王建興 / 中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司

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紅橋關(guān)隧道洞身段大變形變形破壞機(jī)理分析及控制技術(shù)

王建興 / 中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司

【摘 要】本文以紅橋關(guān)隧道D1K255+794.5～+756段出現(xiàn)的大變形變形破壞為基礎(chǔ)，從該段開挖揭示的地質(zhì)構(gòu)造、破壞前的施工參數(shù)等方面分析其變形破壞的機(jī)理和變形破壞后所采取的控制技術(shù)。通過現(xiàn)場實際施工總結(jié)出一套行之有效的控制技術(shù)，為以后類似的隧道工程施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】炭質(zhì)板巖；軟巖；大變形；處理措施

引言

近十年來，隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，穿越地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道和隧道施工過程中遇到的隧道大變形問題也越來越多，這給隧道的施工安全、掘進(jìn)效率帶來了極大的困難。針對大變形隧道各國學(xué)者開展了許多理論和試驗研究，并在施工過程中采取了相應(yīng)的控制技術(shù)措施，這些理論在一定程度上為大變形隧道工程建設(shè)提供了理論指導(dǎo)，但由于各地區(qū)工程地質(zhì)差異比較大，針對遇到的突發(fā)性、復(fù)雜難題也有所差異，針對性的開展隧道大變形課題的研究是十分重要的。

本文以新建鐵路成都至蘭州線紅橋關(guān)隧道D1K255+794.5～+756段出現(xiàn)的大變形變形破壞為基礎(chǔ)，對隧道大變形產(chǎn)生的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，并對其采取的控制技術(shù)措施進(jìn)行了總結(jié)，為以后的類似的隧道工程施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

1.工程概況及施工情況

1.1工程概況

新建鐵路成都至蘭州線CLZQ-13標(biāo)D2K255+305.335紅橋關(guān)隧道地處四川省阿壩州松潘縣川主寺鎮(zhèn)境內(nèi)，起訖里程D2K253+710～D1K256+890，其中有一段10.67m斷鏈，全長3169.33m，地面高程2950～3510m，最大埋深410m。紅橋關(guān)隧道設(shè)計時速200Km，預(yù)留時速250Km，為客貨共線雙線電氣化高速鐵路隧道，建成后將是西出通往蘭州歷史名城和國際旅游勝地九寨溝、黃龍旅游區(qū)唯一的高速鐵路通道。

紅橋關(guān)隧道位于岷江活動斷裂帶北段，歷史上曾發(fā)生過1748 年61/2級地震和1960年63/4級地震。隧址區(qū)地質(zhì)具有“四極三高”的顯著特點：地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、地震效應(yīng)極為顯著；高地應(yīng)力、高地震烈度、高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

1.2施工參數(shù)

紅橋關(guān)隧道D1K255+794.5～+756段預(yù)留變形量20cm，拱墻初期支護(hù)鋼架采用工16工字鋼，間距1.2m/榀；鋼筋網(wǎng)片采用HPB300Φ 6，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm；連接筋HRB400Φ 22鋼筋，環(huán)向間距1.0m；系統(tǒng)錨桿拱部采用3.5m長Φ 22組合中空錨桿，邊墻采用3.5m長Φ 22全長粘結(jié)型砂漿錨桿，間距1.2×1.2m（環(huán)×縱）；鎖腳錨管采用4m長Φ 42/t=3.5mm熱軋無縫鋼花管，每拱腳處大、小插角2根；超前支護(hù)采用Φ 42/t=3.5mm熱軋無縫鋼花管，每環(huán)根數(shù)30根，單根長3.5m；該段拱墻初期支護(hù)噴射C30耐腐混凝土，最小厚度23cm。

2.變形破壞情況及機(jī)理分析

2.1變形破壞情況

D1K255+794.5～+760段初期支護(hù)噴射混凝土出現(xiàn)開裂錯位、剝離掉塊；線路右側(cè)起拱線以上2m左右鋼架出現(xiàn)扭曲變形、局部呈“Z”字形；線路左側(cè)拱部初期支護(hù)拱墻侵入二襯限界，如圖1所示。

圖1　D1K255+794.5～+760段初期支護(hù)變形破壞情況

D1K255+760～+756段上臺階初期支護(hù)噴射混凝土出現(xiàn)開裂錯位、剝離掉塊；線路右側(cè)起拱線以上2m左右鋼架出現(xiàn)扭曲變形、局部呈“Z”字形，其中一榀鋼架斷裂，線路左側(cè)拱部初期支護(hù)拱墻侵入二襯限界，如圖2所示。

