李 松 黃林華 楊鐵雄

（1.湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425000；2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

隨著西部大開(kāi)發(fā)的持續(xù)發(fā)展，繼青藏鐵后的滇藏鐵路也如火如荼推進(jìn)，川藏鐵路也逐步提上日程，高海拔地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件下隧道建設(shè)往往面臨著多重困難，由高地應(yīng)力造成的圍巖大變形則成為常見(jiàn)而難以處理的地質(zhì)災(zāi)害[1]，不少學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)高地應(yīng)力地層隧道圍巖大變形問(wèn)題開(kāi)展了研究，李生杰等[2]對(duì)從巖石力學(xué)角度解釋了圍巖大變發(fā)生的力學(xué)機(jī)理，并提出了處理方法。潘飛[3-4]等對(duì)高地應(yīng)力地層隧道圍巖大變形工程現(xiàn)場(chǎng)采用了優(yōu)化開(kāi)挖方法、調(diào)整預(yù)留變形量、采用復(fù)合初期支護(hù)等手段進(jìn)行綜合處理，并分析了處理方法的有效性。張德華[5]對(duì)大梁隧道極高地應(yīng)力問(wèn)題開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化并提出了新型支護(hù)結(jié)構(gòu)。本文從麗香鐵路站前某些隧道高地應(yīng)力地層發(fā)生了圍巖大變形出發(fā)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況分析誘發(fā)圍巖大變形的原因、提出優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和施工技術(shù)等方法，評(píng)價(jià)大變形設(shè)計(jì)施工方案的有效性，為同類(lèi)高地應(yīng)力破碎圍巖隧道大變形處置方法提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

新建麗香鐵路站前四標(biāo)位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣內(nèi)，所在地域?qū)僭颇鲜∥鞅辈?、青藏高原南東緣之橫斷山脈中段高原雪山地區(qū)。起訖里程為DK65+776～DK76+382，線路長(zhǎng)度10606m。

麗香鐵路地處歐亞板塊與印度板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原東南緣之川滇菱形斷塊的西部邊界斷裂帶（金沙江-中甸斷裂帶）內(nèi)，橫斷山脈中段，哈巴雪山山脈西側(cè)，地勢(shì)東高西低，山脈呈南北向展布，橫向溝谷發(fā)育，溝谷下切極深，屬深山峽谷地貌。

線路基本沿區(qū)域構(gòu)造線行進(jìn)，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，屬我國(guó)著名的南北向地震南段之滇西地震帶。發(fā)生變形的隧道地段主要為炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖、全強(qiáng)風(fēng)化片理化玄武巖及凝灰?guī)r等，層理、片理、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面多存在軟弱夾層，屬軟巖或極軟巖，實(shí)測(cè)地應(yīng)力16.11～27.79MPa。隧道區(qū)覆蓋第四系全新人工棄土塊石土、滑坡堆積層等，受區(qū)域性構(gòu)造影響，其間褶曲發(fā)育，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性較差。

2 隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 圍巖大變形情況

已開(kāi)工的4座隧道中，有長(zhǎng)坪、白巖子、圓寶山等3座隧道出現(xiàn)了圍巖較大變形情況。其中，正洞累計(jì)變形較大段落長(zhǎng)度達(dá)629.8m，輔助坑道累計(jì)變形較大段落長(zhǎng)度達(dá)731.2m。按原施工組織方法隧道開(kāi)挖主要以兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法為主，施工過(guò)程中對(duì)隧道的拱頂和邊墻水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明圍巖變形主要是水平收斂發(fā)展過(guò)快而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，以圖1長(zhǎng)坪隧道DK61+320～DK61+290段水平監(jiān)測(cè)曲線為例，監(jiān)測(cè)期內(nèi)兩個(gè)斷面水平收斂均達(dá)到500mm以上，隧道上臺(tái)階變形較大，初期支護(hù)施工后一段時(shí)間內(nèi)圍巖位移仍有較快發(fā)展，隨后位移發(fā)展加速直至發(fā)生破壞。現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞主要表現(xiàn)為邊墻處鋼架扭曲、接頭錯(cuò)動(dòng)和邊墻噴射混凝土開(kāi)裂，形成縱向貫通裂縫進(jìn)而造成整體失效破壞。

