陳換利

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

長沙至昆明客運專線炭質(zhì)板巖地段隧道設(shè)計初步研究

陳換利

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

長沙至昆明客運專線長沙至玉屏段炭質(zhì)板巖隧道較多，根據(jù)國內(nèi)已施工的項目反饋情況，炭質(zhì)板巖地段隧道變形巨大，給隧道施工帶來很大困難，而國內(nèi)高速鐵路大斷面隧道建設(shè)中還沒有遇到炭質(zhì)板巖地層，完全借鑒國內(nèi)已有的研究成果難以保證大斷面炭質(zhì)板巖隧道的施工安全，為保證隧道施工安全，通過調(diào)研、工程類比和理論計算對炭質(zhì)板巖地段隧道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究。通過研究確定了不同圍巖、不同地質(zhì)條件的隧道支護(hù)參數(shù)。

鐵路隧道;炭質(zhì)板巖;大變形;軟巖

1 概述

1.1 工程概況

長沙至昆明鐵路客運專線長沙至玉屏段東起湖南省省會長沙市，西至湖南省懷化市，途經(jīng)湘潭、婁底等城市，是鐵路中長期規(guī)劃中“四縱四橫”鐵路快速客運主要線路。本段線路全長415.126 km。新建隧道共122座，總延長192.577 km，隧道長度占線路長度的46.6%。全線大于10 km的特長隧道1座，最長隧道為雪峰山1號隧道，長11.670 km。全段隧道均為雙線隧道，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為時速350 km客運專線。根據(jù)已有勘測資料，該段炭質(zhì)板巖隧道14座，炭質(zhì)板巖地段總長度大于19 km，其中埋深大于100 m的段落長度10.355 km，部分隧道的預(yù)測涌水量很大。

1.2 工程地質(zhì)

長沙至昆明客運專線長沙至玉屏段沿線地層從新生界至元古界均有出露，僅缺失上志留統(tǒng)。雪峰山以東相對地形略緩，地層主要為古生界碎屑巖及炭酸鹽巖，基巖風(fēng)化層及第四系覆蓋層較厚，完整基巖出露較少;雪峰山區(qū)地形陡峭，地層主要為元古界淺變質(zhì)巖，基巖出露較好;雪峰山以西地形較陡，地層主要為元古界淺變質(zhì)巖及白堊系泥巖、砂巖等陸相碎屑巖地層，在河流階地及丘間谷地分布了新生界第四系松散堆積層。炭質(zhì)板巖主要分布在雪峰山及以西地段，主要分布地層為寒武系和奧陶系。

1.3 水文地質(zhì)

長沙至昆明客運專線長沙至玉屏段沿線經(jīng)過了湘、資、沅3個水系。沿線山間溪溝及次級小河流較發(fā)育，一般流程較短，流量受大氣降雨控制，因季節(jié)而變化，以蒸發(fā)、下滲和徑流等形式排泄。一般河水位受季節(jié)性降雨變化，雨季水流較大。大氣降水是地表水的主要補(bǔ)給來源，而地表水是地下水經(jīng)常性補(bǔ)給來源。沿線地下水主要為巖溶水、基巖裂隙水及第四系孔隙水三大基本類型。

2 對炭質(zhì)板巖的認(rèn)識

長沙至昆明客運專線長沙至玉屏段沿線分布的炭質(zhì)板巖主要為寒武系(∈)上、中、下統(tǒng)和奧陶系(O)上中統(tǒng)。炭質(zhì)板巖屬元古界淺變質(zhì)巖，由區(qū)域變質(zhì)作用形成，灰黑色，手摸極易污手，薄～中厚層狀為主，板狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、絹云母、綠泥石及炭質(zhì)物等，變淤泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，是變質(zhì)程度輕微的產(chǎn)物。原巖主要為泥質(zhì)巖(泥巖、頁巖)、粉砂巖及一部分中酸性凝灰?guī)r，重結(jié)晶作用不明顯。炭質(zhì)板巖質(zhì)硬性脆，受地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化剝蝕作用影響，極易破碎，工程性質(zhì)相對較差，埋深大時可能出現(xiàn)大變形。

已有的勘察資料和化驗報告［1-2］顯示，局部炭質(zhì)板巖具有膨脹性并具氯鹽侵蝕性。炭質(zhì)板巖巖質(zhì)較軟，易剝落掉快，工程物理力學(xué)性質(zhì)相對較差，在地應(yīng)力較高和地下水豐富的地段極易產(chǎn)生變形。通過對襄渝二線炭質(zhì)片巖隧道、G212線木寨嶺公路隧道、蘭渝鐵路木寨嶺隧道和云南省元-磨公路大風(fēng)埡口隧道［3］的調(diào)研，隧道在施工中發(fā)生了不同程度的圍巖變形、支護(hù)開裂和塌方，給隧道施工帶來了很大的困難。具體見表1。

