岳 英 武

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，安徽 黃山 242700)

蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形特征及施工控制

岳 英 武

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，安徽 黃山 242700)

以高地應(yīng)力條件下蘭渝鐵路木寨嶺隧道為研究對(duì)象，簡要概述了其大變形的情況，并將其表現(xiàn)出來的大變形分成兩類：松散型大變形和擠壓型大變形，分析了引起木寨嶺隧道大變形的主要影響因素，總結(jié)了木寨嶺隧道施工過程中處理大變形積累的施工經(jīng)驗(yàn)，并提出了針對(duì)大變形控制的總體原則。

大變形，松散型，擠壓型，影響因素，施工控制

0 引言

到目前為止，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)多起隧道工程發(fā)生圍巖大變形災(zāi)害的實(shí)例，高地應(yīng)力區(qū)隧道大變形是困擾隧道施工的重大難題之一。國內(nèi)外比較典型的大變形隧道主要有國內(nèi)的南昆鐵路家竹箐隧道、渝二線新蜀河隧道、烏鞘嶺隧道、G212線木寨嶺公路隧道，國外的陶恩(Tauern)隧道、阿爾貝格(Arlberg)隧道、都靈隧道、圣哥達(dá)隧道等。新建蘭渝鐵路木寨嶺隧道地處高地應(yīng)力區(qū)，隧道開工后有多個(gè)斜井出現(xiàn)嚴(yán)重的大變形情況，大變形導(dǎo)致隧道拱墻出現(xiàn)拱架扭曲變形、底部隆起、噴混凝土大面積掉塊等典型的大變形破壞現(xiàn)象。本文以高地應(yīng)力下木寨嶺隧道為研究對(duì)象，簡要概述了其大變形的情況，并對(duì)其進(jìn)行分類，分析了引起木寨嶺隧道大變形的主要影響因素，總結(jié)了木寨嶺隧道各項(xiàng)專題試驗(yàn)取得的成果和施工過程中處理大變形積累的施工經(jīng)驗(yàn)，可以為類似隧道工程的修建提供參考。

1 工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道位于西秦嶺中山區(qū)，隧道穿越主峰木寨嶺為漳河與洮河的分水嶺，橫跨漳縣、岷縣兩縣。左線進(jìn)口里程為DK173+350，出口里程為DK192+375，全長19 025 m；右線進(jìn)口里程為DyK173+350，出口里程DyK192+395，全長19 045 m。隧道最大埋深約600 m，最小埋深約40 m。

隧道洞身地層巖性復(fù)雜，主要為第四系全新統(tǒng)洪積細(xì)角(圓)礫土、粗角(圓)礫土、碎石土、下第三系礫巖、二疊系砂巖、礫巖、板巖及炭質(zhì)板巖、石炭系下統(tǒng)砂巖、灰?guī)r、板巖、泥盆系上統(tǒng)砂巖、壓碎巖、斷層角礫等。隧道Ⅴ級(jí)圍巖7 500 m，占39.4%；Ⅳ級(jí)圍巖8 560 m，占45%；Ⅲ級(jí)圍巖2 960 m，占15.6%。其中軟巖段長度約為6 950 m。隧道穿越區(qū)域性大斷裂F2及次級(jí)斷裂F10，F(xiàn)11，F(xiàn)12，F(xiàn)13，F(xiàn)14，F(xiàn)14-1，F(xiàn)14-2，F(xiàn)15，F(xiàn)15-1，F(xiàn)16共11條斷層，還穿越背斜、向斜核部，特別是夾有炭質(zhì)板巖軟巖夾層地段，節(jié)理裂隙、揉皺等地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象發(fā)育，受構(gòu)造影響巖體破碎或富含地下水，前期地質(zhì)勘察預(yù)測最大涌水量為正常涌水量的3倍，最大水平地應(yīng)力SH=16.8 MPa～27.5 MPa，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=30 MPa～100 MPa，其強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/SH=1.1～5.7。

2 隧道大變形簡述

自2009年5月以來，蘭渝鐵路木寨嶺隧道2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)斜井先后均出現(xiàn)了圍巖大變形的情況，變形主要體現(xiàn)為水平收斂變形，具有變形量較大，變形發(fā)展速度較快等特點(diǎn)。變形初期，混凝土表面出現(xiàn)開裂，并產(chǎn)生環(huán)向、縱向裂縫，同時(shí)出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)鼓，拱架扭曲等現(xiàn)象。

