楊河隧道的變形控制標準與支護措施的關系

靳寶成

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

楊河隧道的變形控制標準與支護措施的關系

靳寶成

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

楊河隧道地質構造復雜，洞身出現長段落炭質片巖，巖體自身強度弱、穩定性差，遇水化泥，極易坍塌。隧道掘進后，圍巖變形嚴重，導致初期支護鋼拱架扭曲、坍塌，安全控制及施工難度大。根據實測變形時態曲線和圍巖壓力時態曲線，應用蠕變模型反演了巖石流變參數，分析了隧道炭質片巖地段施工大變形的機理和特征;提出了炭質片巖分級標準對應的防治措施。研究取得了復雜炭質片巖條件下軟弱圍巖大變形控制技術突破，形成了復雜炭質片巖條件下控制隧道大變形的快速施工方法。

隧道;變形;支護

隨著我國公路、鐵路建設的不斷發展，隧道工程已向長大、深埋方向發展，隨之而來的穿越地質環境惡劣的工程不斷涌現，其中穿越軟弱地層一直是困擾建設者的重大難題之一［1］。以往軟巖的研究主要集中在對膨脹性軟巖、高應力軟巖以及節理化軟巖的力學機理方面，并且研究側重于基礎理論，而忽視了理論應用于實踐的最終環節——施工方面的研究［2］。因此，對軟巖條件下的支護形式及施工開挖方式有待做出明確深入的研究。

楊河隧道為襄渝二線重點控制工程之一，筆者從現場的變形監控量測數據著手，分析楊河隧道不同段落內的隧道變形形態以及特征，得出了變形控制標準與支護措施的關系，形成了成套控制炭質片巖軟巖大變形的施工技術。

1 工程概況

楊河隧道全長4 480 m，設計時速為160 km/h的單線隧道。除進口187.71 m位于半徑為5 000 m的曲線上外，其余地段均位于直線上;線路坡度除出口32 m位于平坡上外，其余地段均位于坡率為4.5‰的單面下坡上［3］，在 DZK 256+300 處設西河灣橫洞。洞身通過地層主要為志留系下統片巖，石英云母片巖、炭質片巖、云母片巖互層產出。施工過程中遇到的主要地質問題為:不同段落揭露的炭質片巖，洞內出水主要為基巖裂隙水，主要呈滴水或面狀滲水，水量雖然不大，但易造成圍巖軟化。

2 施工難點

楊河隧道在實際施工時，主要遇到了支護變形、襯砌裂縫及塌方等破壞形態，工程中的主要難點有以下幾個方面［4］:

1）地質條件極差，圍巖十分軟弱，圍巖多次受施工的擾動，變形較大，施工極為困難。

2）由于地層軟弱，原設計斷面形式的穩定性不易控制，支護結構整體變形很大，很難控制圍巖的變形及穩定。

3）支護對策以及支護參數較難確定。由于軟弱破碎圍巖受力機理復雜，以多種變形機理組合出現，因此要對不同的支護對策進行周密的分析對比，從中確定合理而有效的支護措施。同時，由于圍巖試驗參數的偏差，圍巖復雜的變形機理和隨時可能變化的地質情況都使相應的支護參數很難確定通用的方案，必須具體情況具體分析，不斷根據現場情況進行分析調整［5］。

4）由于開挖引起的時空效應明顯，必須選擇合理有效的開挖方式，將由于開挖而對圍巖引起的二次擾動降到最小，并確定合理的開挖進尺及步距。

5）隧道支護結構變形大是在施工過程中遇到的最主要的破壞形式，為此在施工過程中對隧道的變形需要進行大量的監控量測，并進行詳細的分析。

3 隧道變形控制技術

3.1 隧道圍巖變形特征

3.1.1 隧道變形形態

對隧道內初期變形較大的典型地段監控量測結果進行分析對比后可知，隧道產生較大水平收斂變形形態主要為初期變形較小、初期變形較大、初期變形大且有明顯流變性這3種方式（圖1）。

