王金剛

摘 要：以蘭渝鐵路同寨隧道為例，針對高地應(yīng)力，軟巖、大斷面隧道施工，分別從圍巖形態(tài)，工法特點分析圍巖變形規(guī)律。并從圍巖地質(zhì)狀態(tài)、圍巖物理特性、及圍巖損傷程度、圍巖應(yīng)力釋放過程，分析高地應(yīng)力軟巖變形機(jī)理。提出對高地應(yīng)力采取邊讓邊抗，前期以讓為主，中后期以抗為主的抗變形理念。合理預(yù)留變形量值、采取剛?cè)岵?jì)的初支結(jié)構(gòu)，基本上有效控制高地應(yīng)力軟巖大變形。

關(guān)鍵詞：同寨隧道；軟巖；大斷面；高地應(yīng)力；抗變形技術(shù)

1 引言

隨著我國鐵路大發(fā)展時代的到來，穿越復(fù)雜地質(zhì)山嶺客運(yùn)專線雙線大斷面隧道（單洞雙線大斷面鐵路隧道）數(shù)量增多。如新建蘭州至重慶段鐵路，線路跨越甘肅、陜西、四川及重慶全長873 km，其中同寨隧道位于甘肅省宕昌縣境內(nèi)，開挖揭示圍巖為碳質(zhì)板巖。該隧道經(jīng)專家勘察論證為高地應(yīng)力、高風(fēng)險隧道。施工易產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)破壞，初支結(jié)構(gòu)侵入二襯凈空，發(fā)生拆換拱現(xiàn)象，隧道施工安全質(zhì)量管理壓力巨大。本文通過分析大變形產(chǎn)生機(jī)理，采用控變、抗變相結(jié)合施工技術(shù)，有效解決了同寨隧道高地應(yīng)力大變形是施工難題，保證了施工安全和工程質(zhì)量，對同類隧道施工有借鑒意義。

2 工程概況

同寨隧道位于甘肅省宕昌縣境內(nèi)，進(jìn)口位于理川河左岸，出口位于油坊溝右臂，隧道全長8827m。地質(zhì)以三疊系下統(tǒng)板巖及碳質(zhì)板巖為主，巖體遇水易軟化，具有微膨脹性。隧道最大埋深為653m，為單洞雙線大斷面客貨共線隧道。施工采用三臺階預(yù)留核心土法開挖，初期支護(hù)參數(shù)為全環(huán)設(shè)置工20b型鋼鋼架，間距80cm/榀，襯砌采用鋼筋混凝土復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。監(jiān)控量測周邊收斂最大值為999mm，拱頂下沉最大累計值為540mm。初支開裂鋼拱架扭曲拆換拱現(xiàn)象時有發(fā)生。安全質(zhì)量管理壓力巨大。

3 隧道變形特征

3.1 變形量大速率高收斂周期長

隧道開挖支護(hù)后圍巖變形速率大，變形持續(xù)周期長且很難穩(wěn)定。以同寨隧道DK250+689斷面為例開挖支護(hù)后拱頂下沉發(fā)展速率最大達(dá)值30mm/d；最終累計沉降值達(dá)900mm呈現(xiàn)出變形發(fā)展速率快，累計值高且具有突變等特性。

3.2 變形具有空間異性

初支結(jié)構(gòu)隨著三臺階法開挖階段，其每個階段圍巖受力具有空間異性；初支變特點形點也隨三臺階法開挖各個階段表現(xiàn)不同，以下為圍巖開挖支護(hù)后變形實態(tài)曲線。

總體來講上臺階開挖后之后，初支變形以拱頂下沉為主，但該階段初支鋼拱架拱頂受力并不大。中臺階、下臺階開挖支護(hù)之后，鋼拱架閉合成環(huán)，鋼拱架應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。此階段圍巖變形以水平收斂為主，該階段為圍巖與初支結(jié)構(gòu)相互作用階段，圍巖應(yīng)力釋放，初支結(jié)構(gòu)變形開始整體發(fā)展，直至初支結(jié)構(gòu)與圍巖變形狀態(tài)相平衡，初支結(jié)構(gòu)變形速率穩(wěn)定。