表1 炭質(zhì)板巖(片巖)相關(guān)工程分析

長沙至昆明客運專線長玉段設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為時速350 km，隧道開挖斷面超過150 m2，炭質(zhì)板巖隧道埋深較大，地應(yīng)力較高，施工中極易發(fā)生大變形，風(fēng)險很高。

3 隧道支護(hù)設(shè)計參數(shù)擬定

3.1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)炭質(zhì)板巖的特性和調(diào)研情況，設(shè)計上采用新奧法設(shè)計原理［4］，擬定初步支護(hù)方案:采用“先讓后抗”、“先柔后剛”、“以支為主，以讓為輔，支讓結(jié)合”，采用既有足夠支撐力，又可縮的支架形式。開挖后及時支護(hù)，利用圍巖的自承能力，將圍巖的松動圈轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d拱。初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)同時加大預(yù)留變形量，并加強(qiáng)二次襯砌的強(qiáng)度。

(1)錨桿設(shè)計

在深埋軟弱圍巖隧道中，錨桿支護(hù)是控制圍巖變形、充分發(fā)揮和利用圍巖自承能力、保證隧道圍巖穩(wěn)定的重要支護(hù)措施之一。

炭質(zhì)板巖地段預(yù)計變形較大，為有效抑制變形，設(shè)計中采用加長錨桿，有效利用長錨桿的懸拉作用，減少圍巖松動圈的進(jìn)一步擴(kuò)大。同時加強(qiáng)錨桿的抗拉強(qiáng)度。設(shè)計上拱部采用φ25 mm×7 mm的中空錨桿，邊墻采用砂漿錨桿。對不同的圍巖和不同的工況，分別對不同錨桿長度進(jìn)行計算分析。以Ⅳ級圍巖為例，取錨桿的長度分別為3、4、5、6 m共4種情況進(jìn)行計算。不同長度錨桿支護(hù)時的錨桿軸力分布見圖1。

通過綜合分析，確定Ⅳ級圍巖錨桿長度為3.5 m。其他各級圍巖確定錨桿的長度，具體見表2。

表2 炭質(zhì)板巖地段錨桿長度

(2)初期支護(hù)

圖1 錨桿軸力分布(單位:kN)

初期支護(hù)是隧道圍巖壓力的主要承載體，強(qiáng)支護(hù)對抑制變形起著關(guān)鍵作用，設(shè)計時采用了“以抗為主”的設(shè)計理念，盡量避免發(fā)生變形后的再次加強(qiáng)，致使反復(fù)支護(hù)難以形成整體受力的局面。易變形的地段開挖后自穩(wěn)性較差，為有效抑制變形的發(fā)生和發(fā)展，設(shè)計上加大了初期支護(hù)厚度并將加強(qiáng)了鋼架的剛度。在確定錨桿長度后，對噴射混凝土厚度和拱架間距進(jìn)行組合，針對不同圍巖條件進(jìn)行計算分析。以Ⅳ級圍巖富水為例，分別取初期支護(hù)厚25 cm，型鋼采用I20a，間距取0.8 m和初期支護(hù)厚30 cm，型鋼采用I20a，間距0.8 m進(jìn)行計算分析，隧道周邊剪應(yīng)力分布見圖2。

圖2 典型工況下隧道周邊剪應(yīng)力分布(單位:kPa)

經(jīng)分析結(jié)合工程類比確定初期支護(hù)參數(shù)。具體見表3。

表3 炭質(zhì)板巖地段初期支護(hù)參數(shù)

(3)二次襯砌

圖3 二次襯砌內(nèi)力

在深埋軟弱圍巖隧道中，二次襯砌不僅僅作為強(qiáng)度安全儲備，也是主要承載體，為保證結(jié)構(gòu)安全并提供足夠的安全儲備，設(shè)計中考慮加強(qiáng)二次襯砌厚度和鋼筋密度。在擬定系統(tǒng)錨桿長度和初期支護(hù)厚度及鋼架類型及型號后，根據(jù)不同的圍巖等級和工況，進(jìn)一步取不同的二次襯砌邊墻及仰拱厚度，分析評價不同厚度條件下二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，并結(jié)合工程類比確定合理襯砌厚度。以Ⅴ級圍巖富水地段為例，在確定上述錨桿長度和初期支護(hù)后，二次襯砌邊墻厚度分別為55、60、65 cm共3種情況進(jìn)行計算，相應(yīng)的仰拱厚度分別取為65、70 cm和75 cm，分析評價不同厚度條件下二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，以確定合理的襯砌厚度。不同襯砌厚度條件下的軸力、剪力和彎矩云圖見圖3。

通過分析和工程類比，確定各級圍巖等級的二襯厚度見表4。

表4 炭質(zhì)板巖地段二次襯砌參數(shù)

