麗香鐵路黃山哨隧道下穿巖堆段設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)

李貴民

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200)

0 引言

巖堆是指陡峭山坡上經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的物理、化學(xué)作用形成的碎石、巖屑等巖體崩塌物質(zhì)經(jīng)暴雨沖刷或重力搬運(yùn)，在山坡坡腳或平緩山坡上堆積的松散堆積體。下穿巖堆隧道的設(shè)計(jì)與施工一直是隧道工程建設(shè)中的難題，在施工中出現(xiàn)了很多地表開裂及洞內(nèi)初期支護(hù)邊墻嚴(yán)重變形甚至二次襯砌開裂等事故。目前，國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)巖堆隧道修建技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并提出了相應(yīng)觀點(diǎn)與解決辦法，且大多以定性為主。如： 吳發(fā)展[1]對(duì)鷹嘴巖隧道巖堆體施工技術(shù)進(jìn)行研究，提出地表噴混凝土封閉并注漿加固處理措施； 劉建紅[2]對(duì)寶蘭客運(yùn)專線石崖隧道下穿巖堆進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，提出錨索及抗滑樁加固的處理措施； 蔣向陽[3]對(duì)巖堆體特征及其對(duì)隧道工程的影響進(jìn)行研究，提出跟管鉆孔及注漿加固的處理措施； 劉新峰等[4]針對(duì)開挖進(jìn)尺對(duì)巖堆體隧道施工的影響進(jìn)行分析，得出巖堆隧道開挖進(jìn)尺不宜超過1 m的結(jié)論； 丁祖德等[5]對(duì)考慮空間效應(yīng)的巖堆體隧道管棚力學(xué)模型進(jìn)行研究，提出管棚加固的處理措施； 石先火等[6]對(duì)巖堆體隧道洞口淺埋段開挖進(jìn)尺進(jìn)行計(jì)算分析，得出預(yù)留核心土能明顯提高巖堆隧道掌子面穩(wěn)定性的結(jié)論； 黃建國(guó)[7]對(duì)隧道在松散堆積體下的掘進(jìn)方案進(jìn)行研究，得出超前大管棚能有效控制拱部溜坍的結(jié)論； 何毅等[8]對(duì)隧道洞口段過巖堆體的防坍技術(shù)進(jìn)行研究，提出設(shè)置擋墻及預(yù)加固的防坍技術(shù)； 矯禎宇[9]對(duì)淺埋偏壓巖堆地質(zhì)的隧道出洞技術(shù)進(jìn)行研究，提出設(shè)置超前管棚及預(yù)留核心土的出洞技術(shù)； 張闖等[10]對(duì)淺埋隧道下穿松散巖堆體進(jìn)洞技術(shù)進(jìn)行分析，提出弱爆破及地表注漿的處理措施； 張穎[11]對(duì)大前石嶺隧道進(jìn)口巖堆體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得出明挖放坡+抗滑樁可有效保證穩(wěn)定的結(jié)論。由于地下工程的隱蔽性，使得沒有任何一個(gè)理論或治理措施能夠應(yīng)對(duì)地質(zhì)復(fù)雜多變的實(shí)際情況。目前，國(guó)內(nèi)外尚無系統(tǒng)的定量處理巖堆隧道的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)、施工規(guī)范。

新建麗江至香格里拉鐵路黃山哨隧道DK8+557～+620段巖堆底面位于隧道洞身中—上部位置，分界面角度約27°，隧道埋深38～60 m，洞身巖堆為第四系全新統(tǒng)崩積層碎石土，自穩(wěn)性極差。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)初期支護(hù)變形較大，最大累計(jì)水平收斂值為34 cm，最大累計(jì)沉降值為13 cm，地表出現(xiàn)貫通裂縫，裂縫最寬約20 cm。為有效控制隧道初期支護(hù)變形，防止該段洞身整體失穩(wěn)，進(jìn)行地表位移、洞內(nèi)變形、洞內(nèi)初期支護(hù)及二次襯砌應(yīng)力等監(jiān)測(cè)，并對(duì)巖堆隧道變形控制措施進(jìn)行研究和工程實(shí)踐。提出地表巖堆土石接觸面處理、襯砌結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)、隧道邊墻輪廓曲率、預(yù)留變形量、內(nèi)凈空補(bǔ)強(qiáng)空間等定量?jī)?yōu)化措施，確保現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

1 工程概況

1.1 巖堆段地質(zhì)情況

黃山哨隧道位于新建鐵路麗江至香格里拉線麗江站—拉市海站區(qū)間，進(jìn)口里程為DK8+310，出口里程為DK12+344，全長(zhǎng)4 034 m，是設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h的客貨共線電氣化鐵路單線隧道。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，進(jìn)口工區(qū)DK8+557～+620段巖堆底面位于隧道洞身中—上部位置。隧道施工揭示地層巖性為碎石土、全—強(qiáng)風(fēng)化玄武巖夾凝灰?guī)r，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體呈土狀，自穩(wěn)性極差。碎石土呈灰、褐灰色，稍濕—干燥，稍密，局部有膠結(jié)現(xiàn)象； 塊石質(zhì)為灰?guī)r，尖棱狀，大小不一，直徑一般為60～200 mm，局部為塊石土狀； 碎塊石含量85%左右，孔隙為黏土充填，屬Ⅳ級(jí)軟石，B組填料。該段隧道埋深37～60 m，洞身主要穿越碎石土〈1〉及玄武巖夾凝灰?guī)r〈4〉，典型橫斷面見圖1。