圖1 DK61+320～DK61+290段圍巖水平收斂監(jiān)測(cè)曲線

從現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)整支護(hù)措施中總結(jié)的規(guī)律來(lái)看，按原設(shè)計(jì)支護(hù)方案采用上下臺(tái)階法施工，施加初期支護(hù)較難控制圍巖位移發(fā)生，收斂變形最大值達(dá)到300mm以上，嚴(yán)重地層中水平收斂值達(dá)到800mm，上收斂的變形量大于拱頂變形量，下收斂變形量相對(duì)較小。施加二次襯砌后，拱頂沉降與水平收斂逐步趨于穩(wěn)定，隧道初支完成后若15d之內(nèi)不及時(shí)施做二襯，初支變形將隨時(shí)間推移不斷增大最終導(dǎo)致侵限，大多需要換拱。即使二次襯砌施工后圍巖位移得到控制，按照新奧法和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要靠初期支護(hù)承受荷載，圍巖位移應(yīng)當(dāng)在二襯施加前趨于穩(wěn)定，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備如承受較大荷載對(duì)后期運(yùn)營(yíng)安全造成隱患。

2.2 圍巖大變形原因分析

通過(guò)對(duì)麗香鐵路四標(biāo)隧道圍巖變形較大地段地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工情況等進(jìn)行綜合分析，初步得出圍巖變形的主要原因有：

（1）大變形地段巖性多為片理化玄武巖、玄武巖夾凝灰?guī)r或炭質(zhì)頁(yè)巖、板巖等，巖體軟弱破碎，自穩(wěn)能力差，且部分段落地應(yīng)力較高、巖體具有弱膨脹性特征、局部段落巖體順層偏壓，導(dǎo)致隧道開(kāi)挖后圍巖變形較大。

（2）由于邊墻未進(jìn)行超前小導(dǎo)管預(yù)注漿固結(jié)，圍巖開(kāi)挖后應(yīng)力釋放較快，自穩(wěn)能力急劇下降，加上滲水軟化作用，內(nèi)摩擦角變小，導(dǎo)致圍巖對(duì)初支的主動(dòng)土壓力（側(cè)壓力）急劇增加。當(dāng)側(cè)壓力超出初支的允許承載力（抗彎能力）時(shí)出現(xiàn)變形。隨著初支的變形，導(dǎo)致巖體的自穩(wěn)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生重新分布現(xiàn)象，自穩(wěn)內(nèi)應(yīng)力圈半徑不斷擴(kuò)大，相應(yīng)不穩(wěn)定巖體范圍也隨之?dāng)U大，致使側(cè)壓力繼續(xù)加大，從而加劇了變形量的不斷擴(kuò)大。

（3）施工方法選擇不當(dāng)，或工序銜接安排不合理，鋼支撐架設(shè)質(zhì)量欠佳，支撐與圍巖不密貼，聯(lián)結(jié)不夠牢固，鎖腳錨管未起到錨固作用，且由于初期支護(hù)封閉成環(huán)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足圍巖壓力所需要的強(qiáng)度要求。

3 圍巖大變形處置方案

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

按原設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖地段設(shè)計(jì)采用V級(jí)B型復(fù)合式襯砌，拱部設(shè)置φ25組合中空錨桿，邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)度3m。全環(huán)設(shè)I18工字鋼架加強(qiáng)支護(hù)，縱向間距0.8～1m，拱部設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，每根長(zhǎng)3～3.5m，環(huán)向間距0.4m，縱向間距1.6～2m，臺(tái)階法施工，二襯采用40cm厚鋼筋砼。

