蒲吉見

(中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518054)

0 前 言

云屯堡隧道是成蘭鐵路重點控制性工程之一，位于鎮(zhèn)江關(guān)-松潘區(qū)間，全長22.932 km，為目前國內(nèi)最長的雙線單洞鐵路隧道，該隧道地處龍門山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶構(gòu)成的“A”形斷塊中，靠近岷江斷裂帶。施工過程中，由于多段隧道出現(xiàn)嚴重大變形，通過開展隧址區(qū)域地質(zhì)再認識，總結(jié)形成本隧道具有“四極三高五復雜”的顯著特征[1]，即地形切割極為強裂，構(gòu)造條件極為復雜活躍，巖性條件極為軟弱破碎，汶川地震效應極為顯著；高地殼應力，高地震裂度，高地質(zhì)災害風險；復雜的構(gòu)造運動歷史、復雜的構(gòu)造形跡、復雜多變的復理巖建造、復雜的地應力環(huán)境、復雜的地下水條件。在施工過程中，除去常規(guī)的水地質(zhì)災害風險外，還出現(xiàn)圍巖嚴重變形、支護破壞、滲水、局部坍方、大面積二次擴挖等次生地質(zhì)災害，因此，對隧址區(qū)域地質(zhì)的特殊性開展再認識，對變形機理進行了研究，根據(jù)研究成果制定了控制大變形的具體措施，并在試驗段開展專項設(shè)計。

1 施工過程中出現(xiàn)圍巖變形導致工程危害分類

1.1 云屯堡隧道圍巖變形破壞分布及特點

自開工至2016年7月，陸續(xù)出現(xiàn)多處圍巖嚴重變形，支護及襯砌破壞現(xiàn)象?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，圍巖變形破壞主要分布在拱頂、拱腰及兩側(cè)邊墻，局部大變形嚴重洞段有底板鼓起等變形破壞跡象，變形破壞集中發(fā)生在1標3#、4#橫洞施工工點。具體位于3#橫洞工作區(qū)正洞的D5K218+790～D5K218+860段、4#橫洞工區(qū)救援站D5K222+356～D5K222+550段、4#橫洞及其與救援站平導交叉口段、4#橫洞HD4K0+175～HD4K0+004段，變形破壞形式表現(xiàn)為掌子面圍巖崩解坍塌、初支混凝土剝落掉塊、鋼拱架變形、底板隆起開裂、二襯開裂等多種變形破壞方式，其工程危害形式如下。

(1)掌子面圍巖崩解坍塌

掌子面開挖卸載后，在地應力作用下千枚巖層出現(xiàn)崩解溜坍現(xiàn)象，坍塌現(xiàn)象。

(2)混凝土噴護層剝落掉塊鋼架變形

由于圍巖變形荷載較大，直接作用于鋼拱架和噴混凝土層，導致鋼拱架產(chǎn)生變形、扭曲，噴射混凝土產(chǎn)生開裂剝落掉塊。

(3)襯砌開裂破壞

4#橫洞與隧道交差連接段、小里程方向滲漏水段，出現(xiàn)嚴重大變形，導致襯砌開裂破壞。

(4)底板隆起、開裂

4#橫洞左側(cè)平導與橫洞交叉口小里程方向進口附近，長約60 m范圍，救援站平道底板隆起、開裂、滲水。

1.2 破壞類型及原因分析

對云屯堡隧道的變形破壞跡象分析，其變形破壞類型可歸納為塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓以及碎裂松動等幾種破壞類型[2]。

(1)塑性擠出型

此類變形破壞在整座隧道中所占比例最大，尤其以4#橫洞工區(qū)橫洞HD4K0+004～HD4K0+040、正洞D5K222+375～D5K222+528、救援站PD1K222+232～PD1K222+659.5最為突出。導致出現(xiàn)圍巖嚴重大變形的原因，除地應力高，巖體破碎外，主要是該段地層圍巖千枚巖和炭質(zhì)千枚巖的含量較高；另一方面是由于隧頂?shù)陀诖笮諟系?，裂隙水豐富且滲水流量大，導致破碎的千枚巖軟化，巖體強度降低，圍巖在應力的作用下向洞室開挖臨空面產(chǎn)生塑性擠出，且持續(xù)變形時間較長。其次，由于現(xiàn)場嚴格按照安全步距管理，導致襯砌施工時，圍巖變形并未收斂。

(2)膨脹內(nèi)鼓型

圍巖變形導致噴射混凝土開裂，型鋼拱架內(nèi)鼓破壞現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在4#橫洞小里程方向D5K222+375～D5K222+400附近，4#橫洞HD4K0+004～HD4K0+040段。分析本段圍巖出現(xiàn)中等變形的原因，經(jīng)巖石取樣采用X射線衍射圖譜研究，各取樣點千枚巖含有一定量的伊利石類礦物，此類礦物雖然遠不如蒙脫石膨脹性強，但圍巖裂隙若出現(xiàn)滲漏水，亦會出現(xiàn)一定的變形，當預留變形量不足時，會導致噴射混凝土開裂，型鋼拱架變形。