3.3 存在偏壓現(xiàn)象

隧道開挖后受圍巖地質(zhì)構(gòu)造、圍巖走向、隧道左右側(cè)埋深存在較大差異等因素影響，隧道開挖后存在左右側(cè)變形不均勻和不對稱現(xiàn)象。為了更清楚掌控隧道偏壓對初支系統(tǒng)的影響，集團(tuán)公司科研組針對同寨隧道進(jìn)口進(jìn)行拱架內(nèi)力結(jié)果測試測試結(jié)果如下表。

從左右兩側(cè)受力看初期支護(hù)左側(cè)大于右側(cè)但由于量測數(shù)據(jù)較短，從內(nèi)力上不能進(jìn)一步驗證，結(jié)合隧道左側(cè)變形大于右側(cè)的情況可以說明右側(cè)受力小于左側(cè)。

3.4 圍巖蠕變現(xiàn)象突出

圍巖蠕變【1】過程可分為初始蠕變，等速蠕變和加速蠕變?nèi)齻€階段。在初始蠕變階段蠕變速率隨時間迅速遞減，巖體的變形速率較小。在初始蠕變末期巖體的蠕變速率趨于穩(wěn)定并逐步過渡到等速蠕變階段，在等速蠕變初期巖體內(nèi)部裂縫開始擴(kuò)展且蠕變速率增加直至巖體失穩(wěn)破壞。圍巖變形規(guī)律歸納為“前期漸變后期突變形”。如果能確定一個合理的支護(hù)時間，對圍巖采取二次補(bǔ)強(qiáng)則可以避免圍巖破壞或失穩(wěn)；現(xiàn)場可根據(jù)量測數(shù)據(jù)變形速率的變化趨勢來確定二次補(bǔ)強(qiáng)時機(jī)。

3.5 存在應(yīng)力集中現(xiàn)象

隧道三臺階法開挖支護(hù)，支護(hù)參數(shù)采用H175型鋼拱架間距80cm，系統(tǒng)支護(hù)采用拱墻網(wǎng)噴混凝土，打設(shè)4m長鋼架鎖腳錨桿。上臺階開挖支護(hù)后拱架腳板受鎖腳錨桿約束使得拱腳位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且應(yīng)力集中點產(chǎn)生的應(yīng)力超過拱架承受能力。導(dǎo)致拱架從拱腳部位置扭曲破壞，進(jìn)而與中臺階拱架未能有效連接影響整環(huán)初支鋼架的受力性能。

4 變形原因分析

4.1 地質(zhì)構(gòu)造

本工點范圍內(nèi)受青藏歹字型構(gòu)造影響嚴(yán)重，該構(gòu)造從晚古生代后期開始發(fā)育，三疊系末期構(gòu)造運(yùn)動形成基本格架燕山運(yùn)動及喜馬拉雅運(yùn)動時期活動達(dá)到了最高峰，而且至今活動十分強(qiáng)烈。受該地質(zhì)構(gòu)造影響工點范圍內(nèi)發(fā)育有5處褶皺3處斷層地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜多變，圍巖受其影響嚴(yán)重產(chǎn)狀扭曲紊亂，且成變余質(zhì)結(jié)構(gòu)，變質(zhì)程度較低，隧道開挖后圍巖自穩(wěn)能力差，變形發(fā)展較快。

4.2 圍巖物理特征

變形段開挖揭示圍巖為碳質(zhì)板巖【2】該圍巖屬于典型的軟巖。受節(jié)理裂隙的影響，隨著微裂隙的擴(kuò)張易產(chǎn)生整體滑移現(xiàn)象。水對碳質(zhì)板巖的抗壓強(qiáng)度影響很大；當(dāng)裂隙水進(jìn)入巖體內(nèi)部時，減弱了巖體顆粒之間的接觸效應(yīng)。水分對巖石內(nèi)部微裂隙有放大效應(yīng)，水對于碳質(zhì)板巖影響通過單軸抗壓強(qiáng)度值變化就可以反映出來。

表3 碳質(zhì)板巖物理性質(zhì)

4.3 施工工法特點影響

本隧道采用三臺階發(fā)開挖支護(hù)，圍巖初支結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)時間較長，至仰拱全環(huán)封閉成環(huán)共計30天，鋼拱架拱架腳部圍巖受開挖爆破震動影響產(chǎn)生多次擾動；在中臺階開挖至上臺階及下臺階開挖至中臺階過程中由于拱架腳部產(chǎn)生暴漏懸空易產(chǎn)生突變現(xiàn)象；這些均是由于自身工法因素產(chǎn)生的變形。