根據(jù)對(duì)2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)斜井大變形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，5號(hào)鹿扎斜井最早發(fā)現(xiàn)有大變形情況，出現(xiàn)時(shí)間為2009年5月13日，主要表現(xiàn)為噴射混凝土表面開裂，為了防止變形進(jìn)一步擴(kuò)大，項(xiàng)目部立即采取了相關(guān)應(yīng)急措施，之后變形趨于穩(wěn)定，取得了較好的效果，但累計(jì)變形值仍達(dá)到約440 mm；在斜1110～斜970、斜700～斜620范圍內(nèi)，出現(xiàn)了變形量持續(xù)增大，初支噴射混凝土脫落，拱架扭曲等現(xiàn)象，部分地段由于變形速率大，最大達(dá)625.89 mm/d，累積變形量大，最大達(dá)963.86 mm，所以對(duì)該段進(jìn)行了二次套拱和拆換拱的整治措施。6號(hào)大溝莊斜井大變形情況出現(xiàn)在2009年7月～8月間，該處隧道開挖時(shí)在掌子面先后2次出現(xiàn)股狀流水現(xiàn)象，在地下水的作用下，圍巖承載力會(huì)降低。因此，針對(duì)該段，采取了集中引流措施進(jìn)行了處治，進(jìn)入2009年12月份以來，斜790～斜630，斜320～斜110，大范圍出現(xiàn)大變形，其中在斜700～斜630，邊墻進(jìn)行了換拱處理，其余大部分變形地段進(jìn)行了注漿加固，二次套拱等措施才使得變形穩(wěn)定。7號(hào)大戰(zhàn)溝斜井是所有出現(xiàn)大變形隧道中，變形范圍最大、歷時(shí)最長的隧道，大變形出現(xiàn)于2009年5月，基本與5號(hào)井同期開始變形，直至8月中旬由于開挖面圍巖產(chǎn)狀的變化變形減緩，其變形范圍自洞口30 m附近開始近300 m長，變形處拱架內(nèi)鼓，噴混凝土開裂，出現(xiàn)環(huán)、縱向裂縫，變形段大部分依靠施作二次套拱才有效控制了變形，從2009年10月到目前，變形一直較大，截止目前，大戰(zhàn)溝斜井累計(jì)完成開挖約980多米，其中變形段達(dá)到70%以上，堪稱全隧大變形之最；3號(hào)大坪有軌斜井大變形初期變形速率極大，最大日變形速率x約1.9 m/d，自2009年6月下旬以來，主、副井先后發(fā)生多次大變形，變形范圍30 m～70 m不等，變形段噴混凝土層大范圍開裂剝落，變形范圍均出現(xiàn)環(huán)、縱向裂縫，尤其是2009年8月22日，當(dāng)時(shí)除水平收斂變形較大以外，其拱頂沉降及底板隆起也較為顯著，在已施工段，初支剛架底部出現(xiàn)向開挖面方向傾斜的現(xiàn)象，由于變形較大，導(dǎo)致噴射混凝土剝落，在初支表面出現(xiàn)了多條環(huán)向、縱向裂縫，同時(shí)局部拱架出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，底板隆起量最大約1 m，水平收斂、拱頂沉降最大累計(jì)分別為500 mm,300 mm，由于大變形，主井隧道斷面嚴(yán)重侵限，隨后進(jìn)行了長達(dá)2.5個(gè)月的拆換拱處理，嚴(yán)重影響了工期和施工成本。在3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)斜井大變形數(shù)據(jù)中，累計(jì)變形大于150 mm的測點(diǎn)共377個(gè)，其中超200 mm的測點(diǎn)約占77%。

3 大變形類型

根據(jù)蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，其變形主要可以分為兩類：松散型大變形和擠壓型大變形。