圖1 隧道的變形形態特征Fig.1 Deformation characteristics of tunnel

1）初期變形較小

初期變形相對較小〔圖1（a）〕，水平變形多數為20 cm左右，普遍小于50 cm，拱頂豎向變形小于水平變形，大約為15～20 cm，當仰拱封閉時，隧道變形趨于穩定（90%最大值），時間約為25 d左右，此種變形主要位于靠近隧道進出口地段，以及圍巖相對較好的呈透鏡體或薄夾層狀存在的石英云母片巖和云母片巖地層，典型斷面的水平收斂以及拱頂沉降變化時程曲線見圖2。

圖2 典型斷面（DZK256+105）的位移變化時程曲線Fig.2 Displacement-time curve of DZK256+105 section

2）初期變形較大

初期變形相對較大〔圖1（b）〕，水平變形多數為50 cm左右，普遍小于100 cm，拱頂豎向變形小于水平變形，大約為30～50 cm，當仰拱封閉一段時間后，隧道變形趨于穩定（90%最大值），時間大于30 d，此種變形主要位于洞身中部，呈互層狀存在的石英云母片巖和云母片巖地層。圖3為典型斷面的水平收斂以及拱頂沉降變化時程曲線。

圖3 典型斷面（DZK256+425）的位移變化時程曲線Fig.3 Displacement-time curve of DZK256+425 section

3）變形大，且有明顯流變性

變形很大，變形趨勢表現出明顯的流變特性〔圖1（c）〕，隧道水平變形在施工工序交替處均有明顯的變化以及流動變形，表現出兩次，甚至多次空間效應;最終變形值大于100 cm。圍巖變形穩定時間超過兩個月，隧道此種變形主要發生在呈厚層或帶狀分布于隧道洞身的炭質片巖夾石英云母片巖，受構造影響較嚴重的地段。圖4為斷面DZK256+585處的水平以及豎向變形時程曲線。

圖4 DZK256+585典型斷面的位移變化時程曲線Fig.4 Displacement-time curve of DZK256+585 section

3.1.2 隧道變形規律

經過對實測數據的分析及回歸，隧道變形同時存在以下特征和規律。

現場測試顯示，初期位移速率（日增量）與日進尺大小有較大的關聯性（圖5）。因此控制進尺是解決初期位移速率過大的有效手段。

圖5 位移速率與進尺關系Fig.5 Displacement rate-excavation footage curve

3.2 隧道變形控制標準與支護措施的關系分析

通過對隧道內圍巖的賦存形式、分布狀態以及圍巖變形形態及規律的分析，提出了楊河隧道初期支護的3級變形速率管理等級。各級變形管理標準見表1，圍巖變形處于一般變形范圍（I級）時可按正常進度進行施工;變形處于中等范圍（II級）時應及時施作二次襯砌或是加強支護;當變形較為嚴重（III級）時，施工應馬上停止，采取有效的防坍塌和加固措施。

以楊河隧道為例，針對不同的管理等級，選取了對應的支護措施。

表1 楊河隧道變形管理基準Table1 Deformation administration benchmark of Yanghe tunnel

3.2.1 一般變形控制地段

楊河隧道炭質片巖呈透鏡體或薄夾層狀存在地段，以及隧道進出口地段為一般變形控制地段。炭質片巖呈透鏡體或薄夾層狀存在于石英云母片巖和云母片巖中時，對圍巖的整體穩定性影響不大，通過降低圍巖級別、適當加強支護措施、縮短臺階長度等措施即可解決問題。針對Ⅳ、Ⅴ級圍巖的具體措施為:

1）對于Ⅳ級圍巖，聚丙烯纖維噴混凝土厚18 cm，拱部掛鋼筋網，拱墻設1榀/m的H125型鋼架，拱墻設系統錨桿，長2.5 m，間距1 m×1 m;二次襯砌采用C25混凝土，拱墻厚35 cm，仰拱厚40 cm。

2）對于Ⅴ級圍巖，聚丙烯纖維噴混凝土厚22 cm，全斷面掛鋼筋網，拱墻設1～1.5榀/m的格柵鋼架，拱部必要時設Φ42超前小導管注漿進行超前支護，小導管長3.5 m，間距30 cm;拱墻設系統錨桿，長3.0 m，間距1 m×1 m;二次襯砌采用C25混凝土或C30鋼筋混凝土，拱墻及仰拱厚40 cm。