4.4 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部水的影響

軟弱圍巖富水段圍巖施工時，由于現(xiàn)有設(shè)計缺乏初支結(jié)構(gòu)排水措施，導(dǎo)致初支施工完成后地下水難以完全排出。在初支背部地下水積聚，地下水壓力增大且受地下水影響，該范圍內(nèi)圍巖進(jìn)一步軟化成流塑狀。圍巖松動區(qū)擴(kuò)展圍巖壓力增大。此過程極緩慢，量測數(shù)據(jù)顯示變形速率較小但很難收斂，圍巖初支結(jié)構(gòu)壓力逐步增大，最終導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)沿薄弱面破壞。

4.5 管理因素

大斷面隧道軟巖施工過程管理對隧道初支結(jié)構(gòu)抵抗圍巖變形極為關(guān)鍵，主要體現(xiàn)以下兩個方面：（1）初支開挖支護(hù)過程管理須嚴(yán)格按照設(shè)計技術(shù)參數(shù)及規(guī)范要求有效的完成每道工序作業(yè)，確保設(shè)計意圖實現(xiàn)。為后期二次補(bǔ)強(qiáng)奠定基礎(chǔ)，如拱架安設(shè)不平順、連接不牢固，超挖嚴(yán)重及錨桿施做長度不足等，均會對初支結(jié)構(gòu)抗變形產(chǎn)生極大影響。（2）圍巖抗變形措施制定考慮因素根據(jù)圍巖變形特性和量測數(shù)據(jù)情況各個階段制定特定的抗變形方案，且每個步驟現(xiàn)場落實情況均影響到圍巖變形曲線的走勢，與抗變形措施調(diào)整；所以現(xiàn)場施工管理水平對隧道抗變形顯得尤其重要。

綜上所述軟巖大斷面隧道大變形產(chǎn)生的原因是多方面的，地應(yīng)力較大，圍巖物理性質(zhì)差抗壓強(qiáng)度低，支護(hù)理念未能很好的適應(yīng)圍巖變形發(fā)展特點，設(shè)計參數(shù)不到位、現(xiàn)場施工工藝流程管控不力等均是誘發(fā)大變形的直接因素；

5 軟巖大變形控制措施

5.1 施做超前支護(hù)

眾所周知掌子面前方先行位移【3】的概念，可以用兩個量值表示，即掌子面處的先行位移值和掌子面前方發(fā)生先行位移值。先行位移實際上位移值是隨掌子面的推進(jìn)而發(fā)生的，位移的最大值在掌子面處，其值占總位移的20%。圍巖條件越差其值越大，在軟弱圍巖條件下，如不加以控制則會成為掌子面拱頂部分坍塌以及發(fā)生大變形的誘因。因此隧道超前支護(hù)措施顯得尤為重要，同寨隧道采用3m長Φ42注漿鋼花管，環(huán)向間距30cm，每兩榀拱架施做一環(huán)。小導(dǎo)管穿過鋼架腹板孔眼插入圍巖，將掌子面開挖后的荷載向前傳遞給掌子面前方的圍巖，向后傳遞給初支結(jié)構(gòu)。這樣大大減小了掌子面開挖之后的豎向位移，減小圍巖松弛。

5.2 開挖方式

隧道施工變形控制主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是對圍巖擾動到什么程度；另一個是支護(hù)效果發(fā)揮到什么程度；作為施工技術(shù)人員就是千方百計的將圍巖損傷降到最小程度；所謂圍巖損傷【4】是指在外載和外部環(huán)境作用下，由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的缺陷（如裂紋、微孔洞等）引起材料或結(jié)構(gòu)的劣化過程。隧道開挖過程為一卸載過程，也是圍巖二次損傷的過程；故選擇合適的開挖方式對保護(hù)圍巖至關(guān)重要，本隧道采用三臺階開挖方式，若用傳統(tǒng)鉆爆法施工將對圍巖產(chǎn)生多次損傷，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低，松動圈擴(kuò)大，圍巖自身損傷極大；本隧道根據(jù)重慶大學(xué)劉禮標(biāo)等在《爆破荷載下隧道圍巖的損傷分析中》提出爆破引起周邊圍巖損傷范圍為炮孔直徑7-10倍理論，主動減小爆破藥卷直徑采用Φ25藥卷間隔裝藥控制爆破。圍巖超欠挖得到較好控制，圍巖損傷范圍減小，圍巖自穩(wěn)能力得到加強(qiáng)，松動圈減小。其中斷層帶采用人工配合機(jī)械開挖，將開挖卸載過程中對圍巖的損傷降到最小，防止了圍巖的松馳，不僅較好的控制了超欠挖節(jié)約成本，更進(jìn)一步的減小了對圍巖的擾動，提高了圍巖自承能力，為抗變形提供了有利的條件。

