羅勝利，丁文云

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650500）

1 引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展與完善，越來越多的隧道將不可避免地修建在復(fù)雜軟弱地質(zhì)環(huán)境中， 由此引起的隧道開挖變形已成為隧道建設(shè)工程中必須克服的工程難題[1-3]。軟弱復(fù)雜地層中隧道變形具有總量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，開挖過程中極易出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)變形過大、支護(hù)結(jié)構(gòu)損裂等病害，成為制約隧道安全、高效施工的痛點(diǎn)問題[4-5]。

本文以新建鐵路玉溪至磨憨線王崗山隧道出口段為工程背景， 分析了炭質(zhì)圍巖地層中三線大跨隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的變形特性。 針對(duì)隧道開挖過程中出現(xiàn)的洞內(nèi)變形過大，初襯發(fā)生裂縫等病害狀況， 提出了優(yōu)化的隧道支護(hù)設(shè)計(jì)及施工方案，研究成果以期為相應(yīng)工程實(shí)踐提供參考。

2 工程概況

新建鐵路玉溪至磨憨線王崗山隧道全長(zhǎng)13 508 m，為“一帶一路”標(biāo)志性工程中老鐵路的重要組成部分。 本隧位于墨江站—他郎河站區(qū)間， 進(jìn)口里程為D1K144+500， 出口里程為DK158+008，左右線線間距為4.2～5.118 m 隧道洞身最大埋深約520 m，最小埋深約2 m，洞身有2 處淺埋段。

隧道出口DK155+600～DK158+008 段測(cè)區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土。 下伏基巖為二疊系上統(tǒng)（P2）泥巖、砂巖夾炭質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、煤線；印支期侵入輝綠巖，其地層分布如圖1 所示。

圖1 王崗山隧道地層巖性分布

3 隧道出口段原支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

三線車站段洞身凈寬18.2～13.2 m， 洞身凈高9.71 m，開挖斷面面積達(dá)259 m2，屬于典型的扁擔(dān)形超大斷面結(jié)構(gòu)。 采用42 mm 注漿小導(dǎo)管（局部采用25 mm 砂漿錨桿）超前預(yù)加固圍巖，超前導(dǎo)管長(zhǎng)3.5～4 m、環(huán)向間距40～50 cm、縱向間距2 m或2.4 m、斜插角10°～15°、每環(huán)38～62 根。 加強(qiáng)支護(hù)采用格柵或工字形鋼拱架，支護(hù)部位分布在全環(huán)或拱墻處，縱向間距為0.6～1.2 m。 鋪掛8 mm 鋼筋網(wǎng)，根據(jù)施作部位及圍巖的不同，鋼筋網(wǎng)間距為20 cm×20 cm 或25 cm×25 cm，噴射混凝土厚度23～32 cm； 二次襯砌和仰拱均為C35 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚50～125 cm。 根據(jù)隧道圍巖分級(jí)的差異，不同里程處隧道支護(hù)參數(shù)稍有差異，具體支護(hù)參數(shù)如表1 所示。

表1 隧道洞身支護(hù)參數(shù)

3.2 洞內(nèi)變形情況

DK157+915～DK157+926 段初始設(shè)計(jì)增設(shè)單榀豎撐，施工過程中發(fā)現(xiàn)變形彎曲（見圖2），于是改為雙拼I25b 工字鋼豎撐， 在不施工的情況下暫時(shí)穩(wěn)定。 洞內(nèi)圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，DK157+926～DK157+914 段沉降速率為3.3～5 mm/d，日最大沉降值為4.8 mm， 日最大收斂值為3.2 mm。 累計(jì)沉降值為446 mm，累計(jì)收斂值為62 mm。

圖2 工字形鋼豎撐壓屈變形

正洞襯砌變形情況， 在DK157+926～DK157+938 段9#橫通道拱頂右側(cè)1 m 處出現(xiàn)一條長(zhǎng)約5.5 m 的裂縫，裂縫朝小里程洞頂中線方向發(fā)展，與仰拱呈60°夾角，縫寬約為1 cm，深20 cm， 觸摸無錯(cuò)臺(tái)； 在DK157+937.6 位置出現(xiàn)一條長(zhǎng)2.5 m的裂縫，縫寬4 mm，觸摸有明顯錯(cuò)臺(tái)，平行于環(huán)向施工縫朝拱頂發(fā)展。 DK157+938～DK157+926 段仰拱分兩次澆筑，施工縫里程為DK157+932， 在仰拱中線右側(cè)6 m 處仰拱填充出現(xiàn)一條長(zhǎng)3.1 m，寬3 mm 的裂縫，裂縫與仰拱中線呈約45°夾角，朝線路右側(cè)發(fā)展。 圖3 為隧道襯砌裂縫及滲漏水情況。

