郭鐵鈞

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151)

0 引言

新建蘭新鐵路第二雙線甘青段大梁隧道穿越奧陶系中統(tǒng)砂巖、灰?guī)r、板巖，二疊系砂巖，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，且經(jīng)歷了多次構(gòu)造變形，褶皺、斷裂發(fā)育。開(kāi)挖后在地下水作用下工程性質(zhì)不斷惡化，奧陶系中統(tǒng)板巖全強(qiáng)風(fēng)化，受構(gòu)造應(yīng)力作用強(qiáng)烈，成巖性差，圍巖大變形明顯。經(jīng)科研單位所對(duì)大梁隧道斜井和出口兩個(gè)工區(qū)分別做地應(yīng)力測(cè)試判斷大梁隧道斜井工區(qū)為極高地應(yīng)力，出口工區(qū)為高地應(yīng)力。在高地應(yīng)力作用下，自2012年2月開(kāi)始，斜井工區(qū)、進(jìn)口工區(qū)陸續(xù)斜井井身出現(xiàn)底板隆起、初支開(kāi)裂，輔助正洞出口方向模筑開(kāi)裂，部分段落初支被破壞、侵限等現(xiàn)象，導(dǎo)致施工進(jìn)度異常緩慢，甚至中斷，且嚴(yán)重危及施工安全及工程質(zhì)量，引起上級(jí)部門、專家的高度關(guān)注。

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)該全強(qiáng)風(fēng)化軟弱圍巖區(qū)段開(kāi)展地應(yīng)力、拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力、初支鋼架應(yīng)力等科研試驗(yàn)和工程驗(yàn)證，對(duì)地層軟巖的工程地質(zhì)特征、地應(yīng)力特征、變形特征、支護(hù)壓力及應(yīng)力特征、圍巖松動(dòng)圈及支護(hù)破壞特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，掌握了該隧道大變形發(fā)展規(guī)律及產(chǎn)生原因，建立施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)，摸索出地層差異變化條件下不同的控制變形支護(hù)參數(shù)、措施，有效解決了困擾施工掘進(jìn)難題，施工整體穩(wěn)步推進(jìn)。

1 工程概況

1.1 概述

大梁隧道(DK328+820～DK335+370)全長(zhǎng)6550 m，位于青海省門源縣，地處大梁中高山區(qū)，平均海拔3600 m～4200 m，最高海拔為4430 m，軌面最高海拔3607.40 m，為全線最高點(diǎn);洞身地表起伏較大，最大埋深達(dá)780 m;洞內(nèi)縱坡為人字坡;為雙線大斷面隧道。

施工組織采用進(jìn)、出口正洞+進(jìn)出口局部平導(dǎo)+斜井輔助正洞進(jìn)行，永久性斜井與正洞相交里程為DK331+866，斜井長(zhǎng)度1070 m。進(jìn)口段平導(dǎo)1155 m，設(shè)2個(gè)橫通道輔助正洞施工;出口段平導(dǎo)1403 m，設(shè)2個(gè)橫通道輔助正洞施工，施工高峰期共計(jì)10個(gè)工作面，目前除了橫通道未至掘進(jìn)面外，其余6個(gè)工作面均已展開(kāi)。

1.2 工程地質(zhì)特征

該隧道位于祁連山地槽北祁連褶皺帶內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，分布地層主要為奧陶系中統(tǒng)板巖、砂巖、灰?guī)r。已施工段圍巖分級(jí)變更情況見(jiàn)表1，圍巖具體分類示意見(jiàn)圖1。

圖1 大梁隧道施工進(jìn)度及圍巖分類示意圖

表1 圍巖分級(jí)變更表

1.3 水文地質(zhì)特征

地下水賦存類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，與隧道關(guān)系較密切的為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。隧道進(jìn)、出口兩端無(wú)水或貧水段，隧道中間區(qū)域?yàn)橹械雀凰?，設(shè)計(jì)最大涌水量45860 m3/d。

2 軟巖特征

2.1 開(kāi)挖揭露地層主要工程地質(zhì)特征

1)受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重，板理發(fā)育，多呈薄層狀，且褶曲發(fā)育(見(jiàn)圖2)，易污手，屬炭質(zhì)板巖，巖質(zhì)軟弱且致密，隧道開(kāi)挖后多呈塑性流動(dòng)狀。

2)節(jié)理切割形成大量松散小塊體，結(jié)構(gòu)松散破碎，全強(qiáng)風(fēng)化。節(jié)理裂隙發(fā)育，延展性差，微張，泥化物及石英、石膏充填;局部軟泥夾層及破碎帶發(fā)育(見(jiàn)圖3)，整體性差。