現場施工效果表明，在采取以上工程措施以后，炭質片巖地段的變形和塌方得到控制，施工順利通過。

3.2.2 中等變形控制地段

楊河隧道圍巖多數以炭質片巖呈互層狀存在地段，以及隧道洞身中部的局部地段為中等變形控制地段。炭質片巖呈互層狀存在于石英云母片巖和云母片巖中，片理面有扭曲現象，節理發育，一般地下水較為發育，在地下水的作用下，炭質片巖易軟化變形，強度和穩定性降低，對圍巖的整體穩定性有較大影響。因此，當圍巖判定為Ⅴ級后，通過進一步的加強措施、超短臺階開挖、及時封閉、及早襯砌等措施來解決。

具體措施為:聚丙烯纖維噴混凝土厚22～25 cm，全斷面掛鋼筋網，拱墻設1.5～2榀/m的I 16或I 18型鋼鋼架，拱部設Φ42超前小導管注漿加固圍巖，小導管長3.5 m，間距30 cm;拱墻設系統錨桿，長3.0 m，間距1 m×1 m;有炭質片巖夾層側必要時采用小導管進行徑向注漿，以改善塑性區地層條件，小導管長4～5 m，間距1 m×1 m;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，拱墻及仰拱厚40～50 cm。

現場施工效果表明，炭質片巖呈互層狀存地段通過加強措施以后，圍巖變形和坍塌得到了有效控制，保證了施工的正常進行。

3.2.3 嚴重變形控制地段

此地段即為楊河隧道厚層狀或帶狀炭質片巖地段以及受構造影響較為嚴重的地段。分析可以看出，處于此地段的隧道變形是最為嚴重，并且由于圍巖表現出明顯的流變特性，因此能否有效地控制此地段的隧道變形是決定楊河隧道能否安全、順利完工的控制地段［6］。有鑒于此，對此種地段的變形控制提出了長錨桿加固、剛性支護以及分層加強支護3種支護方式（圖6）。

圖6 不同支護措施示意Fig.6 Schematic diagram of different supporting measures

1）長錨桿加固塑性圈〔圖6（a）〕的錨桿長度根據塑性區范圍及軟質片巖厚度分別設置為8～12 m不等，錨桿采用R32N自進式錨桿，間距為1～1.2 m，結合錨桿向圍巖中壓注水泥漿液。

2）剛性支護措施〔圖6（b）〕是在隧道開挖后采用噴混凝土封閉巖面，隨后及時施作模筑混凝土支護，模筑混凝土中設格柵鋼架，共同形成鋼筋混凝土的剛性支護結構，以抑止圍巖塑性變形。

3）雙層支護措施〔圖6（c）〕的支護結構形式為“第1層初期支護 +第2層加強支護+模筑襯砌”，第1層初期支護為噴、錨、網及鋼架組成的聯合柔性支護，在加固圍巖的同時允許部分釋放圍巖變形產生的能量;第2層支護為鋼格柵噴混凝土結構，以加強初期支護，進一步抑制圍巖變形，并為二次襯砌的安全施作提供條件［7］。模筑襯砌為C30鋼筋混凝土結構，在兩層支護加固后圍巖基本穩定的情況下施作。

以上3種支護方式都能有效的控制圍巖的變形，但是長錨桿加固塑性圈和剛性支護措施相比雙層支護措施存在著一些的缺點。長錨桿加固塑性圈施工難度大、周期長、工序干擾大、費用高;剛性支護不利于圍巖開挖后變形能量的瞬時釋放，導致結構承受較大的圍巖壓力，在地應力水平高、塑性變形大的情況下容易開裂。

雙層支護雖然也存在施工繁瑣的弊病，但是工序間的施工干擾小，并且楊河隧道前期軟巖地段內的支護措施以及施工證明，隧道采用一次支護來維護圍巖一般是難以成功的，因為它不適應隧道初期變形量大、變形速度快的特點。一次支護主要是加固圍巖，提高其殘余強度，使圍巖不產生過度膨脹和剪脹變形。二次支護要在圍巖變形穩定后適時完成，給隧道圍巖提供最終支護強度和剛度，以保持隧道較長時間的穩定性和安全儲備。并且實際施工時的監測數據也印證了這種支護方式能提供較高的支護效果。因此，綜合分析后提出楊河隧道厚層狀軟巖地段內的支護方式采用分層加強支護措施，施工方法采用三臺階開挖［8］，最大程度的減小圍巖臨空面面積，主要工序以及臺階長度、高度見圖7。