1)松散型大變形。

松散型大變形典型曲線如圖1，圖2所示。其變形特點(diǎn)是：在掌子面開挖后的幾天時(shí)間內(nèi)，變形持續(xù)增大，在采取相應(yīng)支護(hù)措施后，變形速率才有所放緩，但是大約30 d～40 d時(shí)間后，變形出現(xiàn)突變的情況，且突變時(shí)產(chǎn)生變形量大。經(jīng)過分析認(rèn)為，在高地應(yīng)力情況下，出現(xiàn)“跳躍式”增長的變形，這主要與隧道圍巖狀況有關(guān)，即軟弱圍巖所產(chǎn)生的松動(dòng)圈，而非高地應(yīng)力本身所對(duì)圍巖產(chǎn)生的擠壓型變形。之后，在出現(xiàn)這種“跳躍式”增長變形的隧道斷面，進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在“跳躍式”變形出現(xiàn)前，當(dāng)?shù)鼐薪涤臧l(fā)生，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載也由形變壓力向松散壓力轉(zhuǎn)變。在這種情況下，極容易出現(xiàn)坍塌，因此，對(duì)于松散型大變形，應(yīng)該加大支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和密貼性，同時(shí)在施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測，避免類似大變形災(zāi)害的發(fā)生。

2)擠壓型大變形。

擠壓型大變形典型曲線如圖3，圖4所示。其變形特點(diǎn)是：在掌子面開挖后的一段時(shí)間內(nèi)，變形持續(xù)平緩增長，變形速率偶爾由于臺(tái)階施工的原因會(huì)有增大的現(xiàn)象，但變形最終趨于收斂穩(wěn)定。這主要是因?yàn)?，在高地?yīng)力條件下，軟巖和破碎巖體的強(qiáng)度不足以承受由于隧道開挖而引起的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生塑性剪切滑移，出現(xiàn)較大量級(jí)的圍巖變形現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅與圍巖本身力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，還與原始地應(yīng)力及工程因素等有關(guān)。對(duì)于擠壓型變形，由于大變形侵限導(dǎo)致的初支破壞及拆換對(duì)工程安全影響極大，故在高地應(yīng)力大變形地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)分析和研究此類變形對(duì)工程的影響。

4 大變形影響因素

1)地質(zhì)條件。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形隧道開挖所揭示圍巖多為炭質(zhì)板巖、板巖及壓碎巖等，巖體破碎，部分地段伴隨地下水出露、斷層帶等不良地質(zhì)。匯總發(fā)生大變形斷面的地質(zhì)資料可以得出以下規(guī)律：

a.圍巖主要是二疊系下統(tǒng)炭質(zhì)板巖、中～薄層板巖或原巖為炭質(zhì)板巖的壓碎巖以及斷層角礫巖，巖層破碎程度高，含泥質(zhì)夾層，風(fēng)化程度一般為弱～強(qiáng)風(fēng)化，遇地下水變形發(fā)生程度趨于嚴(yán)重；

b.節(jié)理發(fā)育地段，具備兩組及以上的節(jié)理，且以密閉型節(jié)理和微張型節(jié)理為主，節(jié)理間距的變化范圍在3 cm～20 cm；

c.巖層產(chǎn)狀走向以NWN和NEN為主，角度富于變化，多與隧道走向夾角較小。

2)影響因素。

a.巖性。

該地段炭質(zhì)板巖板狀構(gòu)造，變晶結(jié)構(gòu)，主要成分砂質(zhì)、鈣質(zhì)、炭質(zhì)、鐵質(zhì)等，含石英細(xì)粒，裂隙、節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化，微膨脹。炭質(zhì)板易發(fā)生塑性變形，使作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載增大，進(jìn)而發(fā)生大變形。

b.支護(hù)參數(shù)。

從現(xiàn)場施工情況來看，在常規(guī)支護(hù)參數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生大變形，而當(dāng)采用剛度較大的支護(hù)后，變形能得到有效控制，使變形放緩，部分由于變形持續(xù)發(fā)展達(dá)到極限值之后，在采取套拱或拆換拱架等措施后大多變形均能趨于穩(wěn)定。此外，木寨嶺隧道3號(hào)斜井在洞口下穿國道段采取了加強(qiáng)支護(hù)措施，在后期變形發(fā)展中變形相對(duì)較小，而毗鄰的非加強(qiáng)段則因支護(hù)強(qiáng)度不足最終導(dǎo)致侵限。

c.地下水。

地下水能使炭質(zhì)板巖等巖體崩解，使其承載能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致在地下水豐富地段，圍巖變形速率和變形量值均較大。

d.施工工藝。

從施工情況和施工過程來看，初期支護(hù)的施工工藝是影響變形的重要因素之一，如在施工過程中，拱架安設(shè)平順度、連接牢固性、超欠挖情況、噴射混凝土工藝等均能影響到變形的發(fā)展。