(4)預(yù)留變形量

適當(dāng)加大預(yù)留變形量是控制變形的有效措施，既能有效發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)性，又能保證結(jié)構(gòu)的有效面積。通過分析掌握的資料，對隧道極限位移、位移控制標(biāo)準(zhǔn)以及預(yù)留變形量等進(jìn)行了研究分析，設(shè)計中根據(jù)不同的圍巖等級和富水情況加大了預(yù)留變形量。具體見表5。

表5 炭質(zhì)板巖地段預(yù)留變形量參數(shù)

(5)超前支護(hù)

加強(qiáng)超前支護(hù)是抑制變形的有效手段。通過采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)方式，超前加固圍巖以抑制圍巖變形。一般地段設(shè)計中采用φ42 mm小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，環(huán)向間距0.25～0.4 m，小導(dǎo)管長度3.5～4.0 m，縱向間距2.0～2.5 m并注雙液漿。對于淺埋、偏壓地段采用中管棚和大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。

3.2 工法選取

軟弱圍巖大變形隧道開挖方法的選擇，必須根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件、受力狀態(tài)、機(jī)械設(shè)備能力、施工安全等因素綜合考慮，施工工法選取遵循“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”原則進(jìn)行。根據(jù)搜集的資料，軟弱圍巖大變形隧道一般均采取臺階法開挖，詳見表6。

表6 典型軟弱圍巖大變形隧道施工工藝方法

經(jīng)研究最終擬定炭質(zhì)板巖地段隧道的開挖以微臺階法和分部開挖法為主:Ⅲ級圍巖地段以臺階法為主，Ⅳ級圍巖地段采用弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法，Ⅴ級圍巖地段以三臺階七步開挖法，部分地段根據(jù)地形和圍巖情況采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖方法。并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測情況可增設(shè)臨時仰拱，以有效地抑制變形。施工中應(yīng)嚴(yán)格控制施工步距，快速成環(huán)。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)350 km/h的客運專線大斷面隧道建設(shè)中還沒有遇到炭質(zhì)板巖地層，借鑒國內(nèi)已有的研究成果難以保證大斷面炭質(zhì)板巖隧道的施工安全，設(shè)計中只有通過調(diào)研、工程類比和理論計算進(jìn)行預(yù)設(shè)計，將初期支護(hù)、二次襯砌、超前支護(hù)和預(yù)留變形量加強(qiáng)加大，并合理選擇施工方法保證施工安全，通過現(xiàn)場施工的反饋情況做進(jìn)一步探索研究。

［1］ 中南大學(xué)土木建筑學(xué)院.長昆客專炭質(zhì)板巖隧道地層變形機(jī)理及變形控制措施研究報告［R］.長沙:中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，2010.

［2］ 茍彪，等.蜀河隧道炭質(zhì)片巖大變形控制技術(shù)研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2009(11):41-44.

［3］ 代偉，等.坪斜井軟巖大變形原因分析及施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010(4):170-172.

［4］ 李國良，朱永全.烏鞘嶺隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形控制技術(shù)［J］.鐵道工程學(xué)報，2008(3):54-59.

［5］ 高世軍.家竹箐隧道整治大變形的主要措施［J］.世界隧道，1998(1):52-56.

［6］ 張獻(xiàn)偉.木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖段大變形控制技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010，30(6):683-686.

［7］ 鐵道部基本建設(shè)總局.基技［1988］111號 鐵路隧道新奧法指南［S］.北京:中國鐵道出版社，1988.

［8］ 鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.雪峰山3號隧道工程地質(zhì)說明書等［R］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2010.

［9］ 鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.雪峰山3號隧道試驗報告等［R］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2010.

［10］許占良，等.長昆客專隧道專業(yè)初步設(shè)計專冊文件說明書［R］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2011.

［11］鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊(1999年修訂版)［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

Preliminary Research on Design of Tunnels Built in Carbonaceous Slate on Changsha-Kunming Passenger-dedicated Line

CHEN Huan-li
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

During the construction of Changsha-Kunming Passenger-dedicated Line，many tunnels had to be built in carbonaceous slate.According to the experience of other projects，large deformation often appeared in tunnels built in such surrounding rock that caused great trouble to the construction.On the other hand，the experience and theory at present are not enough to assure the safety of the construction because it is the first time to build high speed railway tunnels with such a large section in carbonaceous slate in China.In order to assure the safety of the construction，through methods of investigation，analogy and theoretical calculation，the research on support parameters of tunnels built in carbonaceous slate was carried out and the supporting parameters under different surrounding rock as well as different geological conditions were determined.

railway tunnel;carbonaceous slate;large deformation;soft rock

U452.2

A

1004-2954(2012)09-0089-04

2012-02-02

陳換利(1980—)，男，工程師，2003年畢業(yè)于長安大學(xué)隧道與地下工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:tsdichenhuanli@126.com。