成蘭鐵路茂縣隧道大變形特征及施工技術

侯國強

(中鐵十七局集團第一工程有限公司， 山東 青島 266018)

0 引言

軟巖大變形一直以來都是制約隧道施工進度和結構安全的重大難題，常造成支護變形、侵限、開裂和大規模塌方等典型病害和災害[1-4]。研究隧道大變形特征和施工技術，對解決軟巖隧道大變形問題具有重要的意義。

很多學者結合工程案例，對上述問題進行了一定的研究。軟巖隧道變形通常與地應力、巖體強度、埋深和大變形形式等因素相關[5]，其變形具有變形量大、變形速率快和持續時間長等特點[6]。劉志強等[7]結合木寨嶺隧道科研試驗相關資料，得出擠壓性大變形存在兩側呈優勢變形方向的特點和“變而不塌，沒有突變”的結論；并結合數值計算，分析了“可讓式支護”的受力特性。對于軟巖隧道大變形問題，國內外主要遵循主動加固圍巖、合理消耗圍巖存儲能量、減小圍巖擾動等施工理念，逐步形成了斷面優化、長錨桿和多次支護等施工措施[8-10]。如蘭渝線兩水隧道、新城子隧道等以擠壓性大變形為主，最大變形達1.2 m，支護受力大，破壞嚴重；施工過程中采用三臺階預留核心土法，加強施工質量控制，并結合徑向注漿、斷面優化、長錨桿和鎖腳錨桿等措施，將變形控制在100～300 mm[11-12]。成蘭線隧道大變形分為松散型大變形、擠壓性大變形和應力作用下軟巖大變形3種，如柿子園隧道屬松散型大變形，其施工最大變形達560 mm，且監測曲線呈“上揚狀”，后采用臨時套拱、徑向注漿、長錨桿和非對稱預留變形量等手段，將變形量控制在80～120 mm，曲線線型呈“下彎狀”，變形逐步趨于穩定[13-14]。

綜上，一些學者已經對大變形的變形特征和施工技術進行了一定的研究，并總結出主動加固圍巖、主動釋放圍巖能量的治理理念和以長錨桿、預留變形量和徑向注漿為主的施工手段，但針對長錨桿施工質量對大變形的控制效果影響缺乏深入研究。同時，不同類型和地質條件下的大變形特征、處治措施也不相同。本文結合茂縣隧道穿越斷層帶的擠壓性大變形問題，摸索斜井和正洞段不同施工、地質條件下的變形特征和影響因素，分析正洞錨桿工藝改進手段及對變形控制和施工進度的影響，研究出茂縣隧道擠壓性大變形特征和施工技術，并明確了長錨桿及其施工質量對大變形控制效果的影響程度，以期對類似工程提供一定的借鑒。

1 工程背景

1.1 工程地質概述

茂縣隧道長9 913 m，位處成蘭鐵路茂縣車站—龍塘車站區間，地處構造剝蝕深切割高中山地貌，溝谷縱橫，地形起伏大，地表高程為1 575～3 278 m，相對高差1 703 m，自然坡度為15°～65°，局部陡壁，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，最大埋深1 656 m。進口段主要穿越炭質千枚巖夾灰巖、砂巖地層，隱伏茂縣1#背斜。中段主要穿越千枚巖、灰巖、砂巖、斷層角礫等地層。洞身穿越茂汶斷裂、九頂山斷層及牟托十里鋪背斜、木杷倒轉向斜、茂縣2#倒轉背斜。出口段主要穿越砂巖、泥灰巖、硅質巖、磷質灰巖、大理巖等地層。地下水以巖溶水、基巖裂隙水為主，水量豐富。受區域構造影響，全隧巖體破碎，節理裂隙發育，隧道縱斷面如圖1所示。進口段按雙線單洞合修、其余段落均按雙線分修形式設計，全隧按“2斜井+3平導”模式組織施工。

動態設計確認斜井XJ1K0+628～+042(對應埋深為320～650 m)、正洞D8K127+560～D8K128+200(對應埋深為410～645 m)為活動斷裂帶及擠壓性變形段落。擠壓性變形段落以千枚巖為主，活動斷裂帶以斷層角礫為主。最大水平主應力為27.51 MPa，圍巖抗壓強度為1.95 MPa，強度應力比為0.07，屬嚴重大變形段落。

圖1 茂縣隧道縱斷面

1.2 施工方案

1.2.1 大變形段施工原則

隧道施工應堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。施工過程中，采用短臺階-預留核心土法以減小開挖對圍巖的擾動，針對大變形段，采用“剛柔并濟”的理念，結合加強支護和改善圍巖等手段進行治理。同時，針對各部位圍巖狀態不一致的狀況，應根據實際情況選取支護參數。