圖2　D1K255+760～+756段初期支護(hù)變形破壞情況

D1K255+794.5～+756段采用兩臺階法開挖，監(jiān)控量測采用無接觸式測量，測點布設(shè)于拱頂和邊墻腳以上1m范圍內(nèi)，拱頂下沉及邊墻收斂變形監(jiān)測速率小于5mm/d，拱頂下沉累積為8.35cm，邊墻收斂累積小于2cm，后輔以斷面掃描儀掃描初期支護(hù)斷面，斷面數(shù)據(jù)分析線路左側(cè)（進(jìn)洞右側(cè)）初期支護(hù)（主要集中在上臺階鋼架A單元）侵入二次襯砌限界5～15cm，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、隧道斷面掃描儀掃描數(shù)據(jù)以及初期支護(hù)的變形破壞形態(tài)模擬該段變形破壞特性示意圖，如圖3所示。

圖3　D1K255+794.5～+756段初期支護(hù)的變形破壞特性示意圖

2.2變形破壞機(jī)理分析

2.2.1地質(zhì)構(gòu)造方面。

紅橋關(guān)隧道D1K255+794.5～+756段屬于岷江活動斷裂北段，該段巖性主要為三疊系上統(tǒng)侏倭組灰黑色板巖、砂巖夾炭質(zhì)板巖，巖石強(qiáng)-弱風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，圍巖較破碎，巖層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀N35°E/46°NW，傾向線路左側(cè)（掌子面右側(cè)），傾角與線路交角約60°； D1K255+785～+783段、D1K255+760～+756段線路右側(cè)起拱線以上2m左右有少量裂隙滲水，與鋼架扭曲變形、鋼架斷裂及噴射混凝土開裂錯位、剝離掉塊嚴(yán)重部位基本吻合。

該段開挖揭示的地質(zhì)構(gòu)造，掌子面中部為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖，因受多期地震作用，巖體極為破碎，劈裂化效應(yīng)極為明顯，巖體強(qiáng)度較低；兩側(cè)為弱風(fēng)化砂巖夾炭質(zhì)板巖，巖體結(jié)構(gòu)完整性較好，巖體強(qiáng)度較高。如圖4所示。

圖4　D1K255+794.5～+756段掌子面開挖揭示的實際圍巖地質(zhì)構(gòu)造

由圖4可知，中部圍巖較差，兩側(cè)圍巖較好，地質(zhì)構(gòu)造以及地質(zhì)巖性分界較為明顯，圍巖地質(zhì)偏壓較為明顯，加之圍巖有少量裂隙滲水，加劇了中部強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖的惡化，開挖、初期支護(hù)施作后，地質(zhì)偏壓引起應(yīng)力偏壓、集中，應(yīng)力集中于中部初期支護(hù)體系上。

通過該段初期支護(hù)的變形破壞形態(tài)、測量數(shù)據(jù)綜合分析圖3和圖4可知，鋼架扭曲變形、鋼架斷裂及噴射混凝土開裂錯位、剝離掉塊嚴(yán)重部位與地質(zhì)不利構(gòu)造基本吻合。

2.2.2地應(yīng)力方面。

紅橋關(guān)隧道D1K255+794.5～+756段埋深約325m，巖體的自重應(yīng)力隨著埋深呈線性增長，巖體的自重應(yīng)力超過了巖體的彈性限度，在初始應(yīng)力狀態(tài)下巖體處于彈性狀態(tài)，開挖后圍巖的二次應(yīng)力分布，應(yīng)力狀態(tài)超過了巖體的強(qiáng)度，因巖體少量裂隙滲水惡化，使圍巖產(chǎn)生較大的塑性變形。

由于前期隧道施工過程中對地質(zhì)構(gòu)造以及地應(yīng)力的影響程度認(rèn)識不明，施工中采?、艏墖鷰r支護(hù)參數(shù)，鋼架采用的是工16工字鋼，間距1.2米/榀；系統(tǒng)錨桿拱部采用3.5m長Φ 22組合中空錨桿，邊墻采用3.5m長Φ 22全長粘結(jié)型砂漿錨桿，間距1.2×1.2m（環(huán)×縱）；噴射混凝土采用C30耐腐蝕混凝土，最小厚度23cm。

工16工字鋼承載力偏弱且間距過大，系統(tǒng)錨桿施作長度未達(dá)到巖體結(jié)構(gòu)完整、強(qiáng)度較高的巖體中，其支護(hù)效果不明顯。初期支護(hù)體系不足以承載開挖后作用于其上的圍巖二次分布應(yīng)力。