(3)彎折內(nèi)鼓型

圍巖變形導致混凝土開裂，鋼筋扭曲變形、斷裂破壞現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在DK218+820附近。分析本段圍巖出現(xiàn)中等變形的原因，通過選取巖樣做聲發(fā)射推測的構(gòu)造地應力為14.8 MPa，采用區(qū)域地質(zhì)反演分析，其構(gòu)造地應力為12.6 MPa，分析圍巖巖性為砂巖千枚巖復層，千枚巖只占到12%，由此推測，在洞室開挖形成后，由于圍巖卸荷回彈和應力集中使洞壁處的切向壓力超過薄層狀巖層的抗彎折強度，從而引起圍巖的彎折內(nèi)鼓。

(4)碎裂松動型

圍壓變形導致具備出現(xiàn)噴射混凝土開裂掉塊，主要出現(xiàn)DK218+825～DK218+868段，分析其變形原因，除地應力較高外，隧道洞室穿越地層構(gòu)造復雜，褶皺發(fā)育，揉皺擠壓劇烈，導致巖體本身松散，自穩(wěn)能力有限。當碎裂狀巖體開挖后，巖塊沿結(jié)構(gòu)面滑移并形成松動圈，導致局部圍巖崩解坍塌。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)再認識

2.1 地層巖性

通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合設(shè)計鉆探，現(xiàn)場物探，巖樣測試等技術(shù)手段，確定本隧道均為三疊系地層，其中1、2橫洞工區(qū)為雜谷腦組砂巖、板巖、千枚巖、砂板巖與千枚巖互層；3～7橫洞工區(qū)為新都橋組和侏倭組千枚巖、砂巖地層，千枚巖與砂巖互層，千枚巖占比變化頻繁，巖質(zhì)軟。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于南北向岷江活動斷裂帶東側(cè)、東西向摩天嶺構(gòu)造帶西側(cè)、東北西南向龍門山斷裂帶北側(cè)區(qū)域。地處岷江活動斷裂帶被動盤上，基本與之平行，相距0.5～3.5 km，附近發(fā)育雪山、虎牙活動斷裂。洞身穿越1條斷層，17條褶皺，震區(qū)加速度0.3 g。

2.3 水文地質(zhì)

地表水主要為岷江水系，隧道布線于岷江與大姓構(gòu)之間，大姓溝長約50 km，至3#橫洞以后，隧道拱部低于大姓溝底。地下水為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水，構(gòu)造、褶皺核部地下水發(fā)育，估計涌水量50 000 m3/d，預測對3#、4#橫洞工區(qū)，4#橫洞工區(qū)洞內(nèi)救援站施工影響較大。

2.4 圍巖分級

圍巖分級以地質(zhì)調(diào)查、地層巖性、鉆探資料、物探成果為依據(jù)，同時結(jié)合隧道埋深和地形、構(gòu)造、地下水分布情況調(diào)整，最終確定的具體分級情況及段落劃分如下。見表1。

表1 現(xiàn)場核定的圍巖等級表

2.5 地應力

在初步設(shè)計階段，未測試隧止構(gòu)造地應力，施工期間在5、6橫之間開展一次深孔鉆探和地應力試驗，測得最大水平主應力15 MPa，最小水平主應力10 MPa，并選取代表性巖塊，在室內(nèi)開展聲發(fā)射試驗測定初始地應力，經(jīng)綜合分析，推測最大構(gòu)造主應力約為12 MPa，大致呈東西向。

3 圍巖變形預測與設(shè)計對策

隧道圍巖變形等級與地應力、巖體強度、地質(zhì)構(gòu)造影響程度、地下水發(fā)育特征、圍巖分級、巖石膨脹性等有關(guān)，在預測其變形等級時還需結(jié)合云屯堡隧道具體情況，周邊類似工程情況綜合考慮。