1.2.1.1 隧道開挖及支護

隧道開挖應選取合適的機具、方法，開挖斷面應圓順，進尺不超過1榀鋼架間距且不大于1 m，預留合適的變形量，嚴格控制施工用水。

初期支護主要選取C30早強噴混凝土，根據不同變形程度，選取樹脂錨桿和自進式錨桿，長短交錯，局部施加預應力，拱架選取不低于I18的工字鋼和H型鋼。

1.2.1.2 輔助措施

采用小導管注漿進行超前支護，由于擠壓性大變形地段變形前較密實，注漿泵應保證一定的注漿壓力富余。

當變形達到15 cm且監測未顯示明顯減緩時，應采用徑向注漿，并設置孔口管，深度不小于5 m，活動斷裂帶和普通圍巖交界范圍加密變形縫。

1.2.1.3 監控量測

按照規范對正洞拱頂下沉、周邊收斂等的要求進行監測，及時反饋，根據監測結果判斷變形特征，及時調整支護參數。

1.2.1.4 不對稱變形控制

當開挖段圍巖完整程度不一致時，根據現場開挖揭示的圍巖層狀、破碎程度等采用不等長的錨桿。支護施作后，若發現變形過大，在該部位局部增設長錨桿，并對鋼架補打鎖腳錨桿。

1.2.2 施工工法

正洞大變形段落采用三臺階進行施工，施工步驟為： 超前支護、開挖并支護上臺階、預留核心土、設置鎖腳錨桿、系統錨桿—開挖并支護中臺階、設置鎖腳錨桿、系統錨桿—開挖并支護下臺階、設置鎖腳錨桿、系統錨桿—開挖并澆筑仰拱—施作仰拱填充層、矮邊墻—施作二次襯砌。各臺階長度盡量縮短為4～5 m，錨桿長8 m，間距為1.0 m×1.2 m，二次襯砌施作時機根據現場監測數據合理選取，原則上在初期支護變形基本穩定后施作。

圖2 三臺階開挖法橫斷面圖

2 斜井施工及變形分析

2.1 斜井施工

1#斜井施工中首先發生擠壓性大變形現象，現場隨即開展支護參數試驗，調整噴射混凝土等級和厚度、鋼架的類型與間距、系統錨桿的類型與參數等措施，按其參數不同可分為4個段落，各段落主要支護參數如表1所示。

上述4個段落均出現了混凝土開裂剝落、鋼架扭曲斷裂、底鼓以及錨桿斷裂失效等現象，變形超出預留變形值。支護結構破壞照片如圖3所示。

2.2 斜井變形分析

2.2.1 收斂變形分析

斜井水平收斂沿里程分布如圖4所示。可知： 水平收斂隨埋深和斷面尺寸的增加而增大。段落1采用原設計的雙車道無仰拱支護，最大收斂值為602.1 mm，平均值為328.8 mm；段落2雖然采取增設仰拱、增大型鋼型號、加長錨桿的措施，但由于接近汶茂破碎帶，圍巖變差，變形相應增加，最大收斂值為880.5 mm，平均值為416.4 mm；段落3為“模擬正洞”試驗段，斷面寬度增大約1.26倍，高度增大約1.54倍，斷面形狀更接近“瘦高型”，對抵抗以水平收斂為主的擠壓變形更為不利，最大收斂達到1 845.3 mm，平均值為961.1 mm；段落4與段落2隧道斷面尺寸相同，支護參數略有增強，但由于埋深明顯增大，變形量值也相應增加，最大收斂值為834.7 mm，平均值為607.9 mm。整體而言，變形受斷面形狀變化的影響最大，其次是圍巖變化和埋深改變。

表1 斜井主要支護參數表

段落2、3、4均設置了長錨桿，但仍出現大變形。結合現場灌漿技術交底資料和拉拔試驗可知，由于鉆孔用水量過大、清孔質量不合格、水灰比參數不合理和注漿工藝選取不當等，導致錨桿注漿不密實，致使大變形無法得到控制。

2.2.2 變形特征值分析

統計得到斜井變形特征值(水平收斂/拱頂沉降)分布如圖5所示。可知： 不同段落變形特征值分布較為均勻，變形特征值主要集中在1.5～4.5，表現出水平收斂大于拱頂沉降的特征，且69.9%的特征值>2，表現出單側水平位移大于拱頂沉降的特征。