綜上分析可知：紅橋關(guān)隧道D1K255+794.5～+756段因多期地震作用導(dǎo)致圍巖極為破碎、巖質(zhì)較軟、地質(zhì)不利構(gòu)造導(dǎo)致應(yīng)力偏壓及集中、地下水軟化圍巖、地應(yīng)力和初期支護(hù)施工參數(shù)偏弱等綜合不利因素作用下，以圍巖松散性變形為主、擠壓性變形為輔的變形特性，導(dǎo)致了該段初期支護(hù)體系出現(xiàn)鋼架扭曲變形、鋼架斷裂及噴射混凝土開裂錯位、剝離掉塊等變形破壞。

3.變形破壞控制技術(shù)

3.1變形破壞加固控制技術(shù)

D1K255+794.5～+756段變形破壞后立即加設(shè)工20b工字鋼套拱，于既有初期支護(hù)鋼架間加設(shè)，間距1.2m/榀，如圖5所示；連接筋HRB400Φ 22鋼筋，環(huán)向間距1.0m；鎖腳錨管采用4.0m長Φ 42/t=3.5mm熱軋無縫鋼花管，于每鋼架單元拱腳處設(shè)置2根，外插角大、小下插角（20°和40°），每榀共8根；施作5m長Φ 42/t=3.5mm徑向鋼花管注漿加固，鋼花管間距1.2m×1.0m（縱×環(huán)），注漿采用1:1水泥凈漿，注漿壓力0.5～1.0MPa，固結(jié)洞周一定范圍的破碎巖體，使其具有一定的自承載能力和承載能力，如圖6所示；套拱噴射C30混凝土，厚度不小于15cm。

圖5　工20b工字鋼套拱

圖6　徑向鋼花管注漿加固

3.2變形監(jiān)測技術(shù)

（1）監(jiān)控量測點加密至3m布設(shè)一組，并于拱頂，鋼架A單元、B單元和C單元拱腳以上1m范圍內(nèi)分別布設(shè)，即由兩臺階開挖法布設(shè)兩條水平收斂測線增加為三條水平收斂測線。

（2）監(jiān)控量測采用絕對坐標(biāo)量測，并與洞內(nèi)控制點聯(lián)測，即獨(dú)立采集各測點的三維變形數(shù)據(jù)，對各測點X、Y、Z三個方向的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立分析。

（3）輔以隧道斷面掃描儀掃描各斷面數(shù)據(jù)，掃描斷面同監(jiān)控量測斷面，對未布設(shè)監(jiān)控量測點的斷面加密至1m一組。

市政工程，所有分組固定工人的組織，每個組在都有固定的施工工序，在工作方式上對重復(fù)性和銜接性有比較高的要求，這就需要在施工過程中不斷協(xié)調(diào)相關(guān)施工方案，根據(jù)實際運(yùn)行的實際情況及可能出現(xiàn)的問題和各方面的操作來進(jìn)行班組工作的銜接，必須保證工程的完整性和協(xié)調(diào)性，工作人員才能在質(zhì)量上不斷提升，在工作效率上不斷提高。

（4）監(jiān)測頻率：2次/天，待變形趨于穩(wěn)定后可1次/天。

通過上述變形監(jiān)測技術(shù)手段，可分析、得出初期支護(hù)體系的相對準(zhǔn)確的變形時態(tài)。經(jīng)監(jiān)控量測和斷面掃面儀的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、評價，加設(shè)套拱以及徑向注漿加固后3天內(nèi)的變形速率4～5mm/d；此后變形速率小于1mm/d；累積變形小于5cm。

3.3變形破壞侵限處理技術(shù)

待變形穩(wěn)定后，對初期支護(hù)變形破壞侵入二次襯砌限界的初期支護(hù)進(jìn)行拆除換拱處理。

（1）對D1K255+794.5～+780段已施作仰拱段，拆除矮邊墻以上部分拱墻既有初期支護(hù)，將既有工16工字鋼拆換為HW175型鋼鋼架，間距1.2m/榀；鋼筋網(wǎng)采用HPB300Φ 8鋼筋，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm，設(shè)置雙層；連接筋采用HRB400Φ 22鋼筋，環(huán)向間距0.5m/根；于A、B單元鋼架腳以上50cm范圍內(nèi)施作4根6m 長Φ 42/t=3.5mm鎖腳錨花管注漿，C單元（矮邊墻處）鋼架腳以上50cm范圍內(nèi)施作8根6m長Φ 42/t=3.5mm鎖腳錨花管注漿，外插角采用大、小下插角（20°和40°）每榀共12根；系統(tǒng)錨桿拱部采用4m長Φ 28自進(jìn)式錨桿注漿，邊墻采用8m長Φ 28自進(jìn)式錨桿注漿， 間距1.2m×1.2m（環(huán)×縱）；噴射C30耐腐蝕混凝土，拱墻厚度不小于27cm。