圖2 大梁隧道斜井工區(qū)正洞DK331+905掌子面褶曲

圖3 局部軟泥夾層及破碎帶發(fā)育

3)通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度為14 MPa～20 MPa之間，屬于軟巖～較軟巖，巖層面泥質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合差，板狀結(jié)構(gòu)，中薄層狀發(fā)育。

2.2 地應(yīng)力特征

2012年1月～2月期間，經(jīng)對(duì)大梁隧道內(nèi)采用水壓致裂法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，側(cè)壓系數(shù)均大于1，隧道區(qū)的水平地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力(水平應(yīng)力)為主導(dǎo)，且與隧道軸線交角較大，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性不利。實(shí)測(cè)范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力最大值為25.14 MPa、最小水平主應(yīng)力最大值為13.77 MPa，由于測(cè)試的部位隧道埋深僅465 m，為極高應(yīng)力。

2.3 圍巖變形特征

1)變形量大，沉降大于收斂。

各工區(qū)科研試驗(yàn)段圍巖量測(cè)每5 m設(shè)置一個(gè)量測(cè)斷面，每個(gè)斷面在上導(dǎo)墻腳、中導(dǎo)墻腳位置各設(shè)水平測(cè)線、拱頂共設(shè)三個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，量測(cè)布點(diǎn)斷面見(jiàn)圖4。

圖4 量測(cè)布點(diǎn)斷面示意圖

大梁隧道進(jìn)口工區(qū):

DK329+880～DK329+900段設(shè)計(jì)施工采用Ⅰ20a工字鋼，間距0.8 m+φ42超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，施作后于2012年5月5日不同程度出現(xiàn)縱向、環(huán)向裂縫，設(shè)計(jì)采用Ⅰ20，間距0.8 m，施工上導(dǎo)坑完成后，Ⅰ20在拱頂和拱腰處發(fā)生扭曲變形，噴層開(kāi)裂剝落，大部分初支侵入二襯斷面(見(jiàn)圖5)。至2012年6月2日，該段最大累計(jì)沉降量101.4 mm，最大累計(jì)收斂54.8 mm。

斜井工區(qū):

DK331+818～DK331+882段設(shè)計(jì)施工采用Ⅰ20a工字鋼，間距0.8 m+φ42超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，施作后發(fā)生了嚴(yán)重的大變形，導(dǎo)致初支開(kāi)裂、噴層剝落，底板，至2012年6月2日，該段最大累計(jì)沉降量632.3 mm，最大累計(jì)收斂552.0 mm。

出口工區(qū):

DK334+467～DK331+410段設(shè)計(jì)施工采用Ⅰ20a工字鋼，間距0.8 m+φ42超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，至2012年6月2日，該段最大累計(jì)沉降量453.1 mm，最大累計(jì)收斂438.1 mm。

圖5 大梁隧道DK331+832～DK331+820拱頂開(kāi)裂變形及拱頂鋼架扭曲變形

2)變形速率高。

初支未封閉段:進(jìn)口工區(qū)實(shí)測(cè)隧道最大變形速率達(dá)56 mm/d;斜井工區(qū)最大變形速率達(dá)82 mm/d;出口工區(qū)最大變形速率17 mm/d。

初支封閉仰拱施工完成后:變形速率均小于3 mm/d。

3)變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2012年3月18日，DK331+832～DK331+841，DK331+841～DK331+847兩板模筑襯砌線路右側(cè)拱腰開(kāi)裂，其中DK331+832～DK331+841板為貫通裂縫，2012年4月20日 DK331+870～DK331+879段線路右側(cè)拱腰突然崩裂，裂縫長(zhǎng)6 m，寬2 cm～3 cm，據(jù)DK331+871埋設(shè)的觀測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示:襯砌后拱頂累計(jì)下沉22.8 mm，水平收斂累計(jì)14.5 mm，見(jiàn)圖6。表明初支變形持續(xù)一段時(shí)間后變形仍在發(fā)展，施作二襯后圍巖壓力由二襯承擔(dān)。

圖6 大梁隧道DK331+870～DK331+879段右側(cè)拱腰突然崩裂

2.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和圍巖壓力特征

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力:最大鋼架應(yīng)力于拱頂處達(dá)395.136 MPa，已超過(guò)在材料自身極限強(qiáng)度，噴層混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂縫，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力極大。

2)圍巖壓力:在開(kāi)挖支護(hù)初期，圍巖壓力隨時(shí)間呈直線增長(zhǎng)，隨時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，因軟巖變形與應(yīng)力不斷調(diào)整波動(dòng)較大，圍巖壓力變化曲線呈現(xiàn)“上升—平緩”的特征。最大圍巖壓力于拱腰處達(dá) 1.007 MPa。

