成蘭鐵路松潘隧道軟弱圍巖變形控制施工技術(shù)

李 明 （中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020年我國(guó)鐵路隧道總長(zhǎng)將達(dá)2萬公里左右，位居世界第一。由于我國(guó)幅員遼闊，西北、西南地區(qū)軟弱破碎圍巖分布很廣。近年來淺埋、軟弱圍巖隧道塌方、變形的事故時(shí)有發(fā)生，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)塌方事故占隧道事故的64%以上。因此，提高認(rèn)識(shí)、加強(qiáng)管理，提高軟弱破碎圍巖隧道施工水平，對(duì)保證隧道施工安全、按期完工是十分必要。本文結(jié)合成蘭鐵路所涉及到的一些軟巖及炭質(zhì)板巖隧道中出現(xiàn)的問題，提出軟弱圍巖隧道防塌方、防變形施工措施，為同類施工地質(zhì)條件下的隧道提供借鑒。

2 工程概況

松潘隧道位于松潘至川主寺區(qū)間，為單洞雙線隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速200km/h。進(jìn)口里程D3K239+630，出口里程D3K247+678，全長(zhǎng)8048m。線路設(shè)計(jì)為6‰～15‰單面上坡，軌面高程2837.433m～2922.473m。進(jìn)口接路基工程，出口接右所屯1號(hào)雙線大橋，埋深50m～270m。共分進(jìn)口工區(qū)、斜井工區(qū)、出口工區(qū)共三個(gè)工區(qū)組織施工。隧址位于岷江左岸，地處岷江活動(dòng)斷裂南段右側(cè)150～700m，位于岷江斷裂的下盤（被動(dòng)盤），地層巖性主要為三疊系（T3x）炭質(zhì)板巖夾板巖、砂巖，地層單一，受岷江斷裂構(gòu)造影響，小型褶曲發(fā)育,層間擠壓構(gòu)造突出，巖體破碎，次生小斷層及柔皺較發(fā)育，層理產(chǎn)狀變化較快。受岷江斷裂構(gòu)造影響，開挖揭示該段隧道巖性為板巖、炭質(zhì)板巖互層，局部夾石英巖脈，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，多數(shù)巖層陡傾，且走向與線路方向基本一致，局部段落褶曲發(fā)育，拱頂有掉塊現(xiàn)象，含裂隙水，圍巖整體穩(wěn)定性差。

3 松潘隧道軟巖大變形及破壞特征分析

①總變形量大。松潘隧道2012年12月21日開工，至今共發(fā)生變形侵限12次，拱腳累計(jì)最大變形726mm,如圖1所示。變形特征為：掌子面未擠出變形，隧底無隆起；變形較大點(diǎn)多位于靠山側(cè)拱腰部位；變形以水平收斂為主；中下臺(tái)階及仰拱施作時(shí)變形較大；地下水發(fā)育段變形大；仰拱施作后變形趨于穩(wěn)定；措施加強(qiáng)后變形速率基本能受到控制。

圖1 松潘隧道變形數(shù)據(jù)

②前期圍巖變形速率較大，后期變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（多發(fā)生在拱頂及靠山側(cè)邊墻位置），隧道開挖后即變形,變形速率較大、延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有明顯的流變特征。選取D3K244+262試驗(yàn)斷面圍巖位移時(shí)程曲線圖，如圖2所示。由圖2可知，D3K244+262斷面洞壁處左邊墻、拱頂處洞周位移較大，其它測(cè)點(diǎn)位置的洞周位移較小，左邊墻的最大位移為-22.7mm,發(fā)生在2014年12月21日，位移變化趨勢(shì)為先變大，后位移小幅度變化。拱頂?shù)淖畲笪灰茷?23.65mm，發(fā)生在2014年12月11日，位移變化趨勢(shì)為逐漸減小，后趨于穩(wěn)定，其中左邊墻變形速率平均2.1cm/d。

③壓力增長(zhǎng)快。圍巖壓力在很短的時(shí)間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸產(chǎn)生較大的圍巖壓力。選取D3K244+262試驗(yàn)斷面圍巖壓力時(shí)程曲線圖，如圖3所示。由圖可知，該斷面右邊墻圍巖壓力的最大值為0.572MPa，拱頂圍巖壓力出現(xiàn)了先增大后減小，最終又持續(xù)增大的情況。右邊墻在12月21日左右的時(shí)候出現(xiàn)了突變，之后基本呈線性變化，其他測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力變化速度減小，圍巖壓力繼續(xù)加大，未收斂。

④變形破壞形式多樣。變形破壞形式一般表現(xiàn)為噴射混凝土嚴(yán)重開裂、初期支護(hù)變形侵限、鋼架變形扭曲、拱頂?shù)魤K坍塌等，如圖4所示。