圖1 黃山哨隧道巖堆段典型橫斷面 (單位： m)

Fig. 1 Typical cross-section of rockpile section of Huangshanshao Tunnel (unit: m)

1.2 巖堆段變形情況

黃山哨隧道DK8+557～+620段原設(shè)計(jì)采用V級(jí)B型復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用全環(huán)I18鋼架，間距0.8 m/榀。拱部設(shè)置φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，縱向間距1.6 m/環(huán)，每根長(zhǎng)3 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)23根； 拱部系統(tǒng)錨桿采用φ25組合中空錨桿，邊墻系統(tǒng)錨桿采用φ22砂漿錨桿，每根長(zhǎng)3 m，間距1 m，梅花型布置； 拱墻設(shè)置φ8鋼筋網(wǎng)片，間距20 cm×20 cm。按原設(shè)計(jì)施工后初期支護(hù)變形較大，嚴(yán)重侵限，最大累計(jì)水平收斂值為34 cm，最大累計(jì)沉降值為13 cm，初期支護(hù)局部開裂，左側(cè)邊墻處最大侵限約20 cm，右側(cè)邊墻處最大侵限約10 cm。初期支護(hù)變形情況見圖2。線路左側(cè)地表巖堆體后緣與灰?guī)r接觸面產(chǎn)生了縱向裂縫，裂縫位于DK8+520～+600段線路左側(cè)50～70 m處，裂縫長(zhǎng)度約80 m，裂縫最寬處約20 cm、最窄處約5 cm，鋼尺測(cè)量最大深度約1.8 m。地表開裂情況見圖3。

圖2 DK8+557～+620段洞內(nèi)左側(cè)邊墻初期支護(hù)變形情況

Fig. 2 Deformation of primary support of left sidewall at DK8+557～+620 section

圖3 DK8+520～+600段地表巖堆體與基巖接觸面開裂情況

Fig. 3 Cracking condition of interface between surface rockpile and bedrock at DK8+520～+600 section

2 巖堆段變形原因

隧道在區(qū)域上處于我國(guó)著名的南北向地震帶南段之滇西地震帶，隧道進(jìn)口端發(fā)育一區(qū)域性大斷裂(大具—麗江斷裂)，經(jīng)多期構(gòu)造作用影響，該段地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層相變大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極破碎，圍巖巖性均勻性差。

該段巖堆體與灰?guī)r接觸面變化大，根據(jù)補(bǔ)充勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示情況顯示，隧道洞身DK8+540～+650段，巖堆體底面與隧道小角度相交，位于洞身中—上部位置。由于隧道埋深較淺、地形偏壓及隧道開挖后圍巖應(yīng)力調(diào)整等不利因素的影響，該段施工后初期支護(hù)變形較大，并牽引左側(cè)巖堆體沿破裂角及土石界線產(chǎn)生位移，導(dǎo)致巖堆體段洞內(nèi)外出現(xiàn)了變形開裂。

3 巖堆段施工方案

3.1 增設(shè)地表截水溝及封閉面板

為防止地表水沿巖堆體與基巖接觸面下滲潤(rùn)滑巖堆體底面，降低接觸面力學(xué)指標(biāo)，引起土壓力增大，于巖堆體后緣與既有山體接觸處設(shè)置截水溝及封閉面板，地表施作對(duì)應(yīng)起訖里程為DK8+510～+625。截水溝采用Ⅵ式天溝，40 cm×60 cm(寬×高)。鋪砌面板采用C35鋼筋混凝土，寬5 m，厚0.5 m，鋪砌面板底部設(shè)置HRB400的φ18鋼筋網(wǎng)片，鋼筋間距20 cm×20 cm，凈保護(hù)層厚55 mm。鋪砌面板下施作內(nèi)外2排φ42鋼花管，交錯(cuò)布置，注水泥砂漿，內(nèi)排管長(zhǎng)3 m(距裂縫水平距離1 m)，外排管長(zhǎng)4 m，間距3 m×1 m(縱×橫)，嵌入基巖深度不小于50 cm。地表增設(shè)截水溝及封閉面板典型斷面如圖4所示。

圖4 地表增設(shè)截水溝及封閉面板典型斷面 (單位： cm)

Fig. 4 Typical cross-section of adding cut-off gully and closed plate on surface (unit: cm)

3.2 加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)及支護(hù)措施

根據(jù)施工揭示地質(zhì)條件、圍巖變化情況、專家會(huì)意見及結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，為保證施工安全及運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)及支護(hù)措施予以調(diào)整。

