑性圈理論，預留合適的變形量與采取臨時仰拱使圍巖快速封閉成環(huán)，對于抑制隧道的塑性變形有較好的效果。

3)對于兩水隧道高地應力，不僅要讓荷載卸得充分，還要注意支護的時機適當，這就要求監(jiān)測人員將數(shù)據(jù)很好地進行分析，二襯施作要及時跟上，使二次襯砌與初期支護一起承擔圍巖荷載。

4)通過在兩水隧道分別采用不同的施工方法并通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，得出采用機械和爆破相配合進行開挖，仰拱和二襯緊跟掌子面施作是比較適合軟巖隧道的施工方法，能有效保證軟巖地質(zhì)隧道的施工安全。

［1］邢心魁，史艷忠，宋戰(zhàn)平，等.土質(zhì)隧道施工期圍巖變形性狀的分析研究［J］.鐵道建筑，2009(2):40-43.

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［5］羅學東，陳建平，范建海，等.火車嶺隧道圍巖大變形問題及治理［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2006，34(4):49-52.

［6］張遠榮，朱宏光.BSL隧道施工變形開裂的成因及處理［J］.鐵道建筑，2010(10):47-50.