3.1 軟巖大變形分級

(1)根據(jù)圍巖強度與地應力比值大小，將軟巖大變形分為輕微、中等及嚴重三個等級，查閱相關(guān)文獻，其提供的劃分標準見表2[3]。

表2 大變形分級標準表

(2)圍巖強度采用巖石單軸飽和抗壓強度推測，查閱有關(guān)文獻，其提供的換算系數(shù)見表3[4，5]。

表3 地質(zhì)構(gòu)造對巖體強度影響程度表

3.2 變形預測

通過對隧道地質(zhì)、水紋條件的再認識，云屯堡隧道在施工期間出現(xiàn)多段圍巖大變形，是由隧道復雜的地質(zhì)構(gòu)造、較高的地應力、特殊的地層巖性、地下水綜合作用導致。據(jù)此預測正洞發(fā)生大變形概率較高的洞段段長2 040 m，其中中等變形洞段計8段共1 640 m，輕微變形洞段計4段共400 m，占全隧的18%，可能發(fā)生大變形洞段計26段長7 012 m，占全隧63%。正洞可能變形及大變形段全長9 052 m，占管段隧道總長的81%，多位于背、向斜核部、千枚巖占比較大的砂巖、千枚巖互層。而原施工設(shè)計圖確定的可能發(fā)生大變形洞長不足5 000 m，對該隧道的地質(zhì)特性認識不足。

4 設(shè)計原則與設(shè)計措施

4.1 設(shè)計原則

基于施工工程中出現(xiàn)的大變形工程危害類型，在對隧道地質(zhì)特殊性再認識的基礎(chǔ)上，制定設(shè)計原則如下。

(1)無變成長隧段

按雙線無砟道床一般復合式襯砌設(shè)計，考慮0.3 g震區(qū)，IV級圍巖采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(2)大變形段設(shè)計

①重新確定大變形洞段，隧道襯砌、支護、大變形的監(jiān)測不再采用施工圖施工，均采用預設(shè)計方案，并根據(jù)實際揭示的地質(zhì)情況進行動態(tài)調(diào)整，按照先試驗后推廣的原則進行施工。

②原施工圖確定的大變形段暫按新確定的大變形洞段施工措施予以調(diào)整。

③對可能發(fā)生大變形的段落，按相應圍巖等級一般襯砌結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，如發(fā)生大變形，根據(jù)變形等級進行相應處理。

4.2 具體對策措施

(1)變形控制對策

通過對隧道支護、襯砌的破壞調(diào)查、分析，在對隧道特殊地質(zhì)、構(gòu)造環(huán)境再認識的基礎(chǔ)上，通過多次專家論證后，提出的圍巖變形段隧道施工對策措施如下。

①進一步開展隧區(qū)圍巖地質(zhì)詳勘和再分析，增加區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應力測試點。

②根據(jù)詳勘地質(zhì)分析資料，組織召開專家論證會，重新核對圍巖變形等級。

③根據(jù)變形等級對支護形式與參數(shù)，洞型及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行專門設(shè)計。

④根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造情況，確定不同變形等級先導試驗段，驗證設(shè)計方案與施工工藝適應性，各變形等級的試驗段長不少于30 m。

⑤開展施工期間圍巖變形與支護和襯砌的內(nèi)力監(jiān)測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導施工和優(yōu)化支護設(shè)計。

(2)具體設(shè)計措施

與原施工圖設(shè)計相比較，試驗段專門設(shè)計增加了預留變形量，在邊墻及拱部設(shè)置中空錨桿，嚴重大變形在拱部設(shè)樹脂錨桿，加大了全環(huán)型鋼拱架型號，減小間距，襯砌主筋變更加粗至Φ22，嚴重大變形段仰拱加深，襯砌加厚至55 cm。

①輕微變形設(shè)計措施

輕微變形段隧道支護、襯砌的具體設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 輕微變形試驗段支護、襯砌參數(shù)表

②中等變形設(shè)計措施

中等變變形段隧道支護、襯砌的具體設(shè)計參數(shù)見表5。

表5 中等變形試驗段支護、襯砌參數(shù)表

③嚴重變形設(shè)計措施

嚴重變形段隧道支護、襯砌的具體設(shè)計參數(shù)見表6。

表6 嚴重變形試驗段支護、襯砌參數(shù)表

5 實施效果

自2016年8月按大變形專項設(shè)計方案開展先導試驗段以來，除4#橫洞小里程方向出現(xiàn)較大涌水，工作面出現(xiàn)坍方外，只有嚴重變形段的變形預留量進行了調(diào)整，試驗段專項設(shè)計基本可行，未出現(xiàn)支護破壞侵空，襯砌結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，檢測數(shù)據(jù)顯示，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，試驗段成果在全隧道推廣施工。

6 結(jié)束語

通過本項目的實踐與研究，軟巖大變形隧道的建設(shè)關(guān)鍵是控制圍巖變形，在高地應力環(huán)境，軟弱圍巖的變形是長期的，其變形控制研究自項目立項至運營維護，全過程均有必要開展研究、試驗、檢測、分析與安全評估。從本項目施工階段取得的研究成果分析，控制變形的關(guān)鍵技術(shù)是采用錨固主動防護，加上強度、剛度足夠的雙層支護，優(yōu)化洞形，增加襯砌厚度，在目前的管理體制下，是行之有效的。