圖2 D3K244+262試驗(yàn)斷面圍巖位移時(shí)程曲線

圖3 D3K244+262試驗(yàn)斷面圍巖壓力時(shí)程曲線圖

圖4 初支變形情況

4 松潘隧道變形控制施工技術(shù)

本工程在總結(jié)多次侵限、換拱教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，從“保護(hù)圍巖、加固圍巖、提高圍巖自承能力”出發(fā)，通過“長(zhǎng)錨桿及后注漿為主的變形主動(dòng)控制體系”，控制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。施工階段按照“主動(dòng)控制”變形的理念，“加深地質(zhì)、強(qiáng)化錨桿、工法配套、優(yōu)化工藝”，充分體現(xiàn)“快”字，即快挖、快支、快錨、快封閉。

①開挖方法的選擇。三臺(tái)階預(yù)留核心土增設(shè)臨時(shí)仰拱施工工法開挖，增加炮孔數(shù)，減少爆破對(duì)圍巖擾動(dòng)。采用短進(jìn)尺、多循環(huán)的作業(yè)方式；仰供及時(shí)封閉成環(huán)、襯砌緊跟，上臺(tái)階長(zhǎng)度宜為5～7m，仰拱距下臺(tái)階不超過20m，二襯離掌子面距離控制在40～60m以內(nèi)。

②強(qiáng)化錨桿施工。大變形段應(yīng)強(qiáng)調(diào)錨桿施工效率及錨固力發(fā)揮的及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)加固圍巖，限制塑性區(qū)擴(kuò)展。關(guān)鍵工序?yàn)閮刹剑篴.合理選擇錨桿類型。因該隧道圍巖自穩(wěn)性較差，極破碎，錨桿鉆進(jìn)時(shí)易塌孔，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試采用長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿，變形得到有效控制；b.長(zhǎng)短結(jié)合，先短后長(zhǎng)。變形發(fā)展迅速的嚴(yán)重變形段，先利用短錨桿（≤4m）施作便捷快速的特點(diǎn)，用于初期變形控制，為長(zhǎng)錨桿創(chuàng)造施作時(shí)間。同時(shí)長(zhǎng)短交錯(cuò)結(jié)合形成群錨效應(yīng)。長(zhǎng)錨桿施工應(yīng)配備合理機(jī)械設(shè)備，例如鑿巖臺(tái)車或?qū)I(yè)錨桿機(jī)，8m長(zhǎng)錨桿施作時(shí)間應(yīng)控制在20min以內(nèi)。本隧道施工中原設(shè)計(jì)采用普通錨桿和自進(jìn)式錨桿效果對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 本隧道施工中原設(shè)計(jì)采用普通錨桿和自進(jìn)式錨桿效果對(duì)比

③強(qiáng)化鋼架施工。施工期間，發(fā)現(xiàn)H175型鋼施工段變形均明顯小于I20b型鋼鋼架施做段，說明H175型鋼鋼架在抑制變形方面具備優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，鋼架施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)各單元之間的連接，鋼架接頭上下部位采用型鋼等連接方式。

④優(yōu)化超前支護(hù)，施作范圍擴(kuò)展至邊墻。

⑤注漿加固圍巖。在變形至10cm以上時(shí)，適時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿，填充初支背后空隙，加固破壞圍巖。采用初支預(yù)留注漿孔或后設(shè)徑向鉆孔進(jìn)行,鉆孔深度5m。

⑥其他：?jiǎn)螌应?鋼筋網(wǎng)及噴射C30混凝土厚30cm；調(diào)整預(yù)留變形量由設(shè)計(jì)10～5cm變?yōu)?0cm。變形段圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)最大拱頂累計(jì)大于設(shè)計(jì)值，凈空收斂最大累計(jì)量為16cm，即提前采用加長(zhǎng)錨桿及徑向注漿加固。如變形不收斂，采取反壓土停止掘進(jìn)。

5 結(jié)論和建議

隧道是由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受荷載的結(jié)構(gòu)體，特別是軟巖隧道由于圍巖不穩(wěn)定造成其設(shè)計(jì)和施工更具有特殊性，其施工技術(shù)仍處于不斷深化認(rèn)識(shí)和工程實(shí)踐階段。成蘭鐵路松潘隧道遵循“保護(hù)圍巖、巖變我變，支護(hù)寧強(qiáng)勿弱，二襯及早跟進(jìn)”的原則，充分調(diào)動(dòng)圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形和松弛，取得了良好的施工效果，可為我國(guó)同類工程施工提供借鑒與參考。