蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形特征及施工控制

岳 英 武

(中鐵隧道集團有限公司，安徽 黃山 242700)

蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形特征及施工控制

岳 英 武

(中鐵隧道集團有限公司，安徽 黃山 242700)

以高地應力條件下蘭渝鐵路木寨嶺隧道為研究對象，簡要概述了其大變形的情況，并將其表現(xiàn)出來的大變形分成兩類：松散型大變形和擠壓型大變形，分析了引起木寨嶺隧道大變形的主要影響因素，總結了木寨嶺隧道施工過程中處理大變形積累的施工經驗，并提出了針對大變形控制的總體原則。

大變形，松散型，擠壓型，影響因素，施工控制

0 引言

到目前為止，國內外已經出現(xiàn)多起隧道工程發(fā)生圍巖大變形災害的實例，高地應力區(qū)隧道大變形是困擾隧道施工的重大難題之一。國內外比較典型的大變形隧道主要有國內的南昆鐵路家竹箐隧道、渝二線新蜀河隧道、烏鞘嶺隧道、G212線木寨嶺公路隧道，國外的陶恩(Tauern)隧道、阿爾貝格(Arlberg)隧道、都靈隧道、圣哥達隧道等。新建蘭渝鐵路木寨嶺隧道地處高地應力區(qū)，隧道開工后有多個斜井出現(xiàn)嚴重的大變形情況，大變形導致隧道拱墻出現(xiàn)拱架扭曲變形、底部隆起、噴混凝土大面積掉塊等典型的大變形破壞現(xiàn)象。本文以高地應力下木寨嶺隧道為研究對象，簡要概述了其大變形的情況，并對其進行分類，分析了引起木寨嶺隧道大變形的主要影響因素，總結了木寨嶺隧道各項專題試驗取得的成果和施工過程中處理大變形積累的施工經驗，可以為類似隧道工程的修建提供參考。

1 工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道位于西秦嶺中山區(qū)，隧道穿越主峰木寨嶺為漳河與洮河的分水嶺，橫跨漳縣、岷縣兩縣。左線進口里程為DK173+350，出口里程為DK192+375，全長19 025 m；右線進口里程為DyK173+350，出口里程DyK192+395，全長19 045 m。隧道最大埋深約600 m，最小埋深約40 m。

隧道洞身地層巖性復雜，主要為第四系全新統(tǒng)洪積細角(圓)礫土、粗角(圓)礫土、碎石土、下第三系礫巖、二疊系砂巖、礫巖、板巖及炭質板巖、石炭系下統(tǒng)砂巖、灰?guī)r、板巖、泥盆系上統(tǒng)砂巖、壓碎巖、斷層角礫等。隧道Ⅴ級圍巖7 500 m，占39.4%；Ⅳ級圍巖8 560 m，占45%；Ⅲ級圍巖2 960 m，占15.6%。其中軟巖段長度約為6 950 m。隧道穿越區(qū)域性大斷裂F2及次級斷裂F10，F(xiàn)11，F(xiàn)12，F(xiàn)13，F(xiàn)14，F(xiàn)14-1，F(xiàn)14-2，F(xiàn)15，F(xiàn)15-1，F(xiàn)16共11條斷層，還穿越背斜、向斜核部，特別是夾有炭質板巖軟巖夾層地段，節(jié)理裂隙、揉皺等地質構造現(xiàn)象發(fā)育，受構造影響巖體破碎或富含地下水，前期地質勘察預測最大涌水量為正常涌水量的3倍，最大水平地應力SH=16.8 MPa～27.5 MPa，巖石單軸飽和抗壓強度Rc=30 MPa～100 MPa，其強度應力比Rc/SH=1.1～5.7。

2 隧道大變形簡述

自2009年5月以來，蘭渝鐵路木寨嶺隧道2號、3號、5號、6號、7號斜井先后均出現(xiàn)了圍巖大變形的情況，變形主要體現(xiàn)為水平收斂變形，具有變形量較大，變形發(fā)展速度較快等特點。變形初期，混凝土表面出現(xiàn)開裂，并產生環(huán)向、縱向裂縫，同時出現(xiàn)支護結構內鼓，拱架扭曲等現(xiàn)象。

