官繼勇

摘 要：文章對成蘭鐵紅橋關雙線隧道高應力炭質(zhì)板巖軟弱隧道的變形原因進行了分析，依據(jù)綜合探測及監(jiān)控量測手段，實施動態(tài)設計。對隧道變形地段施工提出了分部、分層開挖的工法要求，并根據(jù)二次支護、聯(lián)合支護及關鍵部位加強支護的要求制定了支護措施，對二次襯砌的時機提出了要求。同時，在監(jiān)控量測的基礎上，建立隧道變形坍塌風險預警體系，以確保工程安全。

關鍵詞：軟巖隧道；大變形地段；施工技術

中圖分類號：U458 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0001-04

1 工程概況

成蘭鐵路CLZQ-13標紅橋關雙線隧道起訖里程D2K253+710.000～D1K256+890.000，全長3 169.33 m，隧道工程地質(zhì)具有“四極三高”的顯著特點：地形切割極為強烈、構(gòu)造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、地震效應極為顯著；高地應力、高地震烈度、高地質(zhì)災害風險。其中，該隧道軟質(zhì)巖大變形預測段及可能發(fā)生大變形段共5段長1 480 m，約占隧道全長的47%，對隧道施工進度、成本及安全控制的影響極大，是全隧施工的關鍵。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌特征

紅橋關隧道位于四川省阿壩州松潘縣川主寺鎮(zhèn)境內(nèi)，隧址區(qū)屬高中山剝蝕地貌，處于高原高寒區(qū)段。

岷江位于線路右側(cè)，岷江河谷深切，兩側(cè)橫向溝谷發(fā)育，地形起伏較大。

地面高程為2 950～3 510 m，地勢左高右低，自然橫坡10～60 ？觷局部稍陡，最大埋深410 m。

2.2 地層巖性

紅橋關隧道地層巖性主要以板巖（碳質(zhì)板巖）為主，局部段落夾砂巖、灰?guī)r、頁巖、（含煤層），零星分布花崗巖。其中，炭質(zhì)板巖多呈灰、深灰、灰黑色，薄層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖質(zhì)軟，遇水易軟化，易風化剝落，抗風化能力弱。砂巖呈夾層分布，呈灰白、灰色，粉細?！毩＝Y(jié)構(gòu)，質(zhì)硬，層理清晰，呈中厚層狀，鈣質(zhì)膠結(jié)為主。巖體較破碎處偶夾灰白色的石英脈，主要礦物成分為長石、石英。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

2.3.1 岷江斷裂

在地表D2K254+565～D2K254+980段發(fā)育岷江斷裂，被第四系掩蓋，推測洞身段斷裂帶寬382 m，斷層帶巖性以灰質(zhì)板巖為主，巖體擠壓較破碎，巖質(zhì)較軟，構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，強風化帶較厚。

2.3.2 川主寺1號推測斷層

物探顯示，在D1K256+092～D1K256+350.深孔DZ-HQG-02號孔揭示，157.2～166.3為斷層角礫，斷層擠壓特征明顯，多為泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理面夾炭質(zhì)板巖，質(zhì)軟，手捏易碎，該斷層對隧道圍巖的影響范圍為258 m。

2.4 水文地質(zhì)特征

地表水：線路位于岷江水系，主要接受大氣降水及少部分滲出的裂隙水補給，并向岷江排泄，地表水為當?shù)鼐用袼础?/p>

地下水：線路內(nèi)地下水主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主。

孔隙水主要接受大氣降水補給，并向低洼地帶排泄，其動態(tài)變化大，徑流途徑短，在雨季尤其是大雨、暴雨之后，水位大幅增高，動水壓力增大，旱季反之。

基巖裂隙水主要賦存與砂巖、板巖中，千枚巖地層為相對隔水層，由于裂隙發(fā)育，基巖裂隙水較豐富，但受岷江深度切割影響，山高谷底，淺部地下水徑流途徑短，循環(huán)交替迅速，基巖裂隙水多于溝谷下部沿裂隙面就近似滴水狀、片狀或小股排泄狀，以岷江或臨近溝谷為排泄基準面，因此地下水埋置相對較深。

基巖裂隙水受大氣降水補給外，還受地表水的補給，地下水動態(tài)變化嚴格受降水制約，變幅較大。線路內(nèi)局部發(fā)育鎮(zhèn)坪肩狀倒轉(zhuǎn)復向斜，屬儲水構(gòu)造，向斜及背斜核部巖體破碎，富水性強。

