哈達鋪隧道變形的成因分析及對策研究

李滿宏

(中鐵七局集團有限公司，河南鄭州 450016)

蘭渝鐵路蘭廣段隧道受地質構造影響，幾乎每個隧道施工都不同程度受困于圍巖變形困擾，嚴重影響施工中的安全和進度，加大了施工成本。各個隧道又由于開挖斷面、施工工藝和水平的不同，變形成因和處理辦法各有不同。本文通過實踐對控制哈達鋪隧道變形的難題得出一些結論，可為后續施工提供參考，并有待繼續研究和完善。

1 工程概況

1.1 工程總體概述

蘭渝鐵路哈達鋪隧道為穿越長江、黃河的分水嶺——麻子川的越嶺隧道，全長16.59 km，設計為兩座單線隧道，線間距40 m。為滿足全線工期要求，施工組織設計采用進、出口和5個斜井共7個主要工作面。控制段落為進口—阿塢1號斜井，區段長6 600 m。

1.2 地質巖性及構造

隧道洞身經過地層主要有2種：

第一種為第四系全新統沖洪積淤泥、淤泥質粉質黏土，粉質黏土，砂質黃土，中砂，洪積細(粗)角礫土，這種地層變形比較小。

第二種為下第三系砂巖、礫巖、泥巖及三疊系中統砂巖，板巖局部夾灰巖，板巖夾砂巖，主要分布在隧道里程DK220+496～DK226+000段。板巖主要以直立為主，基本平行于隧道走向，隧道變形主要發生在這種地層，尤其變形嚴重的為直立、薄層狀的板巖局部夾灰巖、板巖夾砂巖(T2ss+s1)。該段地層正好位于青藏“歹”字形構造體系之疏勒南山—日月山—尖扎山斷褶皺(合作—岷縣斷裂帶F3至舟曲—金廠—石峽斷裂帶F4)，形成大花溝背斜，核部里程為DK221+400。受2008年5.12汶川8.0級強烈地震影響，隧道圍巖與本條線勘測設計時相比，巖層更破碎，節理更發育，這從蘭渝鐵路蘭廣段(夏官營—廣元)隧道施工揭示也得到證明。

1.3 水文地質條件

隧道通過區地下水以潛水為主，分為嶺南、嶺北兩個大的水流系統，正好處于隧道里程DK220+485～DK226+000處，局部具有弱承壓性。但由于圍巖褶皺、斷層等影響，節理發育，使含水介質各向異性，使地下水的補給、徑流、排泄條件十分復雜，地下水無侵蝕性。隧道斷面形式(圖1)為鴨蛋形，高寬比為1∶0.82。

圖1 隧道斷面(單位：cm)

2 變形情況

圍巖初期變形速率快、持續時間長、累計變形大，造成噴射混凝土剝落掉塊、開裂。初期支護未能達到有效約束，導致邊墻收斂大，累計收斂變形達到520 mm，使某些區段隧道凈空侵限時有發生。變形范圍內支護出現環、縱向裂紋，甚至出現鋼架扭曲失穩，造成塌方，施工進度嚴重受阻。從開工以來，一般水平收斂在200 mm以上，日最大變形速率104 mm/d，開挖后15 d左右收斂變形速率變大的情況較多。

3 變形原因分析及對策

3.1 原勘測對圍巖的判定不準確導致的變形和塌方

由于勘測技術手段和技術的限制，加上地質體的復雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態、特性是十分困難的。全隧道原設計Ⅲ級圍巖有3 500 m，并且全部分布在進口—阿塢1號斜井(DK220+485—DK226+000)之間。但從施工解釋的情況看：目前根本沒有出現Ⅲ級圍巖，造成前期施工盲目樂觀，變形和塌方頻出。

對策：通過設計及時對圍巖級別進行調整。目前在已施工過的區段，基本上都調整成Ⅳ、Ⅴ圍巖。

3.2 原設計支護參數的支護強度不足導致變形和塌方

原設計Ⅳ級一般沒有拱架，Ⅳ級加強(Ⅳ為φ22 mm格柵，但施工后，格柵扭曲變形嚴重)，即使后來加強，采用Ⅰ16、Ⅰ18型鋼鋼架，仍然出現大量變形，侵入二次襯砌限界。

對策：經過與設計單位反復協商，并通過現場施工試驗段量測數據分析，最后確定主要采用Ⅵb支護參數，只是根據圍巖情況，將拱架間距調整為60～80 cm，有效避免了侵限換拱。

3.3 工程地質特點和隧道斷面特有形式共同作用造成收斂變形大

該隧道板巖傾角大部分基本垂直水平面或略帶傾斜，走向與線路夾角為9°～11°，經常出現薄層狀，節理發育，層間有軟弱夾層。根據巖體力學分析，開挖后水平收斂大，拱頂沉降小，如果巖層產狀正好向隧道內側傾斜，更容易造成單側收斂值偏大，造成侵限，嚴重的造成單側滑塌。哈達鋪進口初期的3次塌方基本上都是單側邊墻，洞頂則沒有出現。而蘭渝線為客貨共線鐵路，隧道要求雙層集裝箱通過，設計標準斷面為鴨蛋形6心圓，邊墻曲率較小，承受水平應力差，隧道進口左線4處風機加寬段，每段80 m，斷面比普通斷面大很多(Ⅳ級圍巖開挖斷面79.5 m2，風機段109.5 m2)。風機段曲率大，近似圓形，在相同支護參數下，由于要采用特殊的臺車襯砌，有些從開挖支護完成到襯砌完成歷時1年半，卻仍然保持穩定。而標準斷面卻在20 d內變形，侵限、失穩。

