長沙至昆明客運專線炭質板巖地段隧道設計初步研究

陳換利

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

長沙至昆明客運專線炭質板巖地段隧道設計初步研究

陳換利

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

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

鐵路隧道;炭質板巖;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，途經湘潭、婁底等城市，是鐵路中長期規劃中“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，設計標準為時速350 km客運專線。根據已有勘測資料，該段炭質板巖隧道14座，炭質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，部分隧道的預測涌水量很大。

1.2 工程地質

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。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，基巖風化層及第四系覆蓋層較厚，完整基巖出露較少;雪峰山區地形陡峭，地層主要為元古界淺變質巖，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

長沙至昆明客運專線長沙至玉屏段沿線經過了湘、資、沅3個水系。沿線山間溪溝及次級小河流較發育，一般流程較短，流量受大氣降雨控制，因季節而變化，以蒸發、下滲和徑流等形式排泄。一般河水位受季節性降雨變化，雨季水流較大。大氣降水是地表水的主要補給來源，而地表水是地下水經常性補給來源。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 對炭質板巖的認識

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

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

表1 炭質板巖(片巖)相關工程分析

長沙至昆明客運專線長玉段設計標準為時速350 km，隧道開挖斷面超過150 m2，炭質板巖隧道埋深較大，地應力較高，施工中極易發生大變形，風險很高。

3 隧道支護設計參數擬定

3.1 設計參數

根據炭質板巖的特性和調研情況，設計上采用新奧法設計原理［4］，擬定初步支護方案:采用“先讓后抗”、“先柔后剛”、“以支為主，以讓為輔，支讓結合”，采用既有足夠支撐力，又可縮的支架形式。開挖后及時支護，利用圍巖的自承能力，將圍巖的松動圈轉變為承載拱。初期支護采用錨噴支護同時加大預留變形量，并加強二次襯砌的強度。

(1)錨桿設計

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

炭質板巖地段預計變形較大，為有效抑制變形，設計中采用加長錨桿，有效利用長錨桿的懸拉作用，減少圍巖松動圈的進一步擴大。同時加強錨桿的抗拉強度。設計上拱部采用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種情況進行計算。不同長度錨桿支護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 炭質板巖地段錨桿長度

(2)初期支護

圖1 錨桿軸力分布(單位:kN)

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

圖2 典型工況下隧道周邊剪應力分布(單位:kPa)

經分析結合工程類比確定初期支護參數。具體見表3。

表3 炭質板巖地段初期支護參數

(3)二次襯砌

圖3 二次襯砌內力

在深埋軟弱圍巖隧道中，二次襯砌不僅僅作為強度安全儲備，也是主要承載體，為保證結構安全并提供足夠的安全儲備，設計中考慮加強二次襯砌厚度和鋼筋密度。在擬定系統錨桿長度和初期支護厚度及鋼架類型及型號后，根據不同的圍巖等級和工況，進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構的安全性，并結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后，二次襯砌邊墻厚度分別為55、60、65 cm共3種情況進行計算，相應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構的安全性，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 炭質板巖地段二次襯砌參數

(4)預留變形量

適當加大預留變形量是控制變形的有效措施，既能有效發揮圍巖的自穩性，又能保證結構的有效面積。通過分析掌握的資料，對隧道極限位移、位移控制標準以及預留變形量等進行了研究分析，設計中根據不同的圍巖等級和富水情況加大了預留變形量。具體見表5。

表5 炭質板巖地段預留變形量參數

(5)超前支護

加強超前支護是抑制變形的有效手段。通過采用超前小導管注漿支護方式，超前加固圍巖以抑制圍巖變形。一般地段設計中采用φ42 mm小導管進行超前支護，環向間距0.25～0.4 m，小導管長度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行超前支護。

3.2 工法選取

軟弱圍巖大變形隧道開挖方法的選擇，必須根據圍巖的地質條件、受力狀態、機械設備能力、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、強支護、快封閉”原則進行。根據搜集的資料，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

經研究最終擬定炭質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坑預留核心土法，Ⅴ級圍巖地段以三臺階七步開挖法，部分地段根據地形和圍巖情況采用雙側壁導坑法開挖方法。并根據現場監控量測情況可增設臨時仰拱，以有效地抑制變形。施工中應嚴格控制施工步距，快速成環。

4 結論

目前國內350 km/h的客運專線大斷面隧道建設中還沒有遇到炭質板巖地層，借鑒國內已有的研究成果難以保證大斷面炭質板巖隧道的施工安全，設計中只有通過調研、工程類比和理論計算進行預設計，將初期支護、二次襯砌、超前支護和預留變形量加強加大，并合理選擇施工方法保證施工安全，通過現場施工的反饋情況做進一步探索研究。

［1］ 中南大學土木建筑學院.長昆客專炭質板巖隧道地層變形機理及變形控制措施研究報告［R］.長沙:中南大學土木建筑學院，2010.

［2］ 茍彪，等.蜀河隧道炭質片巖大變形控制技術研究［J］.鐵道工程學報，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［J］.隧道建設，2010(4):170-172.

［4］ 李國良，朱永全.烏鞘嶺隧道高地應力軟弱圍巖大變形控制技術［J］.鐵道工程學報，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］ 張獻偉.木寨嶺隧道炭質板巖段大變形控制技術［J］.隧道建設，2010，30(6):683-686.

［7］ 鐵道部基本建設總局.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］ 鐵道第三勘察設計院集團有限公司.雪峰山3號隧道工程地質說明書等［R］.天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2010.

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

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

［11］鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊(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年畢業于長安大學隧道與地下工程專業，工學學士，E-mail:tsdichenhuanli@126.com。