（2）D1K255+780～+756段未施作仰拱段，拆除拱墻既有初期支護(hù)，將既有工16工字鋼拆換為HW175型鋼鋼架且仰拱初期支護(hù)鋼架成環(huán)，間距0.8m/榀；鋼筋網(wǎng)采用HPB300Φ 8鋼筋，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm，設(shè)置單層；連接筋采用HRB400Φ 22鋼筋，環(huán)向間距1.0m/根；于A、B、C單元鋼架腳施作4根6m長Φ 42/ t=3.5mm鎖腳錨花管注漿，每榀共12根；系統(tǒng)錨桿拱部采用4m 長Φ 28自進(jìn)式錨桿注漿，邊墻采用8m長Φ 28自進(jìn)式錨桿注漿，間距1.2m×0.8m（環(huán)×縱）；初期支護(hù)噴射C30耐腐蝕混凝土，拱墻厚度不小于27cm，仰拱厚度不小于25cm。

（3）套拱及初期支護(hù)拆除采用人工輔助破碎頭拆除，且拆除一榀支護(hù)一榀。

（4）對D1K255+794.5～+780段已施作仰拱段，拆除時應(yīng)確保該段矮邊墻以上50cm范圍內(nèi)工16工字鋼鋼架不變形，采用破碎頭松動噴射混凝土后人工鑿除、清理， 清理后焊接與上部HW175型鋼鋼架同規(guī)格、尺寸的連接鋼板并確保焊接質(zhì)量，使之能與上部HW175型鋼鋼架連接鋼板密貼栓接。

（5）拆除過程中對原施作的系統(tǒng)錨桿和徑向注漿管進(jìn)行保護(hù)不切割，只拆除原施作的系統(tǒng)錨桿的墊板及螺母，待換拱后重新安裝墊板和螺母，使之能與換拱后的初期支護(hù)體系共同工作。

（6）監(jiān)控量測加密至3m布設(shè)一組，并于拱頂，鋼架A單元、B單元和C單元拱腳以上1m范圍內(nèi)分別布設(shè)，采用三條水平收斂測線且采用絕對坐標(biāo)量測，并輔以隧道斷面掃描儀掃面斷面，進(jìn)行綜合分析。

4 .變形破壞控制效果

調(diào)整、加強(qiáng)初期支護(hù)施工參數(shù)后，經(jīng)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和斷面掃描數(shù)據(jù)綜合分析、評價，該段初期支護(hù)體系安全、穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大的變形和噴射混凝土開裂、剝離掉塊以及鋼架扭曲等情況。

5.結(jié)論

通過紅橋關(guān)隧道D1K255+794.5～+756段大變形變形機(jī)理分析和變形破壞后的施工、實踐，得出如下結(jié)論：

（1）加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報綜合判釋。采用物探（TSP303、紅外探水）、鉆探（超前水平地質(zhì)鉆探、加深炮孔）和地質(zhì)法（開挖面地質(zhì)素描、地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查）等綜合評價，正確判釋前方地質(zhì)條件，為正確選擇開挖方法、支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計及施工方案提拱參考。

（2）加強(qiáng)監(jiān)控量測工作。結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報對地質(zhì)條件判釋，及時調(diào)整監(jiān)測斷面間距和監(jiān)測測線，測量時與洞內(nèi)控制點聯(lián)測且采用絕對坐標(biāo)監(jiān)測，獨(dú)立采集各測點的三維變形數(shù)據(jù)，對各測點X、Y、Z三個方向的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立分析；并結(jié)合隧道斷面掃描儀掃描數(shù)據(jù)對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)、開挖預(yù)留變形量。

（3）當(dāng)遇到不利地質(zhì)構(gòu)造時，應(yīng)采用徑向注漿或施作長錨桿，固結(jié)洞周破碎巖體使松動圈形成一個固結(jié)體，充分利用圍巖的自承能力。

（4）對圍巖極為破碎、巖質(zhì)較軟、地質(zhì)偏壓段應(yīng)采取“先強(qiáng)后優(yōu)化” “以抗為主”的原則，支護(hù)一次到位，利用強(qiáng)支護(hù)及時封閉圍巖，抑制松動圈擴(kuò)大，避免初期支護(hù)體系的變形破壞。

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