2.5 圍巖松動(dòng)圈

圍巖松動(dòng)圈是圍巖應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度之后在圍巖周邊形成的破碎帶，從臨空面向外劃分為三個(gè)帶:松散脫落帶、松動(dòng)帶和塑性變形帶。松動(dòng)圈厚度是指三個(gè)帶的累積總厚度。2012年5月21日對(duì)大梁隧道DK331+815等里程斷面進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)論得出圍巖松動(dòng)圈的范圍為280 cm～684 cm。

2.6 原支護(hù)參數(shù)

原設(shè)計(jì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形原因分析

從前文所述，造成大梁隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形主要有四個(gè)方面的因素共同作用形成:

1)全強(qiáng)風(fēng)化軟弱圍巖在高地應(yīng)力擠壓作用下產(chǎn)生大變形是隧道卡位擾動(dòng)后的必然結(jié)果。圍巖軟弱破碎、自穩(wěn)能力差、強(qiáng)度低、地應(yīng)力水平高是該隧道大變形的內(nèi)因。

2)奧陶系中統(tǒng)砂巖、灰?guī)r、板巖，二疊系砂巖，原巖成分混雜，受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重，薄層板理發(fā)育、褶曲明顯、節(jié)理裂隙、塑性流變特征等不利因素作用，加劇了大變形的產(chǎn)生和發(fā)展。

3)隧道在該地層中開(kāi)挖擾動(dòng)后空間因素的影響下，對(duì)大變形發(fā)展程度估計(jì)不足，原設(shè)計(jì)措施不當(dāng)、支護(hù)設(shè)計(jì)偏弱，預(yù)留沉降量不夠。

4)時(shí)間因素的影響，即初支未及時(shí)封閉成環(huán)，二襯相對(duì)滯后。如及時(shí)跟進(jìn)以補(bǔ)充以上兩點(diǎn)不利因素，可防止該地層隧道圍巖變形破壞。

表2 Ⅳ，Ⅴ類圍巖初期支護(hù)形式 cm

4 施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)該軟巖特征及大變形產(chǎn)生原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，建立大梁隧道施工變形控制標(biāo)準(zhǔn):變形量:收斂:200 mm～400 mm;沉降400 mm～600 mm;變形速率:3 mm/d～5 mm/d。

5 控制變形支護(hù)參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化及實(shí)施效果

通過(guò)開(kāi)展科研試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐，掌握該隧道變形規(guī)律，分析軟巖特征及大變形產(chǎn)生原因，進(jìn)而合理調(diào)整支護(hù)參數(shù)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

1)第一次圍巖變形破壞后支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 第一次圍巖變形破壞后支護(hù)參數(shù)調(diào)整表

2)第一次調(diào)整后實(shí)施效果驗(yàn)證見(jiàn)表4。

表4 第一次調(diào)整后實(shí)施效果驗(yàn)證表

3)第二次圍巖變形破壞后支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表5。

4)第二次調(diào)整后實(shí)施效果驗(yàn)證見(jiàn)表6。

6 隧道施工現(xiàn)狀

截止目前大梁隧道正洞開(kāi)挖完成2846 m，仰拱2698 m，二次襯砌2378 m，新增平導(dǎo)完成298 m，折合2524.02成洞米，占總體任務(wù)的38.5%。施工基本掌握了該軟巖特征及大變形規(guī)律，及時(shí)收集各項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)信息、施工數(shù)據(jù)，摸索出了差異變化條件下不同的控制變形支護(hù)參數(shù)，目前進(jìn)口、斜井及出口工區(qū)按照相應(yīng)支護(hù)參數(shù)、措施組織施工，各口施工穩(wěn)步有序推進(jìn)。

表5 第二次圍巖變形破壞后支護(hù)參數(shù)調(diào)整表

表6 第二次調(diào)整后實(shí)施效果驗(yàn)證表

7 結(jié)語(yǔ)

大梁隧道施工最突出問(wèn)題是全強(qiáng)風(fēng)化軟巖在高地應(yīng)力地層下的初支防沉降、收斂變形問(wèn)題。在各方共同努力下，通過(guò)在施工中開(kāi)展的大量科研現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程驗(yàn)證，對(duì)軟巖的工程地質(zhì)特征、地應(yīng)力特征、變形特征、支護(hù)壓力及應(yīng)力特征、圍巖松動(dòng)圈及支護(hù)破壞特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，掌握了該隧道大變形發(fā)展規(guī)律及產(chǎn)生原因，建立施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)，摸索出地層差異變化條件下不同的控制變形支護(hù)參數(shù)、措施，有效解決了困擾施工掘進(jìn)難題，確保了隧道正常、有效推進(jìn)，保障了大梁隧道施工安全和工程質(zhì)量。