(a) 混凝土剝落開裂

(b) 鋼架扭曲變形

(c) 底鼓

圖4 斜井水平收斂沿里程分布

圖5 斜井變形特征值分布圖

Fig. 5 Distribution of deformation characteristic values of inclined shaft

2.2.3 變形速率分析

斜井最大變形速率沿里程分布如圖6所示。可知： 段落1最大變形速率為41.5 mm/d，平均值為15.6 mm/d，段落2最大變形速率為30.2 mm/d，平均值為10.1 mm/d，兩者較接近，段落2的值略小于段落1，隨著段落2支護強度的增大，變形率有所降低。段落3最大變形速率為118.7 mm/d，平均值為60.8 mm/d，段落4最大變形速率為117.6 mm/d，平均值為59.5 mm/d，兩者較為接近，表明變形速率受開挖斷面尺寸和埋深的影響最為明顯。

圖6 斜井最大變形速率沿里程分布

Fig. 6 Distribution of maximum deformation rates of inclined shaft

2.2.4 斜井變形時程曲線分析

各個段落的典型變形時程曲線如圖7所示。從時程曲線上看，變形與軟弱圍巖較強的流變特性以及支護結構剛度密切相關，具有以下幾方面特征： 1)變形持續時間長，二次襯砌施作3.5年后，變形仍未收斂； 2)部分斷面變形呈跳躍型增長，跳躍點相對而言均較為滯后，出現在開挖1年甚至2年之后，部分斷面變形呈現持續緩慢增長的狀態； 3)前期變形速率大，后期增長緩慢，在開挖或出現跳躍后一段時間，變形呈直線上升趨勢，然后逐漸趨于平緩。

(a) 段落1 (XJ1K0+535)

(b) 段落2(XJ1K0+375)

(c) 段落3(XJ1K0+220)

(d) 段落4(XJ1K0+150)

Fig. 7 Typical time-history curves of deformation of inclined shaft

3 正洞施工及變形分析

3.1 正洞施工參數

正洞動態設計左右洞D8K127+775～D8K128+010段為嚴重變形地段。該地段穿越汶茂斷層破碎帶及千枚巖，設計為活動斷裂帶大變形Ⅲ型襯砌，圓形斷面，雙層初期支護分次施作，主要支護參數如表2所示。

表2 正洞主要支護參數表

3.2 錨桿工藝改進

左洞最先施工，施工后變形仍未得到有效控制。其錨桿機具選取及性能要求如表3所示。

表3大變形機具選取及性能要求

Table 3 Selection and performance requirements of large deformation tools

機械類型性能要求或適用條件液壓鉆機鉆孔深度大于100 m,可多角度鉆進,鉆孔注漿一體錨桿鉆機 可實現小斷面(3.5 m)360°鉆孔注漿一體,可施作普通錨桿和自進式錨桿

因此，著重針對錨桿施工工藝進行調整。主要有以下幾個方面：

1)控制鉆孔用水量，改造鉆頭適當減小出水孔的尺寸。

2)清孔，鉆孔完成后將孔內碎渣利用高壓風清除干凈。

3)控制P·O單液漿漿液水灰比，水灰比控制在0.38～0.4，保證千枚巖中漿液的結石率，從而使注漿飽滿，適當加入減水劑以增加流動度。

4)雙球閥注漿，防止注漿完畢撤銷注漿管時漿液回流，向上錨桿必須采用桿體外注漿工藝。

5)因植入式中空錨桿的錨頭提供的臨時錨固力和孔口封堵阻力有限，故采用工作壓力小、波動幅度低的擠壓式注漿泵進行注漿。

6)注漿壓力不超過0.5 MPa，當壓力達到1.0 MPa后暫停一定時間后再注漿，待壓力達到1.5 MPa后停止注漿。若其他部位出現漏漿，則暫停15 s后再繼續注漿。

7)錨桿在初噴之后施作，若受作業面限制無法施作長錨桿，先施作樹脂短錨桿，中空錨桿灌漿在錨桿插入鉆孔后3 h內進行。

8)錨桿施工按4～5 m段落范圍批量施作，掌子面錨桿和系統錨桿在互不干擾的情況下，利用錨桿臺車和潛孔鉆相結合的方式平行施工。

其中，雙球閥注漿為工藝核心，施工重點為：

1)待中空孔和排氣管連續股狀返漿后方可關閉回漿球閥；

2)待管桿跳動，關閉灌漿注漿管球閥和灌注漿機(泵)，解除2個球閥之間的短軟管，漿液初凝后再拆除錨桿尾部的余閥和余管。

3.3 正洞變形分析

3.3.1 正洞錨桿工藝改進前后變形分析

左洞D8K127+950～D8K128+010為錨桿施工工藝改進前的段落，D8K127+775～D8K127+950(不包含D8K127+950斷面)為錨桿施工工藝改進后的段落，右洞D8K127+775～D8K128+010全部采用錨桿施工工藝改進后的方式施作。錨桿改進前后的變形情況如圖8和圖9所示。

圖8 左洞大變形段工藝改進前后隧道變形值對比

Fig. 8 Comparison of tunnel deformation before and after construction technology improvement in large deformation section of left tunnel