3 軟巖變形的成因及特征

3.1 軟巖變形的成因

軟巖隧道穩(wěn)定性主要取決于巖層結(jié)構(gòu)特征、力學作用以及特征性礦物成分及分布等因素，每種變形力學機制有其獨特的特征型礦物、力學作用和結(jié)構(gòu)特點。

隧道在不同的受力環(huán)境和圍巖結(jié)構(gòu)下，其變形破壞特征和力學機制有所不同，其力學變形機制非常復雜，往往軟巖巷道（隧道）變形并非具有單一的變形力學機制，而是同時具有多種變形力學機制的復合型變形力學機制。紅橋關隧道軟巖大變形的主要成因為：

①炭質(zhì)板巖屬于地質(zhì)軟巖范疇，為低級變質(zhì)巖，巖層單軸抗壓強度低，巖質(zhì)軟。在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用下，紅橋關隧道炭質(zhì)板巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面之間結(jié)合差，內(nèi)摩擦角值極低，巖體強度較低。而紅橋關隧道外部荷載主要是山體重力，隧道最大埋深410 m，地應力較大，圍巖比（地應力/單軸抗壓強度）大。隧道開挖導致的應力重分布使隧道圍巖產(chǎn)生較大的變形，當應力超過巖體強度時，則塑性變形易導致隧道失穩(wěn)破壞。

②炭質(zhì)板巖遇水易軟化，易風化剝落，抗風化能力弱。當隧道地下水沿裂隙、夾層滲入時，會大大降低巖石強度，導致強度應力比減小，易發(fā)生塑性破壞，而塑性破裂面又進一步為地下水提供滲流通道，循環(huán)往復，導致圍巖強度進一步降低。

3.2 軟巖變形的特征

軟巖非線性大變形力學研究的巖土體介質(zhì)已進入到塑性、粘塑性和流變形的階段。

①軟巖隧道變形具有變形速度快，持續(xù)時間長、塑性變形量大的特點。

②圍巖變形具有很強的流變特征，具有很強的空間和時間效應，變形難以收斂。在外部荷載無變化的情況下，巖體變形隨時間增長逐漸加大，甚至破壞垮塌。

③變形分布不均勻，呈各向異性的變形特征。各向異性是巖體變形的一個主要特征。對于軟巖而言，軟巖中包含有大量的沉積層面、軟弱夾層、節(jié)理面、不連續(xù)裂隙面、微孔隙與微裂隙等，各向異性特征尤為顯著。其次，由于圍巖應力場的非對稱，受構(gòu)造應力或擾動應力的影響，巷道周邊應力分布不均一，有不同的破壞特征，不能用均一的支護參數(shù)去支護隧道圍巖。必須有區(qū)別性地采取支護措施，才能出現(xiàn)均勻塑性圈，使支架承受均勻荷載。

④軟巖往往具有易擾性，對卸荷松動、施工震動等極為敏感，施工開挖方法、施工工序轉(zhuǎn)化對圍巖變形影響較大。

⑤變形破壞較大。隧道圍巖變形易造成拱頂下沉，邊墻收斂，鋼架扭曲折斷、初期支護開裂掉塊、侵占二襯空間、隧道坍塌、襯砌破壞脫落等。

4 軟巖段技術控制措施

4.1 堅持動態(tài)設計理念

對岷江活動斷裂帶動態(tài)設計范圍D2K254+560～D2K255+040

段及軟巖變形段落D1K256+020～+120段，D1K256+120～+260

段，D2K254+920～D1K255+200段，D1K255+300～D1K256+020段，D1K256+260～+405段實行動態(tài)設計管理。

4.1.1 加強超前預探及地質(zhì)調(diào)查

綜合采用TSP203地質(zhì)預報系統(tǒng)、紅外線探測儀、超前鉆孔探測、地質(zhì)調(diào)查等綜合地質(zhì)預報技術，重點對影響隧道穩(wěn)定的主要因素（地層巖性、結(jié)構(gòu)面特征、地下水、圍巖應力）進行觀測，對非可溶巖地段斷層及其破碎帶、活動斷裂帶及高壓富水地段進行加強探測。針對高地應力軟弱圍巖地段，實時進行圍巖級別判定與修正，掌握圍巖級別變化趨勢，為動態(tài)設計提供地質(zhì)依據(jù)。