5 大變形施工控制技術(shù)

5.1 總體原則

通過結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及上述因素分析，總結(jié)蘭渝鐵路木寨嶺大變形隧道施工的經(jīng)驗(yàn)，可以針對(duì)大變形隧道提出以下總體原則：加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)封閉，初期支護(hù)一次到位，減少套拱，杜絕拆換，二次支護(hù)適時(shí)施作，最終達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的變形控制目的。

5.2 施工基本要求

通過蘭渝鐵路木寨嶺隧道現(xiàn)場試驗(yàn)，經(jīng)總結(jié)分析及現(xiàn)場應(yīng)用，對(duì)大變形段施工從工藝方面提出如下基本要求：

1)施工工藝。

a.優(yōu)化斷面曲率，結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一采用圓形或近圓形。

b.變形段仰拱及鋪底施工禁止半幅施工，大坡度有軌斜井底部開挖及噴射混凝土施工宜采用臺(tái)階狀，以控制結(jié)構(gòu)沿斜面產(chǎn)生滑移。

c.大變形發(fā)生后，必須及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)支撐，并在支撐加固后對(duì)兩側(cè)進(jìn)行初支后回填注漿，以增大初支結(jié)構(gòu)與地層的聯(lián)結(jié)力。

d.易產(chǎn)生較大變形段，在開挖時(shí)預(yù)留足夠變形量的同時(shí)，還要再預(yù)留二次支護(hù)空間，保證施工所需隧道凈空要求，預(yù)留量可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析后確定。

e.嚴(yán)格按照臺(tái)階法施工，開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初噴，分級(jí)、適時(shí)施作深孔錨桿及二次套拱，施作時(shí)機(jī)及控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。

f.對(duì)變形段必須設(shè)初支仰拱剛架并與上部拱墻剛架封閉成環(huán)。

g.規(guī)范工藝控制，嚴(yán)格推行濕噴作業(yè)，并通過工序優(yōu)化、控制爆破等措施，避免混凝土質(zhì)量受到影響，保證支護(hù)強(qiáng)度。

2)結(jié)構(gòu)工藝方面。

a.初期支護(hù)一次到位，遇較大變形難以控制時(shí)，通過變形預(yù)留及量測反饋結(jié)果采用支護(hù)分層、分次施作，初期支護(hù)要能基本控制大部分變形，二次支護(hù)的目的則是控制變形不侵限。

b.加強(qiáng)鋼架縱向連接，提高初支結(jié)構(gòu)整體承載能力，避免鋼架局部扭曲。

c.提高鋼架抗扭性能，用H型鋼替代工字鋼。

d.加強(qiáng)鋼架節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，螺栓連接強(qiáng)度不低于鋼架自身強(qiáng)度，采用鎖腳錨桿對(duì)鋼架接頭進(jìn)行加固。

e.邊墻布置長錨桿，參考松動(dòng)圈測試結(jié)果和現(xiàn)場試驗(yàn)，錨桿長度以8 m～10 m為宜，但為了兼顧注漿加固功能，可安排2排～3排布置于兩側(cè)邊墻拱腰部位。

f.早高強(qiáng)噴射混凝土，利用早高強(qiáng)噴射混凝土初期強(qiáng)度發(fā)展快速的特征來控制隧道的變形速度。

5.3 變形控制技術(shù)

根據(jù)木寨嶺隧道現(xiàn)場試驗(yàn)和施工實(shí)踐，結(jié)合科研分析及不斷總結(jié)，同時(shí)借鑒以往高地應(yīng)力軟巖隧道施工經(jīng)驗(yàn)，并考慮到安全、經(jīng)濟(jì)、有效性等因素，對(duì)于木寨嶺隧道變形控制建議如下：

1)變形控制原則：初期支護(hù)一次到位，杜絕拆換，二次支護(hù)適時(shí)施作。

2)從巖性、產(chǎn)狀等地質(zhì)因素入手，確定變形控制措施。炭質(zhì)板巖或板巖，層狀中～薄層，巖體破碎或褶皺明顯，巖層走向與隧道軸線夾角較小，伴隨地下水，當(dāng)開挖揭示圍巖符合上述一種或多種以上地質(zhì)特征時(shí)，采取相應(yīng)變形控制措施。