5.3 提高支護(hù)系統(tǒng)剛度和穩(wěn)定性

隧道設(shè)計之初采用格柵拱架，拱架扭曲斷裂嚴(yán)重，剛度不足導(dǎo)致侵限變形經(jīng)常發(fā)生，施工后期鋼架采用H175@80cm，支護(hù)的剛度明顯增強(qiáng)，后期變形主要表現(xiàn)為鋼架局部扭曲。為了增強(qiáng)初支系統(tǒng)的穩(wěn)定性，鋼架腳部采用I16工子鋼滿焊連接，鋼架拱部和邊墻均采用C22螺紋鋼筋雙層連接大大增強(qiáng)了初支結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。每榀鋼架拱腳部向下15°打設(shè)4m長Φ42注漿鎖腳錨管兩根與鋼拱架用L型鋼筋焊接，一方面通過鎖腳錨管把集中在腳部的應(yīng)力傳遞到圍巖中，同時通過鎖腳錨管注漿提高了拱腳部圍巖的強(qiáng)度；通過鎖腳錨管更進(jìn)一步的抑制了鋼架向隧道內(nèi)部剪切變形，增強(qiáng)了初支結(jié)構(gòu)抵抗水平應(yīng)力的能力。由于此隧道開挖采用三臺階法施工工藝，當(dāng)中下臺階開挖時由于圍巖破碎經(jīng)常導(dǎo)致拱架腳部懸空現(xiàn)象發(fā)生，此時鎖腳錨管穩(wěn)固鋼架的效果尤為明顯。

5.4 薄弱環(huán)節(jié)補(bǔ)強(qiáng)

隧道因圍巖破碎故采用三臺階發(fā)開挖施工，在施工過程中臺階結(jié)合處由于初支施工縫及鋼架接頭位置連接質(zhì)量及臺階結(jié)合處圍巖擾動次數(shù)較多，鋼拱架腳部虛渣清理不徹底等各種因素影響，此處為全環(huán)初支系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。隧道變形發(fā)生往往以該處鋼架扭曲及失穩(wěn)為主導(dǎo)。從現(xiàn)場施工來看一方面對該部位采用注漿方式加固圍巖提高圍巖的自穩(wěn)能力，另一方面對初支系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)措施，在鋼架接頭位置補(bǔ)打4m長鎖腳錨桿進(jìn)行加固，加固后效果明顯臺階結(jié)合處無鼓包現(xiàn)象發(fā)生，成洞質(zhì)量顯著提高。

5.5 采取圍巖應(yīng)力控制釋放技術(shù)措施

同寨隧道受青藏歹字型構(gòu)造影響嚴(yán)重，局部段落揭示圍巖雖自身硬度較大但地應(yīng)力較高。一味的增強(qiáng)初支系統(tǒng)的剛度及強(qiáng)度不僅影響施工成本，而且抗變形效果不佳。有效的釋放地應(yīng)力，描繪圍巖的支護(hù)需求曲線【5】準(zhǔn)確的掌控支護(hù)時間及支護(hù)系統(tǒng)的柔度顯得尤為重要。隧道開挖后以控制釋放地應(yīng)力為主，首先對暴漏圍巖采初噴5cm厚C25噴射混凝土，與圍巖緊密黏貼形成一個共同的受力結(jié)構(gòu)體吸收圍巖變形，調(diào)節(jié)圍巖應(yīng)力分布。加強(qiáng)了巖體表面強(qiáng)度度，形成了已圍巖承載為主與噴射混凝土層相互作用的應(yīng)力釋放體系。在初支結(jié)構(gòu)方面為了阻止圍巖應(yīng)力釋放過程中變形壓力轉(zhuǎn)變變?yōu)樗蓜訅毫?，可增設(shè)可縮型U型鋼架【6】封閉成環(huán)；所謂可縮式鋼架即鋼架環(huán)向按一定間距（4m）設(shè)置20cm寬伸縮段，伸縮段采用摩擦型接頭，使鋼架既有一定的剛度，又具有抗變形能力并確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5.6 加強(qiáng)監(jiān)控量測指導(dǎo)施工