對策：①增大變形預留量，將原設計預留量從10～15 cm，先調整到30 cm，但部分邊墻仍有少量侵限；②改變隧道斷面形式，根據量測數據，拱頂沉降小，邊墻收斂大的特點，拱頂預留變形量調整為15 cm，變更邊墻曲率，這樣邊墻實際預留量達到60 cm；③根據實際揭示的圍巖節理走向，增加增長單側邊墻錨桿和注漿小導管、鎖腳錨管；④將原來設計的素混凝土變更為鋼筋混凝土；⑤再根據量測數據優化曲率，使邊墻實際預留量調整到35 cm，減少混凝土回填量。

3.4 工程地質特點和施工中不可避免的震動造成收斂變形

隧道板巖傾角大部分基本垂直水平面或略帶傾斜走向與線路夾角為9°～11°，薄層狀，節理發育，層間有軟弱夾層。這種圍巖爆破開挖后，拱頂圍巖層間沒有形成臨空面，但邊墻圍巖形成臨空面，層與層之間裂縫擴大，最內側初期支護剝落，造成超挖。初期支護后，松動圈內的外側圍巖層間在裂隙水的作用下不斷軟化，逐漸失去自穩能力，錨桿、錨管的抗拉能力也減弱，幾乎全部荷載都集中到拱架和噴射混凝土上。從邊墻塌方的情況揭示：根據圍巖的不同，松動圈寬度為50～150 cm，再往外側，因為沒有受到爆破的影響，層間填充致密，圍巖完好，不連續塌方，只要重新盡快噴混凝土封閉，然后重新立拱架支護，不會出現大的變形。

對策：①控制每循環進尺，減少對圍巖的擾動范圍，拱架間距60～80 cm，不得大于2榀進尺。②嚴格控制裝藥量，多打眼，少裝藥，邊墻范圍內的抵抗線大于拱頂的爆破抵抗線，邊墻周邊眼間距小于拱頂周邊眼間距(拱頂周邊眼抵抗線45 cm，周邊眼間距45 cm，邊墻為60 cm和35 cm)，這樣會造成邊墻少量欠挖；爆破后，圍巖層間已松動，通過機械修整滿足輪廓要求。③及時封閉，快支護，縮短水侵入和風化時間，防止剝落超挖進一步加重。④加長邊墻的錨桿和錨管長度，原設計的錨桿、錨管長度為3.0 m，變更為4.5 m，后又經過工程試驗，取消φ25 mm中空錨桿，采用φ42 mm錨管，以利注漿加固。

3.5 施工中注漿不到位不及時造成變形

通過以上設計和施工變更及優化，基本消除了換拱拆換，但仍有個別點和區段變形較大，初期支護開裂。經過認真分析認為：主要是中空錨桿注漿只能加固桿體周圍圍巖的強度，對改善圍巖整體承載力作用不大，錨管的注漿不到位、不飽滿，或者根本沒注漿，待量測發現已出現大的變形，才開始補注漿，這時初期支護圍巖已在裂隙水的作用下，成為粉末狀或泥狀，失去本身的強度和自穩力，無形中增大了初期支護的壓力。

對策：①取消φ25 mm中空錨桿，采用φ42 mm錨管，錨管上設置間距20 cm出漿孔，孔徑6～8 mm，梅花形布置。②每2個循環進尺3.2～3.6 m，無論變形與否，必須停止開挖，集中注漿，充填圍巖震動裂隙，提高圍巖自穩能力。③注漿時由技術人員旁站記錄，并編號注漿順序，防止出現漏注；做好注漿記錄(包括漿液配比，注漿順序，每孔注漿量，總注漿量等)，為后續相似圍巖提供數據參考，不斷優化，提高工效。

3.6 變形持續時間長有突變現象

通過對監控量測的分析，即使采取以上施工措施，哈達鋪隧道直立板巖變形很長時間也不收斂。并且表現在剛開挖支護完成3～5 d內變形較大，然后度過一段時間穩定期，20 d左右，收斂變形會增大，邊墻初期支護局部出現小裂紋，拱頂表面噴射混凝土有小的剝落和掉塊。

對策：①對局部進行復噴或二次注漿；②及時施工二次襯砌，根據目前的施工進度，襯砌距工作面的距離控制在70 m之內，基本保證了在20 d之內完成二次襯砌。

4 結論

通過設計、施工的不斷優化，積極采取工程實踐中總結出的控制措施，并加強現場施工技術管理和工序工藝的控制，經過近3年的探索和經驗總結，哈達鋪隧道變形基本在可控范圍內，施工也基本正常，最主要的是消除了拆換拱這種極高安全風險的作業。目前哈達鋪隧道關鍵線路進口—阿塢區段開挖還剩余2 800 m，前方施工地質情況千差萬別，工期壓力很大，仍需在以下幾個方面進行技術攻關：

①采取以上施工控制，每月單口掘進50～60 m，還要研究在保證每道工序工藝質量的情況下，提高工效，縮短工序時間，加快施工進度。

②鐵建設[2010]120號文要求仰拱每循環開挖進尺不得大于3 m，即使目前月掘進60 m，仰拱施工進度也制約前方掘進，是否可以采取其他加固措施加大循環進尺，也要通過施工總結后報有關部門修正。

參考文獻

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