3)將徑向注漿加固、噴層增厚、雙層連接筋、雙層網(wǎng)片、全環(huán)錨桿等措施納入變形控制長效措施，H型鋼剛架、深孔錨桿及早高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用作為變形控制主要措施。施工實(shí)踐表明，單一的控制措施難以有效控制變形發(fā)展，施工中應(yīng)在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)以上措施進(jìn)行優(yōu)化組合，合理應(yīng)用。

4)采用分級(jí)控制方式，在預(yù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加Ⅳ級(jí)軟巖地段，變形控制需分階段、有計(jì)劃、具針對(duì)性。將Ⅳ級(jí)圍巖巖性條件下，受斷層、地下水等因素影響變形難以控制地段，調(diào)整為Ⅳ級(jí)軟巖。Ⅳ，Ⅴ級(jí)軟巖地段在加強(qiáng)一次初支強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，依據(jù)監(jiān)測信息反饋，確定變形控制標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)留二次支護(hù)空間，分次、適時(shí)施作二次支護(hù)，以有效控制變形發(fā)展，保證凈空要求。其他大變形地段采取初支加強(qiáng)措施，確保初期支護(hù)一次到位。

5)加大二次襯砌厚度，有效控制后期變形?？紤]到軟巖變形段變形的滯后性，為保證二襯能有效抵抗后期變形，在預(yù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加大二襯厚度5 cm，有效避免二襯強(qiáng)度不足、開裂等現(xiàn)象。

6)通過階段成果現(xiàn)場應(yīng)用，根據(jù)圍巖巖性特征及變形控制標(biāo)準(zhǔn)確定對(duì)應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場會(huì)勘、地質(zhì)素描及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析成果，及時(shí)優(yōu)化施工參數(shù)。對(duì)變形難以控制的地段，在施工中應(yīng)采取“先強(qiáng)后優(yōu)化”的原則，確保施工安全，再通過監(jiān)測信息不斷優(yōu)化，以保證施工的連續(xù)性。

7)加強(qiáng)監(jiān)控量測，建立系統(tǒng)完善的監(jiān)測體系，監(jiān)測信息及時(shí)反饋，指導(dǎo)施工，優(yōu)化設(shè)計(jì)，真正做到信息化施工。

8)加強(qiáng)施工工藝控制，優(yōu)化施工工法。確定軟巖變形段施工工藝控制標(biāo)準(zhǔn)，組織工區(qū)技術(shù)及作業(yè)人員認(rèn)真學(xué)習(xí)，建立考核制度，嚴(yán)格落實(shí)，將變形控制要求貫穿整個(gè)施工過程。同時(shí)，根據(jù)變形控制要求優(yōu)化開挖工法，合理利用臺(tái)階法等工法促進(jìn)變形控制。

6 結(jié)語

綜合蘭渝鐵路木寨嶺隧道各項(xiàng)專題試驗(yàn)取得的成果和施工過程中處理大變形積累的施工經(jīng)驗(yàn)提出以下建議：

1)對(duì)于松散型大變形，應(yīng)該加強(qiáng)加大支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和密貼性，同時(shí)在施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測，避免類似大變形災(zāi)害的發(fā)生。

2)對(duì)于擠壓型變形，由于大變形侵限導(dǎo)致的初支破壞及拆換對(duì)工程安全影響極大，故在高地應(yīng)力大變形地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)分析和研究此類變形對(duì)工程的影響。

3)大變形控制總體原則宜為：加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)封閉，初期支護(hù)一次到位，減少套拱，杜絕拆換，二次支護(hù)適時(shí)施作，最終達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的變形控制目標(biāo)。

4)大變形的控制措施須具有針對(duì)性和層次性，其控制措施必須納入工序管理，嚴(yán)格執(zhí)行，建立長效機(jī)制。

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Muzhailing tunnel deformation characteristic and control of Lan-Yu railway

Yue Yingwu

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Huangshan242700,China)

Taking Muzhailing tunnel of Lan-Yu railway under high stress conditions as the research target, the article briefly introduces its deformation conditions, and classifies the deformation into loose-style deformation and squeezing-style deformation, analyzes major factors influencing Muzhailing tunnel deformation, summarizes Muzhailing tunnel deformation processing experience, and finally puts forward integral deformation controlling principles.

deformation, loose style, squeezing style, influential factor, construction control

2015-02-28

岳英武(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)14-0183-03

U455

A