4.1.2 加強圍巖監(jiān)控量測

通過對隧道軟巖變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合隧道圍巖特征、圍巖變形形態(tài)及規(guī)律進行分析，建立以極限位移或相對位移值為控制基準的圍巖變形管理基準，依據(jù)實時監(jiān)測所得的量測數(shù)據(jù)，作為隧道穩(wěn)定性判別標準及動態(tài)設計的重要參考依據(jù)，以便及時修改和調(diào)整設計參數(shù)，指導現(xiàn)場施工。

4.2 隧道開挖

4.2.1 隧道開挖方式

軟巖隧道開挖，應盡量選擇臺階法、CRD、雙側(cè)壁導坑法等分部、分臺階開挖的方法，能盡量縮小開挖臨空面，并有利于圍巖變形壓力的逐步釋放，能較早地使初期支護閉合，便于控制沉降。針對本隧道岷江活動斷裂帶及Ⅴ級圍巖破碎及富水段采用雙側(cè)壁導坑法，對于圍巖結(jié)構(gòu)較完整的Ⅳ、Ⅴ級圍巖可采用短臺階法（設臨時仰拱或橫撐）。臨時仰拱采用I18工字鋼臨時支護采用C20砼。

4.2.2 隧道開挖注意事項

①隧道開挖過程中，要結(jié)合量測分析數(shù)據(jù)，預留足夠的變形量，以利于圍巖應力的部分釋放，吸收殘余變形外力，并確保隧道襯砌輪廓不侵限。

②施工中要注意各工序?qū)λ淼婪€(wěn)定的影響。每次擾動，圍巖應力都要進行重應分布。圍巖經(jīng)過多次擾動及應力釋放，圍巖強度進一步弱化或惡化，圍巖塑性變形區(qū)會不斷擴大。施工中要特別注意下臺階及仰拱開挖對隧道穩(wěn)定性的影響。

③嚴格控制臺階長度和高度。各步臺階開挖長度不宜過長，可根據(jù)圍巖條件進行調(diào)整，但必須滿足相關規(guī)范及規(guī)定要求，臺階長度控制在一倍洞寬以內(nèi)。隧道開挖應確保及仰拱緊跟，盡快封閉成環(huán)，隧道仰拱封閉位置距離掌子面不得大于35 m。

④嚴格控制開挖進尺，以便盡早封閉成環(huán)。上臺階每循環(huán)開挖支護進尺按1～2榀鋼架間距控制，邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于2榀鋼架間距，仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳，仰拱開挖每循環(huán)進尺不得大于3 m。

⑤隧道爆破開挖采用弱爆施工，施工中加強爆破振動監(jiān)測。

4.3 超前支護施工

根據(jù)隧道圍巖級別及工程地質(zhì)及水文條件，分別采用超前Ф108大管棚、超前Ф89中管棚、Ф42超前小導管，對隧道掌子面前方進行預加固，改善巖層物理力學性能，加固圍巖，提高圍巖穩(wěn)定能力，有效防止圍巖松弛，超前施工支護措施、材質(zhì)、布設情況以及設置范圍見表1。

①為增強管棚導管的抗彎能力，導管內(nèi)設置主筋為HRB335

Ф18 mm鋼筋籠，鋼筋籠由四肢筋和固定環(huán)組成，固定環(huán)采用5 cm長Ф42壁厚3.5 mm鋼管，間距1 m。

②鋼管上鉆注漿孔，孔徑10～16 mm，孔間距15～20 cm，注漿孔呈梅花型布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段。管棚預留止?jié){段100 cm，超前小導管預留30 cm。

③注漿采用1：1水泥（P.O 42.5）凈漿。大管棚注漿壓力控制在0.5～2.0 MPa，中管棚、超前小導管注漿壓力控制為0.5～1.0 MPa。圍巖破碎、地下水發(fā)育地段，可采用水泥-水玻璃雙液漿，漿體強度不低于M10。

4.4 隧道支護

4.4.1 隧道支護形式的選擇

對于軟巖隧道支護形式選擇，目前主要依據(jù)以下方面來考慮：

①應力適度適放。隧道開挖后，圍巖應力在短時間內(nèi)得以釋放，從而產(chǎn)生初始的變形。此階段圍巖變形速度快，變形量大，且釋放的變形壓力大，如果隧道開挖后立即進行剛性支護，這時支護結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力較大，支護結(jié)構(gòu)是無法提供如此大的阻抗力。因此，可采用柔性初期支護的手段，力求有控制的產(chǎn)生一個合理厚度，有塑性圈，有約束地讓圍巖變形、釋放地應力的目的。