加強(qiáng)現(xiàn)場施工監(jiān)控量測、重視超前地質(zhì)預(yù)報是軟巖抗變形的重要環(huán)節(jié)，同寨隧道施工采用三臺階法施工，若用量測技術(shù)規(guī)程5條測線很難掌控隧道初支結(jié)構(gòu)變形實況。根據(jù)三臺階法功法特點準(zhǔn)確把控隧道變形規(guī)律將現(xiàn)有5條測線改成7條，上臺階拱架架設(shè)完成就埋設(shè)A測線，中下臺階到同一里程布設(shè)第B、C測線，并建立大變形報告制度，現(xiàn)場主要管理人員必須掌控大變形數(shù)據(jù)及發(fā)展態(tài)勢。

5.7 合理的確定預(yù)留變形量

根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時掌握圍巖變形情況，適時調(diào)整圍巖初支結(jié)構(gòu)預(yù)留變形量值。本隧道根據(jù)隧道量測數(shù)據(jù)顯示變形狀況三臺階施工特點制定不等值預(yù)變量值。本隧道兩側(cè)收斂變形值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂下沉值，且往往呈現(xiàn)出偏壓現(xiàn)象即左右圍巖壓力不同。為了更好的適應(yīng)隧道初支變形規(guī)律，更加科學(xué)的制定預(yù)留變形量值。本隧道預(yù)留變形量值時采用不等值預(yù)留變形量方法，即初支開挖斷面模擬變形后初支斷面，采用不等值預(yù)編量值上臺階預(yù)留50cm、中臺階40cm、下臺階30cm；再此基礎(chǔ)上通過調(diào)整隧道開挖輪廓線圓心位置等方法配合調(diào)整隧道預(yù)留變形量值，達(dá)到了初支開挖輪廓更好的適應(yīng)隧道初支結(jié)構(gòu)變形實況。

5.8 適時施做拱墻襯砌

同寨隧道二次襯砌采用50cm厚C35鋼筋混凝土，主筋為C22@20cm， C14@20cm。在大變形隧道施工過程中二襯作為抗變形的重要措施，按照現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》要求變形速率不大于0.2mm/d時才能施工拱墻襯砌。但對于同寨隧道軟巖變形量大，變形收斂周期長，為了滿足安全步距要求初支結(jié)構(gòu)變形速率不滿足二襯施工條件即要施做二次襯砌。圍巖未穩(wěn)定施做二襯，施工過早易造成襯砌混凝土開裂破壞，二襯施做不及時易造成初支結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞或侵入二襯凈空；根據(jù)同寨隧道抗變形實踐來看當(dāng)變形速率小于8mm/d時應(yīng)施做仰拱襯砌、變形速率小于5mm時應(yīng)施做50cm厚拱墻襯砌。嚴(yán)格控制二襯施工步距60m以內(nèi)可有效控制大變形的發(fā)展。

6 結(jié)論

同寨隧道屬于高風(fēng)險隧道，揭示圍巖為軟巖且受地質(zhì)構(gòu)造影響巖層地應(yīng)力較大屬于典型的高地應(yīng)力軟巖隧道，通過抗變-控變施工技術(shù)應(yīng)用，對地應(yīng)力邊放邊抗，以大剛度支護(hù)系統(tǒng)為主，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果對圍巖實時補(bǔ)強(qiáng)，使圍巖應(yīng)力有效的均勻分布于初支體系上，避免應(yīng)力集中，仰拱二襯適時跟進(jìn)施做，作為結(jié)構(gòu)安全儲備。有效的解決了困擾同寨隧道施工變形侵限問題?？傊叩貞?yīng)力軟巖抗變形必須根據(jù)具體隧道揭示圍巖實態(tài)和變形規(guī)律制定合理抗變形方案，才能控制隧道變形。如何有效的控制釋放高地應(yīng)力確保圍巖應(yīng)力釋放過程中不產(chǎn)生松動壓力為下一步研究重點。

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