根據(jù)對2號、3號、5號、6號、7號斜井大變形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，5號鹿扎斜井最早發(fā)現(xiàn)有大變形情況，出現(xiàn)時間為2009年5月13日，主要表現(xiàn)為噴射混凝土表面開裂，為了防止變形進一步擴大，項目部立即采取了相關應急措施，之后變形趨于穩(wěn)定，取得了較好的效果，但累計變形值仍達到約440 mm；在斜1110～斜970、斜700～斜620范圍內，出現(xiàn)了變形量持續(xù)增大，初支噴射混凝土脫落，拱架扭曲等現(xiàn)象，部分地段由于變形速率大，最大達625.89 mm/d，累積變形量大，最大達963.86 mm，所以對該段進行了二次套拱和拆換拱的整治措施。6號大溝莊斜井大變形情況出現(xiàn)在2009年7月～8月間，該處隧道開挖時在掌子面先后2次出現(xiàn)股狀流水現(xiàn)象，在地下水的作用下，圍巖承載力會降低。因此，針對該段，采取了集中引流措施進行了處治，進入2009年12月份以來，斜790～斜630，斜320～斜110，大范圍出現(xiàn)大變形，其中在斜700～斜630，邊墻進行了換拱處理，其余大部分變形地段進行了注漿加固，二次套拱等措施才使得變形穩(wěn)定。7號大戰(zhàn)溝斜井是所有出現(xiàn)大變形隧道中，變形范圍最大、歷時最長的隧道，大變形出現(xiàn)于2009年5月，基本與5號井同期開始變形，直至8月中旬由于開挖面圍巖產狀的變化變形減緩，其變形范圍自洞口30 m附近開始近300 m長，變形處拱架內鼓，噴混凝土開裂，出現(xiàn)環(huán)、縱向裂縫，變形段大部分依靠施作二次套拱才有效控制了變形，從2009年10月到目前，變形一直較大，截止目前，大戰(zhàn)溝斜井累計完成開挖約980多米，其中變形段達到70%以上，堪稱全隧大變形之最；3號大坪有軌斜井大變形初期變形速率極大，最大日變形速率x約1.9 m/d，自2009年6月下旬以來，主、副井先后發(fā)生多次大變形，變形范圍30 m～70 m不等，變形段噴混凝土層大范圍開裂剝落，變形范圍均出現(xiàn)環(huán)、縱向裂縫，尤其是2009年8月22日，當時除水平收斂變形較大以外，其拱頂沉降及底板隆起也較為顯著，在已施工段，初支剛架底部出現(xiàn)向開挖面方向傾斜的現(xiàn)象，由于變形較大，導致噴射混凝土剝落，在初支表面出現(xiàn)了多條環(huán)向、縱向裂縫，同時局部拱架出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，底板隆起量最大約1 m，水平收斂、拱頂沉降最大累計分別為500 mm,300 mm，由于大變形，主井隧道斷面嚴重侵限，隨后進行了長達2.5個月的拆換拱處理，嚴重影響了工期和施工成本。在3號、5號、6號、7號斜井大變形數(shù)據(jù)中，累計變形大于150 mm的測點共377個，其中超200 mm的測點約占77%。

3 大變形類型

根據(jù)蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，其變形主要可以分為兩類：松散型大變形和擠壓型大變形。

1)松散型大變形。

松散型大變形典型曲線如圖1，圖2所示。其變形特點是：在掌子面開挖后的幾天時間內，變形持續(xù)增大，在采取相應支護措施后，變形速率才有所放緩，但是大約30 d～40 d時間后，變形出現(xiàn)突變的情況，且突變時產生變形量大。經過分析認為，在高地應力情況下，出現(xiàn)“跳躍式”增長的變形，這主要與隧道圍巖狀況有關，即軟弱圍巖所產生的松動圈，而非高地應力本身所對圍巖產生的擠壓型變形。之后，在出現(xiàn)這種“跳躍式”增長變形的隧道斷面，進行了實地調查，調查發(fā)現(xiàn)，在“跳躍式”變形出現(xiàn)前，當?shù)鼐薪涤臧l(fā)生，隧道支護結構所承受的荷載也由形變壓力向松散壓力轉變。在這種情況下，極容易出現(xiàn)坍塌，因此，對于松散型大變形，應該加大支護結構剛度和密貼性，同時在施工過程中加強監(jiān)測，避免類似大變形災害的發(fā)生。

2)擠壓型大變形。

擠壓型大變形典型曲線如圖3，圖4所示。其變形特點是：在掌子面開挖后的一段時間內，變形持續(xù)平緩增長，變形速率偶爾由于臺階施工的原因會有增大的現(xiàn)象，但變形最終趨于收斂穩(wěn)定。這主要是因為，在高地應力條件下，軟巖和破碎巖體的強度不足以承受由于隧道開挖而引起的應力集中，從而產生塑性剪切滑移，出現(xiàn)較大量級的圍巖變形現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅與圍巖本身力學性質相關，還與原始地應力及工程因素等有關。對于擠壓型變形，由于大變形侵限導致的初支破壞及拆換對工程安全影響極大，故在高地應力大變形地區(qū)應重點分析和研究此類變形對工程的影響。