圖9 右洞大變形段變形值

Fig. 9 Deformation values in large deformation section of right tunnel

左右洞變形特征值(水平收斂/拱頂下沉)分布較為均勻，集中分布在1.05～3.97，其中有89.66%的監測點特征值大于1，表明該段變形以水平收斂為主。

錨桿施工工藝改進前，左洞大變形段拱頂下沉和水平收斂最大值分別為462.4 mm和950.5 mm，平均值分別為250.69 mm和462.4 mm；錨桿施工工藝改進后，左洞大變形段拱頂下沉和水平收斂最大值分別為390.4 mm和548.1 mm，平均值分別為166.97 mm和313.93 mm；拱頂下沉和水平收斂最大值較改進前分別減小15.57%和51.35%，平均值分別減小33.40%和32.11%，變形得到了有效控制。

右洞(YDK127+920～925、+875～885段數據離散性較大，未統計)大變形段拱頂下沉和水平收斂最大值分別為443.8 mm和585.8 mm，平均值分別為104.72 mm和199.47 mm，拱頂下沉和水平收斂最大值和平均值較左洞工藝未改進段變形值分別減小4.02%、38.37%和58.23%、56.86%，明顯小于左洞工藝未改進段變形值。綜上，改進錨桿工藝對控制大變形是有效的。

3.3.2 正洞變形時程曲線分析

錨桿工藝改進前后正洞典型斷面變形時程曲線如圖10所示。結合現場監測資料可知，正洞大變形段變形主要有以下規律： 1)前期變形速率仍然較快，最大速率為41.6 mm/d，工藝改進前后前期變形速率并無明顯變化； 2)正洞變形曲線均呈“下彎狀”，無跳躍形態出現，變形逐步收斂； 3)完全收斂時長為120～180 d。

(a) 左洞工藝未改進段(D8K127+960)

(b) 左洞工藝改進段(D8K127+890)

(c) 右洞大變形段(YDK127+775)

3.4 施工進度分析

斜井、左洞錨桿工藝改進前后、右洞大變形段施工進度情況如表4所示。

表4斜井、正洞施工進度對比

Table 4 Comparison of construction schedules between inclined shaft and main tunnel

線別段落段落長度/m施工時長/d平均進度/(m/d)備注斜井XJ1K0+570～+1004703341.41工藝未改進左洞D8K127+775～ D8K128+9501752900.60工藝改進D8K127+950～ D8K128+010602730.22工藝未改進右洞YD8K127+790～YD8K128+0101854740.39工藝改進

注： 表中施工時長未計入春節放假停工時間，右洞YD8K127+885～ +920共35 m未開挖。

由表4可知： 斜井XJ1K0+570～+100段長470 m，共計開挖334 d，平均開挖速率為1.41 m/d，斜井斷面較小，同時未計算后期增加套拱、拆換的時間，因此進度相對較快。隧道左洞錨桿施工工藝改進前平均開挖速率為0.22 m/d，工藝改進后平均開挖速率為0.60 m/d，較工藝改進段提升172.73%。右洞大變形段平均速率為0.39 m/d，較左洞工藝改進前提升77.23%，但相對左洞工藝改進后效率有所降低，主要是因為現場進一步提高工人對錨桿施工工藝的熟練度和進一步提高施工質量降低變形，因此右洞整體變形值有所降低，但進度也同步降低。綜合分析，改進錨桿工藝可明顯提升大變形段隧道的施工進度，但同時也需要進一步研究施工組織，以提高整體進度。

4 結論與討論

本文通過對茂縣隧道擠壓大變形段不同設計、施工和地質條件下正洞及斜井施工技術和變形特征、正洞錨桿施工工藝改進前后隧道變形情況和工期進行對比分析，得到以下結論：

1)斜井和正洞水平收斂變形突出，變形具有持續時間長、變形收斂慢和前期變形速率大等特點，斜井部分斷面變形出現跳躍式增長現象。

2)斜井段變形值和變形速率受斷面形狀、圍巖變化和埋深的影響較大。其中，變形值受斷面形狀的影響最大，變形速率則受開挖尺寸和埋深的影響最為明顯。

3)正洞在采用調整斷面形狀、長錨桿和雙層高強初期支護等常規控制手段后，變形量和工期仍未達到預期效果，需對錨桿施工工藝進行調整以保證錨桿施作質量。

4)主要從用水量、成孔質量、水灰比和注漿方式進行改進錨桿工藝，改進后，擠壓性大變形段平均變形值減小32.11%～58.86%，左右洞工期速度約提升172.73%和77.23%。

目前，茂縣隧道擠壓性大變形段施工進度仍不理想，類似條件下的快速施工技術仍需進一步摸索，錨桿施工質量對變形的影響也值得進一步分析。