圖7 三臺階開挖法施工工序示意Fig.7 Schematic diagram of three-step tunneling method

圖8為典型斷面利用一次支護采用長臺階法施工，與二次支護（雙層支護）采用三臺階法施工時拱腳水平收斂與拱頂沉降時態變化曲線。

圖8 一次支護、長臺階法與二次支護、三臺階法施工位移變化對比Fig.8 Displacement change contrast curve between once supporting long step，twice supporting and three steps method

4 結論

通過對楊河隧道變形的監測、研究與分析，得到如下結論:

1）隧道開挖后出現具有流變特征的塑性變形，具有變形大、持續時間長，變形過程可分為阻尼、勻速變形和加速變形3個階段，水平位移大于拱頂下沉，變形難以收斂等4個特征。

2）施工工序是控制軟巖變形的關鍵環節，施工中應突出“快”字，嚴格貫徹“短開挖、強支護、早封閉、快成環”的原則，合理確定臺階長度和高度，及早形成環狀受力結構。地層極破碎地段可通過預留核心土、設臨時仰拱等措施來抑制圍巖變形。

3）炭質片巖分布具有較大的不確定性，難以準確查清其具體分段里程及流變特性，只能根據現場開挖過程中揭示的地質情況確定，結合動態調整進行優化設計。

（References）:

［1］ TZ 204—2008鐵路隧道工程施工技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

TZ 204—2008 Railway Tunnel Engineering Technology Guide for Construction［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2008.

［2］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010.

Wang Mengsu.Tunnel and Underground Engineering Technology in China［M］.Beijing:China Communications Press，2010.

［3］ TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

TB 10003—2005 Code for Design on Tunnel of Railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2005.

［4］ 黃雙林.襄渝二線炭質片巖隧道變形控制技術初步探討［J］.鐵道標準設計，2007（增刊1）:33-36.

Huang Shuanglin.Discussion on technology for deformation control ofcarbonaceous schisttunnelin second line ofXiangfan—Chongqing railway［J］.Railway Standard Design，2007（supp1）:33-36.

［5］ 關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2011.

Guan Baoshu，Zhao Yong.Construction Technique of Soft Rock Tunnel［M］.Beijing:China Communications Press，2011.

［6］ 鐵道部工程管理中心.烏鞘嶺特長鐵路隧道修建技術與工程管理［M］.成都:西南交通大學出版社，2009.

Ministry of Railways Engineering Management Center.Wushaoling Railway Tunnel Construction Technology and Project Management［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University Press，2009.

［7］ 關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2011.

Guan Baoshu.Tunnel Engineering Construction［M］.Beijing:China Communications Press，2011.

［8］ TB 10204—2002鐵路隧道施工規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

TB 10204—2002 Code for Construction on Tunnel of Railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2002.

Relationship between Deformation Control Standard and Supporting Measures of Yanghe Tunnel

Jin Baocheng
（China Railway First Survey ＆ Design Institute Group Co.Ltd.，Xi’an 710043，Shannxi，China）

Yanghe tunnel has the particularities of complex.Hole body of Yanghe tunnel appears long paragraphs carbonaceous schist，weak rock strength，poor stability and it is easy to melt into mud with water and vulnerable to collapse.Tunnel boring and serious deformation of surrounding rock result in severe deformation and collapse of initial supporting steel arch，which means that the security control and construction is of difficulty.According to the deformation time curve and time curve of surrounding rock pressure measured in field test，creep model inversion theological parameters are adopted，to analyze the mechanisms and characteristics of the tunnel carbonaceous schist lot of construction of large deformation.Control measures corresponding with carbonaceous schist grading standards are proposed，which is the technology breakthrough of deformation control of complex carbonaceous schist condition weak wall rock.Fast construction method for large deformation control of the tunnel under complex carbonaceous schist conditions is obtained.

tunnel;deformation;supporting

U455.4

A

1674-0696（2013）02-0224-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.12

2012-05-20;

2012-10-15

靳寶成（1976—），男，甘肅會寧人，高級工程師，主要從事隧道工程方面的工作。E-mail:jbcwlq@126.com。