姜 波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限公司，四川成都 610031)

在我國西部地區(qū),由于地形地貌、地質(zhì)條件特別復(fù)雜,高地應(yīng)力軟巖大變形隧道越來越多,給建設(shè)工期及投資帶來很大影響。因此,有必要研究軟巖大變形隧道變形控制技術(shù)[1-3]。許多專家學(xué)者針對高地應(yīng)力軟巖大變形隧道[4-6]均提出了許多大變形的判定方法，并給出了相應(yīng)的防治措施，但是對兩并行軟巖大變形隧道由于遭遇較少，因此研究相對較少，可借鑒成果不多。

成蘭鐵路茂縣隧道是座全長9 925 m長大隧道，所在區(qū)域構(gòu)造為龍門山華夏系構(gòu)造體系之九頂山華夏系，其最大埋深達(dá)1 656 m，隧道洞身穿越龍門山后山活動(dòng)斷裂-茂汶斷裂，段落埋深400～650 m，圍巖軟弱破碎，實(shí)測最大水平地應(yīng)力27 MPa，為高地應(yīng)力大變形段。由于采用雙洞分修方案，兩洞變形疊加，支護(hù)破壞嚴(yán)重，仰拱隆起達(dá)到74 cm，處置困難。本文采用現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)值理論分析的方法探討了雙洞影響機(jī)理后給出了處置措施，實(shí)施效果較好。

1 現(xiàn)場施工情況及變形特征

1.1 施工概況

隧道開挖揭示圍巖以絹云母千枚巖為主，呈粉末狀，施工中采用了雙層支護(hù)等措施先完成了左洞施工，監(jiān)控量測反饋大部分?jǐn)嗝嬖?個(gè)月左右整體支護(hù)變形趨于收斂穩(wěn)定。

右線施工滯后于左線，2017年12月底發(fā)現(xiàn)鄰近右線掌子面的左線部分仰拱存在上浮現(xiàn)象；2018年4月以后變形速率加劇，2018年7月以后拱墻的變形加劇，出現(xiàn)噴混凝土剝落，鋼架扭曲并逐步發(fā)展為噴混凝土大面積破壞，鋼架錯(cuò)斷等嚴(yán)重變形破壞現(xiàn)象(圖1)。

圖1 現(xiàn)場開挖粉末狀圍巖

1.2 仰拱變形破壞情況

變形監(jiān)測顯示總645 m大變形段有270 m仰拱均存在不同程度上浮的現(xiàn)象，均發(fā)生嚴(yán)重變形段落(圖2、圖3)。

圖2 仰拱變形情況

圖3 仰拱變形示意

仰拱變形特征：

(1)左線存在仰拱隆起現(xiàn)象位于拱墻二次襯砌未施作段。

(2)仰拱上浮量值大。最大上浮74 cm，且近兩年觀測期內(nèi)無明顯衰減，國內(nèi)罕見。

(3)中巖柱側(cè)仰拱上浮突出。嚴(yán)重上浮的段落，洞身橫斷面呈右高左低即靠中巖柱側(cè)隆現(xiàn)象突出。

(4)仰拱上浮為整體上抬。

(5)右線未發(fā)現(xiàn)明顯仰拱上浮。

1.3 拱墻變形破壞情況

2018年7月左線多個(gè)斷面圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)出現(xiàn)變形加速的現(xiàn)象，8月左線初支逐步出現(xiàn)剝落掉塊，并逐步發(fā)展為鋼架扭曲變形、侵限。截止2019年底，有164 m發(fā)生嚴(yán)重的支護(hù)破壞侵限。拱墻變形破壞特征(圖4)：

圖4 拱墻變形破壞情況

(1)拱墻變形加速發(fā)生仰拱變形后。

(2)在變形加速前，左線斷面大部分均保持很長時(shí)間收斂，最長斷面的穩(wěn)定期超過800 d才發(fā)生加速。說明原支護(hù)措施在單洞時(shí)能對變形較好控制。

(3)大部分?jǐn)嗝孀冃嗡俾试黾影l(fā)生在7月，局部支護(hù)破壞后引起相鄰段牽連破壞是主要原因。

(4)局部斷面變形與右線施工存在明顯相關(guān)。

2 兩洞干擾的表現(xiàn)形式

從監(jiān)控量測顯示左線開挖三個(gè)月后支護(hù)已趨于穩(wěn)定，但后行洞施工時(shí)，變形加劇。后行洞的先行洞主要有以下影響。

2.1 掌子面的空間效應(yīng)影響

通過變形監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)，后行洞掌子面在距離先行洞約30 m時(shí)，即造成了先行洞變形的加速，在兩掌子面齊平時(shí)影響達(dá)到最大。而先行洞的由于變形支護(hù)破壞承載力降低，則進(jìn)一步加劇了變形發(fā)展(圖5)。