圖3 隧道襯砌裂縫及滲漏水

3.3 變形原因分析

綜合該段洞身地表基巖露頭、地表橫坡的連續(xù)性、洞內(nèi)外變形特征及開挖揭示巖性等分析， 洞內(nèi)外變形主要原因?yàn)椋和鯈徤剿淼莱隹诙温裆顪\，屬三線大跨段，隧道經(jīng)歷了多期次大規(guī)模構(gòu)造作用，斷裂構(gòu)造極其發(fā)育。 如圖4 所示，印支期侵入輝綠巖呈多股脈狀侵入沉積巖二疊系上統(tǒng)（P2）泥巖、砂巖夾炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)泥巖地層內(nèi)，侵入巖與沉積巖的相互穿插、交錯(cuò)，為混雜帶，巖體破碎，炭質(zhì)巖類軟弱、易滑，侵入接觸帶地下水發(fā)育，局部見少量滴狀或線狀滲水。 隧道掘進(jìn)過程中采用全斷面三臺(tái)階法開挖，掌子面處軟弱炭質(zhì)圍巖暴露時(shí)間過長(zhǎng)，遇水軟化，從而導(dǎo)致在隧道施工過程中洞內(nèi)初期支護(hù)變形嚴(yán)重。

圖4 掌子面處炭質(zhì)圍巖分布

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

鑒于正洞內(nèi)地層巖性較差，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形發(fā)展規(guī)律，為減小沉降開挖工法考慮減小分部開挖的斷面尺寸， 工法調(diào)整為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，以解決工序轉(zhuǎn)換鋼架沉降問題。 超前支護(hù)采用長(zhǎng)管棚形式控制拱頂沉降及防止拱頂塌方， 并根據(jù)裂縫特征檢核襯砌結(jié)構(gòu)安全。 如圖5 所示為調(diào)整后的隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

圖5 調(diào)整后隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

開挖工法從DK157+903 處開始調(diào)整為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，二襯結(jié)構(gòu)采用車站D 段復(fù)合襯砌， 根據(jù)檢算資料拱墻二次襯砌主筋采用雙肢鋼筋。 全環(huán)設(shè)置I25b 型鋼鋼架（或HW200×200型）加強(qiáng)支護(hù)，間距0.5～0.6 m。 超前支護(hù)采用89 mm 管棚，每根長(zhǎng)12 m，縱向間距9 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)62 根；拱部另設(shè)42 mm 小導(dǎo)管（外插角45°）超前支護(hù)，縱向間距2.0 m，每根長(zhǎng)3.5 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)62 根。 另外，鎖腳采用76 mm鎖腳鋼管，每處2 根，每根長(zhǎng)5 m。 臨時(shí)橫、豎撐采用22#工字形型鋼架進(jìn)行隧道加強(qiáng)支護(hù)。

4.2 優(yōu)化后隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

先前采用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱工法時(shí)相同圍巖情況下日最大沉降值為16.5 mm，日最大收斂值為9.05 mm，個(gè)別斷面累計(jì)沉降值達(dá)570 mm，累計(jì)收斂值為224 mm。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法后日最大沉降值降為7.1 mm， 日最大收斂值為14.14 mm。根據(jù)連續(xù)觀測(cè)結(jié)果，該段二襯裂縫發(fā)展已完全穩(wěn)定，且洞身防水層未被破壞，裂縫周邊未發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。 這表明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法后拱架變形、 扭曲程度較三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱時(shí)有較大轉(zhuǎn)變； 同時(shí)較強(qiáng)的支護(hù)參數(shù)確保了初期支護(hù)混凝土無明顯開裂，拱架無明顯變形，可滿足炭質(zhì)圍巖地層中大跨隧道變形控制要求。

5 結(jié)論

以新建鐵路玉溪至磨憨線王崗山隧道出口段為工程背景， 介紹了炭質(zhì)圍巖地層中三線大跨隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)大變形情況，分析了其產(chǎn)生原因及機(jī)制，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）王崗山隧道出口段埋深淺，屬三線大跨段，場(chǎng)地經(jīng)歷了多期次大規(guī)模構(gòu)造作用，斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，炭質(zhì)巖類軟弱、易滑，侵入接觸帶地下水發(fā)育，遇水軟化，導(dǎo)致在隧道施工過程中洞內(nèi)初期支護(hù)變形嚴(yán)重；

2）炭質(zhì)圍巖地層中大斷面隧道，采用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱工法進(jìn)行隧道開挖，圍巖暴露時(shí)間過長(zhǎng)、暴露范圍大，軟弱圍巖變形速率大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，使得初期支護(hù)開裂、拱架扭曲變形嚴(yán)重；

3）采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、大管棚和小導(dǎo)管綜合超前支護(hù)、二襯支護(hù)加強(qiáng)等措施后拱架變形、 扭曲程度較三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱時(shí)有較大轉(zhuǎn)變， 可有效解決炭質(zhì)圍巖隧道開挖大變形難題。