4 大變形影響因素

1)地質條件。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形隧道開挖所揭示圍巖多為炭質板巖、板巖及壓碎巖等，巖體破碎，部分地段伴隨地下水出露、斷層帶等不良地質。匯總發(fā)生大變形斷面的地質資料可以得出以下規(guī)律：

a.圍巖主要是二疊系下統(tǒng)炭質板巖、中～薄層板巖或原巖為炭質板巖的壓碎巖以及斷層角礫巖，巖層破碎程度高，含泥質夾層，風化程度一般為弱～強風化，遇地下水變形發(fā)生程度趨于嚴重；

b.節(jié)理發(fā)育地段，具備兩組及以上的節(jié)理，且以密閉型節(jié)理和微張型節(jié)理為主，節(jié)理間距的變化范圍在3 cm～20 cm；

c.巖層產狀走向以NWN和NEN為主，角度富于變化，多與隧道走向夾角較小。

2)影響因素。

a.巖性。

該地段炭質板巖板狀構造，變晶結構，主要成分砂質、鈣質、炭質、鐵質等，含石英細粒，裂隙、節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化，微膨脹。炭質板易發(fā)生塑性變形，使作用在支護結構上的荷載增大，進而發(fā)生大變形。

b.支護參數(shù)。

從現(xiàn)場施工情況來看，在常規(guī)支護參數(shù)情況下，結構容易發(fā)生大變形，而當采用剛度較大的支護后，變形能得到有效控制，使變形放緩，部分由于變形持續(xù)發(fā)展達到極限值之后，在采取套拱或拆換拱架等措施后大多變形均能趨于穩(wěn)定。此外，木寨嶺隧道3號斜井在洞口下穿國道段采取了加強支護措施，在后期變形發(fā)展中變形相對較小，而毗鄰的非加強段則因支護強度不足最終導致侵限。

c.地下水。

地下水能使炭質板巖等巖體崩解，使其承載能力降低，進而導致在地下水豐富地段，圍巖變形速率和變形量值均較大。

d.施工工藝。

從施工情況和施工過程來看，初期支護的施工工藝是影響變形的重要因素之一，如在施工過程中，拱架安設平順度、連接牢固性、超欠挖情況、噴射混凝土工藝等均能影響到變形的發(fā)展。

5 大變形施工控制技術

5.1 總體原則

通過結合現(xiàn)場試驗結果、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及上述因素分析，總結蘭渝鐵路木寨嶺大變形隧道施工的經驗，可以針對大變形隧道提出以下總體原則：加強支護，及時封閉，初期支護一次到位，減少套拱，杜絕拆換，二次支護適時施作，最終達到安全、經濟、高效的變形控制目的。

5.2 施工基本要求

通過蘭渝鐵路木寨嶺隧道現(xiàn)場試驗，經總結分析及現(xiàn)場應用，對大變形段施工從工藝方面提出如下基本要求：

1)施工工藝。

a.優(yōu)化斷面曲率，結構形式統(tǒng)一采用圓形或近圓形。

b.變形段仰拱及鋪底施工禁止半幅施工，大坡度有軌斜井底部開挖及噴射混凝土施工宜采用臺階狀，以控制結構沿斜面產生滑移。

c.大變形發(fā)生后，必須及時進行臨時支撐，并在支撐加固后對兩側進行初支后回填注漿，以增大初支結構與地層的聯(lián)結力。

d.易產生較大變形段，在開挖時預留足夠變形量的同時，還要再預留二次支護空間，保證施工所需隧道凈空要求，預留量可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析后確定。

e.嚴格按照臺階法施工，開挖后應及時進行初噴，分級、適時施作深孔錨桿及二次套拱，施作時機及控制標準根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。

f.對變形段必須設初支仰拱剛架并與上部拱墻剛架封閉成環(huán)。

g.規(guī)范工藝控制，嚴格推行濕噴作業(yè)，并通過工序優(yōu)化、控制爆破等措施，避免混凝土質量受到影響，保證支護強度。

2)結構工藝方面。

a.初期支護一次到位，遇較大變形難以控制時，通過變形預留及量測反饋結果采用支護分層、分次施作，初期支護要能基本控制大部分變形，二次支護的目的則是控制變形不侵限。

b.加強鋼架縱向連接，提高初支結構整體承載能力，避免鋼架局部扭曲。

c.提高鋼架抗扭性能，用H型鋼替代工字鋼。

d.加強鋼架節(jié)點強度，螺栓連接強度不低于鋼架自身強度，采用鎖腳錨桿對鋼架接頭進行加固。

e.邊墻布置長錨桿，參考松動圈測試結果和現(xiàn)場試驗，錨桿長度以8 m～10 m為宜，但為了兼顧注漿加固功能，可安排2排～3排布置于兩側邊墻拱腰部位。

f.早高強噴射混凝土，利用早高強噴射混凝土初期強度發(fā)展快速的特征來控制隧道的變形速度。

5.3 變形控制技術

根據(jù)木寨嶺隧道現(xiàn)場試驗和施工實踐，結合科研分析及不斷總結，同時借鑒以往高地應力軟巖隧道施工經驗，并考慮到安全、經濟、有效性等因素，對于木寨嶺隧道變形控制建議如下：