②充分發(fā)揮和調(diào)動圍巖的自承能力?，F(xiàn)代巖石力學揭示，巖石破裂后具有殘余強度，松動破裂仍有相當高的承載能力，圍巖既是支護壓力的根源，又是抵抗平衡原巖應力的承載體，而且是主要的承載結(jié)構(gòu)體。對于軟巖變形隧道，支護的作用在于維護和提高松動圍巖的殘余強度，控制圍巖的塑性化程度，從而控制塑性圈范圍，充分發(fā)揮和調(diào)動圍巖的自承能力，并與圍巖共同作用，形成承載結(jié)構(gòu)。

③軟弱圍巖隧道變形不是單一的變形力學機制，而是集多種因素和多種變形力學機制于一體的復合型變形力學機制，應采取多種手段進行聯(lián)合支護，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

為此，紅橋關隧道采取復合式襯砌結(jié)構(gòu)型式，即二次支護結(jié)構(gòu)。利用初期支護結(jié)構(gòu)的及時性、粘貼性、柔韌性、密貼性等特點，及時封閉開挖后的圍巖，充分發(fā)揮圍巖自身的支護作用，以控制圍巖的變形和應力的適度釋放，進入一個相對穩(wěn)定的階段。再利用二次襯砌的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和初期支護共同作用，進一步增加支護的強度和剛度，以承受來自圍巖的流變壓力，與圍巖形成整體受力體系，最終達到控制圍巖變形的目的。初期支護選擇采用噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+錨注+工字鋼架+鋼筋混凝土的聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)形式，相關指標見表2。

4.4.2 二次支護施作時機選擇

軟巖隧道二襯施工的關鍵在于確定隧道二次襯砌施作時間。二次支護最佳時機是圍巖應力、塑性區(qū)及變形速度趨于穩(wěn)定，此時圍巖的膨脹變形能得到了充分釋放而圍巖自身承載能力又沒有太多的損失，也就是圍巖等速蠕變階段。此時，隧道開挖后經(jīng)過初始蠕變的急劇變形后，圍巖應力得到較大的釋放，圍巖變形量一般可達到總變形量的80%以上，圍巖變形速率明顯下降，此時，采用剛性的鋼筋混凝土襯砌可有效抵抗圍巖流變壓力，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

從隧道開挖的時空效應來理解，即在隧道開挖變形初期（初始蠕變階段），隧道受空間效應作用，其在隧道橫斷面上表現(xiàn)為“圓環(huán)形”的約束，在縱斷面上表現(xiàn)為“半圓彎形”的約束，這兩種約束合在一起便使得圍巖在毛洞無支護狀態(tài)下得到短暫的穩(wěn)定，此時可時及施作初期支護，有約束的讓圍巖變形，保護圍巖。當隧道變形到了穩(wěn)定蠕變階段，這個時侯空間效應消失，隧道圍巖轉(zhuǎn)入流變階段，此時及時施作剛性二次襯砌以抵抗巖體的后續(xù)流變變形，確保圍巖穩(wěn)定。二次支護施作時機的選擇可以通過對隧道表面位移監(jiān)測，當隧道表面位移速度由快到趨于平緩的拐點附近為二次支護的最佳支護時機。同時，在距離控制上，可按二次襯砌距掌子面約3～3.5 D來把握。此時隧道開挖后的空間效應已基本結(jié)束，逐步轉(zhuǎn)入以時間效應為主的等速蠕變階段。鐵道部對于軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道的二次襯砌與掌子面距離作了嚴格規(guī)定，二次襯砌與掌子面的距離不得大于70 m。

4.4.3 隧道支護施工的注意事項

①開挖后，立即組織混凝土初噴，初噴厚度3～5 cm，及早封閉圍巖。待布設錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼架后進行復噴砼施工。復噴砼分層施作。濕噴混凝土一次噴層厚度，拱部為7 cm，邊墻為10 cm以上。