圖5 DBK127+930變形曲線

2.2 后行洞支護(hù)時(shí)機(jī)的影響

后行洞施工支護(hù)時(shí)機(jī)對變形影響也較為嚴(yán)重，由于后行洞存在較長時(shí)間停工現(xiàn)象，掌子面附近未能形成有效支護(hù)，附近段落變形嚴(yán)重。支護(hù)不及時(shí)段，松動(dòng)圈不斷增大，實(shí)測顯示9個(gè)月內(nèi)松動(dòng)圈從8 m擴(kuò)大到了12 m。

2.3 后行洞反坡施工的影響

后行洞的反坡施工也是影響變形的因素之一。上游地下水通過隧道洞內(nèi)或松動(dòng)圍巖滲入變形段落，軟化圍巖降低其強(qiáng)度：圍巖強(qiáng)度降低→圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大→圍巖松弛→地下水進(jìn)一步下滲→圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低→形成惡性循環(huán)，造成變形難以控制后果。該情況對基礎(chǔ)弱化作用更明顯(圖6)。

圖6 變形破壞段落與反坡施工的關(guān)系

2.4 數(shù)值理論分析

采用摩爾庫倫模型對比地下水軟化圍巖、施工支護(hù)滯后等因素影響，對該段落進(jìn)行了數(shù)值分析。分析結(jié)果見表1、監(jiān)測點(diǎn)見圖7。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)布置

從表1可知，綜合疊加不利因素后，相對單一因素對先行洞造成了疊加影響，位移增加了70 %，而單一工況則不超過5 %。

從圖8可看出，正常狀態(tài)下，單洞開挖塑性區(qū)分布主要在5～7 m；地基軟化工況時(shí)，塑性區(qū)分布較大，9～12 m，左右線塑性區(qū)尚未連通。后行洞支護(hù)滯后工況，中部塑性區(qū)部分連通，左右線塑性區(qū)呈現(xiàn)左小右大的特征，與實(shí)測結(jié)果較吻合。綜合兩種不利條件，塑性區(qū)較單因素條件下，顯著增加。

3 處置措施

經(jīng)分析左線大變形段變形加劇及仰拱隆起的主要原因是高地應(yīng)力條件下，地下水軟化圍巖、支護(hù)滯后、兩洞相互影響等綜合因素造成。因此針對仰拱隆起及支護(hù)破壞采取了堵水，加固松散區(qū)，錨固仰拱，鎖定中巖柱，重構(gòu)支護(hù)等措施。

3.1 高壓注漿加固圍巖

對未施作二次襯砌的段落，拱墻采取注漿措施，對上游來水進(jìn)行封堵，對松動(dòng)圍巖進(jìn)行加固，改善圍巖力學(xué)性能，補(bǔ)強(qiáng)周邊圍巖及中巖柱，由于高地應(yīng)力圍巖緊密采用不小于2 MPa的壓力進(jìn)行注漿。

表1 主要測點(diǎn)變形值 cm

圖8 各工況塑性區(qū)分布

3.2 鎖定中巖柱

中巖柱的承載力是變形段支護(hù)開裂破壞及仰拱隆起的重要影響因素。根據(jù)中巖柱位移矢量圖可知，中巖柱圍巖變形主要中部擠入，拱腰處下擠的變形模式。因此為限制中巖柱位移，采用兩側(cè)對拉錨索支護(hù)的方式對中巖柱進(jìn)行鎖定(圖9、圖10)。

圖9 中巖柱地層位移矢量

圖10 中巖柱對拉錨索示意

3.3 錨固仰拱

仰拱上浮處理在當(dāng)前國內(nèi)是難點(diǎn)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，茂縣隧道對隧底采用小直徑微型約束樁(直徑140mm)+斜向錨索錨固的方式進(jìn)行加固，并將仰拱與仰拱填充結(jié)構(gòu)合并為鋼筋混凝土，將錨固系統(tǒng)錨固與結(jié)構(gòu)內(nèi)形成整體。

3.4 破壞段的支護(hù)重構(gòu)

圍巖加固后，對侵限及破壞嚴(yán)重的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除并恢復(fù)原設(shè)計(jì)支護(hù)系統(tǒng)，使其恢復(fù)承載能力。

采用上述措施后，經(jīng)過三個(gè)月的觀測顯示初支收斂、二襯穩(wěn)定、仰拱未持續(xù)上浮，加固措施效果較好。

4 結(jié)論

在高地應(yīng)力大變形段，相鄰并行隧道在線間距較小情況下，極可能出現(xiàn)變形相互干擾疊加加劇的現(xiàn)象，給變形處置帶來極大的困難。通過對茂縣隧道并行隧道大變形的處理，形成了如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)大變形段落應(yīng)盡量加大兩洞線間距，從而減少兩洞間的相互影響。

(2)并行大變形隧道，后行洞的變形控制尤為重要，其施工方向、支護(hù)參數(shù)及支護(hù)時(shí)機(jī)等均對先行洞有較大影響。

(3)并行大變形隧道，后行洞可能對先行洞中巖柱側(cè)支護(hù)及仰拱造成較大的影響，因此應(yīng)注重對先行洞中巖柱及仰拱的加固。