1)變形控制原則：初期支護一次到位，杜絕拆換，二次支護適時施作。

2)從巖性、產狀等地質因素入手，確定變形控制措施。炭質板巖或板巖，層狀中～薄層，巖體破碎或褶皺明顯，巖層走向與隧道軸線夾角較小，伴隨地下水，當開挖揭示圍巖符合上述一種或多種以上地質特征時，采取相應變形控制措施。

3)將徑向注漿加固、噴層增厚、雙層連接筋、雙層網片、全環(huán)錨桿等措施納入變形控制長效措施，H型鋼剛架、深孔錨桿及早高強混凝土的應用作為變形控制主要措施。施工實踐表明，單一的控制措施難以有效控制變形發(fā)展，施工中應在實踐的基礎上，對以上措施進行優(yōu)化組合，合理應用。

4)采用分級控制方式，在預設計基礎上增加Ⅳ級軟巖地段，變形控制需分階段、有計劃、具針對性。將Ⅳ級圍巖巖性條件下，受斷層、地下水等因素影響變形難以控制地段，調整為Ⅳ級軟巖。Ⅳ，Ⅴ級軟巖地段在加強一次初支強度的基礎上，依據(jù)監(jiān)測信息反饋，確定變形控制標準，預留二次支護空間，分次、適時施作二次支護，以有效控制變形發(fā)展，保證凈空要求。其他大變形地段采取初支加強措施，確保初期支護一次到位。

5)加大二次襯砌厚度，有效控制后期變形。考慮到軟巖變形段變形的滯后性，為保證二襯能有效抵抗后期變形，在預設計基礎上加大二襯厚度5 cm，有效避免二襯強度不足、開裂等現(xiàn)象。

6)通過階段成果現(xiàn)場應用，根據(jù)圍巖巖性特征及變形控制標準確定對應的支護參數(shù)，結合現(xiàn)場會勘、地質素描及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析成果，及時優(yōu)化施工參數(shù)。對變形難以控制的地段，在施工中應采取“先強后優(yōu)化”的原則，確保施工安全，再通過監(jiān)測信息不斷優(yōu)化，以保證施工的連續(xù)性。

7)加強監(jiān)控量測，建立系統(tǒng)完善的監(jiān)測體系，監(jiān)測信息及時反饋，指導施工，優(yōu)化設計，真正做到信息化施工。

8)加強施工工藝控制，優(yōu)化施工工法。確定軟巖變形段施工工藝控制標準，組織工區(qū)技術及作業(yè)人員認真學習，建立考核制度，嚴格落實，將變形控制要求貫穿整個施工過程。同時，根據(jù)變形控制要求優(yōu)化開挖工法，合理利用臺階法等工法促進變形控制。

6 結語

綜合蘭渝鐵路木寨嶺隧道各項專題試驗取得的成果和施工過程中處理大變形積累的施工經驗提出以下建議：

1)對于松散型大變形，應該加強加大支護結構剛度和密貼性，同時在施工過程中加強監(jiān)測，避免類似大變形災害的發(fā)生。

2)對于擠壓型變形，由于大變形侵限導致的初支破壞及拆換對工程安全影響極大，故在高地應力大變形地區(qū)應重點分析和研究此類變形對工程的影響。

3)大變形控制總體原則宜為：加強支護，及時封閉，初期支護一次到位，減少套拱，杜絕拆換，二次支護適時施作，最終達到安全、經濟、高效的變形控制目標。

4)大變形的控制措施須具有針對性和層次性，其控制措施必須納入工序管理，嚴格執(zhí)行，建立長效機制。

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Muzhailing tunnel deformation characteristic and control of Lan-Yu railway

Yue Yingwu

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Huangshan242700,China)

Taking Muzhailing tunnel of Lan-Yu railway under high stress conditions as the research target, the article briefly introduces its deformation conditions, and classifies the deformation into loose-style deformation and squeezing-style deformation, analyzes major factors influencing Muzhailing tunnel deformation, summarizes Muzhailing tunnel deformation processing experience, and finally puts forward integral deformation controlling principles.

deformation, loose style, squeezing style, influential factor, construction control

2015-02-28

岳英武(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)14-0183-03

U455

A