②所有系統(tǒng)錨桿均應設置鋼墊板。鋼墊板盡量和鋼筋網(wǎng)、鋼架焊接連成整體。

③注意鋼架接頭處理。鋼架接頭盡量避開同一截面鋼架拱部節(jié)點受力較薄弱。在臺階法施工中，要考慮上下臺階圍巖收斂變形不一致對鋼架接頭安裝的影響。

④注重各向異性，抓住關鍵部位補強。對軟弱圍巖隧道的破壞是一個漸進的力學特征，總是從某一個或幾個部位開始變形、損傷，進而導致整個支護系統(tǒng)的失穩(wěn)。隧道開挖后必須認真加強隧道地質(zhì)觀察與分析，有效判定控制巖體變形破壞的主要因素以及隧道應力集中部位，對重要部位進行適當加強支護。

⑤高度重視隧道注漿工作。注漿加固，可有效封堵圍巖裂隙，阻斷滲水通道，同時可提高壓注地層的物理力學性能，大大提高圍巖整體抗拉剪強度，對活動斷裂帶可采取帷幕注漿手段進行圍巖堵水加固。

⑥加強隧道出口段反坡施工排水，避免墻腳被長期浸泡而發(fā)生底鼓。

4.5 監(jiān)控量測與風險預警

4.5.1 隧道監(jiān)控量測設計

監(jiān)控量測設計關鍵在于選測項目的選取上。對于軟巖變形隧道，選測項目體現(xiàn)以下幾個方面的內(nèi)容：

①地應力的監(jiān)測。

②內(nèi)部位移值的監(jiān)測。

③各結(jié)構(gòu)承受變形壓力情況。

軟巖變形段監(jiān)控量測選測項目見表3。

4.5.2 軟巖隧道大變形坍塌風險預警

圍巖和支護結(jié)構(gòu)變形是圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)承載能力和安全性的最直觀反映，不論何種機制的圍巖大變形，圍巖的坍塌和支護系統(tǒng)的破壞都是變形發(fā)展的一定程度的必然結(jié)果。圍巖穩(wěn)定狀態(tài)體現(xiàn)為隧道圍巖變形速率呈遞減趨勢并逐漸趨于零，而失穩(wěn)狀態(tài)則表現(xiàn)為圍巖變形速率呈遞增趨勢，最終累計位移超過極限位移而失穩(wěn)。

因此圍巖變形預警可將凈空變化、拱頂下沉觀測等可直觀反映隧道穩(wěn)定與變形情況的位移量測項目作為變形預警首選監(jiān)控項目，根據(jù)日常監(jiān)控量測結(jié)果，繪制位移時態(tài)曲線，對各時刻的總位移量、位移速度及位移加速度的變化趨勢加以分析，從而對圍巖的變形狀況進行動態(tài)趨勢預測，建立最大日變形量和累計變形量的風險預警機制。同時也可選取圍巖內(nèi)部位移、錨桿桿體應力、鋼架受力、二次襯砌接觸受力等監(jiān)測項目，作為監(jiān)控量測的拓展和補充，一并納入監(jiān)控預警項，預警管理見表4。

5 結(jié) 語

紅橋關隧道隧址區(qū)為三疊系上統(tǒng)新都橋組炭質(zhì)板巖夾板巖、砂巖；侏倭組板巖、砂巖夾炭質(zhì)板巖及斷層角礫巖，該隧址區(qū)地質(zhì)條件極其復雜且最大埋深為410 m，隧道易發(fā)生大變形，需重點加以防范。

①堅持動態(tài)設計理念，加強綜合探測和監(jiān)控量測，實時進行圍巖分級判定和修正，建立以極限位移或相對位移值為控制基準的圍巖變形管理基準。

②根據(jù)工程地質(zhì)條件，優(yōu)先選用雙側(cè)壁導坑法和短臺階法組織施工，實行分部、分臺階開挖，盡快封閉圍巖，確保圍巖穩(wěn)定。

③采用噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+錨注+工字鋼架+鋼筋混凝土的聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)形式，對關鍵部位必須加強支護。

④加強注漿工作。認真做好超前管棚、導管注漿及隧道徑向錨桿注漿，加固圍巖，封堵裂隙。

⑤根據(jù)隧道的實際情況，建立日常監(jiān)控量測管理體系，在必測項目的基礎上，加強地應力、內(nèi)部位移及各結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測。

⑥選擇可直觀反映隧道穩(wěn)定與變形情況的位移量測項目作為變形預警首選監(jiān)控項目，建立最大日變形量和累計變形量的風險預警機制。

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