施工中根據(jù)實(shí)際情況，加大預(yù)留變形量，支護(hù)采用大變形Ⅱ型襯砌結(jié)構(gòu)，預(yù)留量40cm，全環(huán)設(shè)置工I20b鋼架，間距0.5m/榀，鋼架間縱向連接鋼筋采用φ25鋼筋，"Z"形布置，設(shè)于鋼架內(nèi)側(cè)（靠二襯側(cè)），鋼筋縱向接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi),鎖腳錨桿采用φ25鋼筋，與鋼架焊接牢固；同時(shí)，加強(qiáng)各臺(tái)階底部鋼架縱向墊槽鋼的施工工藝，確保鋼架系統(tǒng)整體穩(wěn)定性；拱部設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4m，縱向間距2m，必要時(shí)帶臨時(shí)仰拱。仰拱厚55cm，二襯厚50～80cm，環(huán)向鋼筋采用Φ20螺紋筋，縱向間距20cm，層距隨二襯弧形變化而變化，縱向鋼筋采用螺紋鋼，環(huán)向間距25cm，層距隨二襯弧形變化而變化,鉤筋采用Φ8鋼筋（滿鋪）。為了保證施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度可控，在圍巖應(yīng)力較大段采用CRD開(kāi)挖工法，在CRD開(kāi)挖工法試驗(yàn)段施工中優(yōu)化的施工工藝和總結(jié)的施工參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整下一步CRD開(kāi)挖施工。

3.2 大變形段處置效果評(píng)價(jià)

圖2為長(zhǎng)坪隧道試驗(yàn)段初支變形監(jiān)測(cè)曲線，可見(jiàn)采用大變形Ⅱ型支護(hù)結(jié)構(gòu)及CRD開(kāi)挖工法后，未發(fā)生紅色警報(bào)，可見(jiàn)大變形Ⅱ型襯砌對(duì)于此段圍巖變形具有良好控制效果，及時(shí)穩(wěn)定了圍巖變形收斂。CRD開(kāi)挖工法能有效利用了中隔壁和臨時(shí)仰拱的支撐作用，縮短開(kāi)挖與支護(hù)間隔時(shí)間，開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)小，并輔以注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)、掛網(wǎng)和格柵噴砼等支護(hù)手段，有得于圍巖變形控制，同時(shí)仰拱與下臺(tái)階的施工間距對(duì)圍巖變形有重要影響，仰拱封閉成環(huán)后，初支支護(hù)形成整體受力結(jié)構(gòu)，抵抗圍巖的變形能力增強(qiáng)，能確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全。

圖2 上臺(tái)階水平收斂監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

論文針對(duì)麗香鐵路四標(biāo)隧道發(fā)生的大變形情況，分析了其產(chǎn)生的原因，采取了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工控制措施，得到了以下結(jié)論：

（1）大變形的發(fā)生與地質(zhì)條件，施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等條件密切相關(guān)，圍巖水平收斂明顯大于豎向位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞也往往從邊墻處開(kāi)始。巖體破碎，地下水豐富和高地應(yīng)力是導(dǎo)致圍巖失控的主要原因，施工技術(shù)及處置措施選擇不當(dāng)極易發(fā)生重大安全事故。

（2）在高地應(yīng)力復(fù)雜段應(yīng)采取不同的襯砌支護(hù)參數(shù)，大變形Ⅱ型襯砌重新設(shè)計(jì)了隧道斷面和支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，較好應(yīng)對(duì)了高地應(yīng)力破碎圍巖地層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移發(fā)展過(guò)快的問(wèn)題，對(duì)控制圍巖變形和襯砌破壞失效具有較好效果。

（3）施工監(jiān)測(cè)結(jié)果表明上臺(tái)階圍巖位移發(fā)展較下臺(tái)階快，且臺(tái)階處鋼拱架接頭處易發(fā)生扭曲，采用CRD工法相對(duì)于上下臺(tái)階法能有效應(yīng)對(duì)問(wèn)題，但一次開(kāi)挖距離不宜過(guò)長(zhǎng)，施工質(zhì)量需要重點(diǎn)把控，并應(yīng)當(dāng)及時(shí)施工二次襯砌。