變更設(shè)計(jì)采用Ⅴ級(jí)淺埋偏壓加強(qiáng)復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用全環(huán)I22b鋼架，間距0.5 m/榀。拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管，縱向間距1.5 m/環(huán)，每根長(zhǎng)3 m，搭接1.5 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)31根。左側(cè)邊墻系統(tǒng)錨桿采用φ76鋼花管，每根長(zhǎng)9 m； 拱部及右側(cè)邊墻系統(tǒng)錨桿采用φ42徑向鋼花管，每根長(zhǎng)5 m，間距1 m，梅花型布置。二次襯砌采用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，檢算時(shí)二次襯砌縱向長(zhǎng)度取1 m，根據(jù)洞內(nèi)外變形監(jiān)測(cè)情況及初期支護(hù)受力結(jié)果分析，地表靠山側(cè)巖堆體裂縫與隧道是貫通的，隧道頂部上方楔形土體整體上是穩(wěn)定的，隧道承受拱頂楔形土體全部荷載，楔形土體接觸面摩擦因數(shù)取tanφ(φ為接觸面摩擦角)。計(jì)算結(jié)果顯示二次襯砌最大變形5.7 mm，最大彎矩820 kN·m，二次襯砌采用70～107 cm厚鋼筋混凝土是可以滿足要求的。巖堆段襯砌支護(hù)參數(shù)如表1所示。

巖堆段襯砌斷面如圖5所示。

3.3 加大邊墻輪廓曲率并優(yōu)化二次襯砌型式

巖堆段襯砌加大二次襯砌內(nèi)輪廓曲率，兩側(cè)邊墻各加大30 cm。

巖堆段二次襯砌施作前7 d初期支護(hù)變形速率為2～4 mm/d，未達(dá)到規(guī)范要求(0.2～0.25 mm/d)。巖堆段地表已開裂，隧道上覆荷載較大，且變形持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，無法達(dá)到規(guī)范要求的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后施作二次襯砌。為避免二次襯砌混凝土承受過大荷載，造成后期開裂，二次襯砌型式采用圓順連接較為合適。本次巖堆段二次襯砌邊墻腳由馬蹄型斷面優(yōu)化為圓順型，且加大二次襯砌厚度至0.7～1.07 m(厚度漸變)及加強(qiáng)主筋(主筋全環(huán)采用φ25@200，拱墻范圍加配φ25@200)。

圖5 巖堆段襯砌斷面 (單位： cm)

3.4 加大預(yù)留變形量

由于地表裂縫已與洞內(nèi)變形相關(guān)聯(lián)，巖堆段后期蠕變量較大，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都無法收斂穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形斷面顯示，邊墻單側(cè)最大變形可達(dá)40 cm，適當(dāng)增大預(yù)留變形量是必要的。雖然巖堆段結(jié)構(gòu)及支護(hù)措施已加強(qiáng)，但考慮按原設(shè)計(jì)開挖后侵限換拱嚴(yán)重，且地表巖土分界面產(chǎn)生貫通裂縫，洞內(nèi)外變形已產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，為避免預(yù)留量不足導(dǎo)致二次換拱及再次擾動(dòng)巖堆體，本次隧道初期支護(hù)預(yù)留變形量按30 cm設(shè)置。

3.5 內(nèi)凈空預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間

根據(jù)洞內(nèi)外監(jiān)控量測(cè)顯示，地表裂縫已與洞內(nèi)變形相關(guān)聯(lián)，為避免運(yùn)營(yíng)期間隧道開裂鑿除既有二次襯砌的風(fēng)險(xiǎn)，隧道二次襯砌內(nèi)凈空預(yù)留50 cm補(bǔ)強(qiáng)空間。

3.6 加強(qiáng)拱部超前支護(hù)

根據(jù)掌子面圍巖揭示，洞身巖堆為第四系全新統(tǒng)崩積層碎石土，自穩(wěn)性極差。為保證掌子面開挖安全，隧道拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管，縱向間距1.5 m/環(huán)，每根長(zhǎng)3 m，搭接1.5 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)31根。超前小導(dǎo)管注水泥漿固結(jié)拱部圍巖，水泥漿水灰質(zhì)量比為0.5∶1，注漿壓力1 MPa，小導(dǎo)管尾部設(shè)置止?jié){段及止?jié){閥保證注漿加固效果。

4 巖堆段施工效果

4.1 洞內(nèi)收斂變形情況

黃山哨隧道DK8+557～+620巖堆段于2016年6月1日開始施作，2017年1月7日完成。

試驗(yàn)段收斂變形在可控范圍內(nèi)，典型變形曲線如圖6所示。兩側(cè)邊墻合計(jì)預(yù)留變形量為600 mm，兩側(cè)邊墻實(shí)際最大變形約為210 mm。

圖6 巖堆段初期支護(hù)變形曲線(2016年)

Fig. 6 Deformation curves of primary support of rock pile section (in 2016)

原設(shè)計(jì)V級(jí)B型襯砌初期支護(hù)為直邊墻，初期支護(hù)采用全環(huán)I18鋼架不利于承受巖堆水平荷載。按原設(shè)計(jì)開挖后侵限換拱嚴(yán)重，且地表巖土分界面產(chǎn)生貫通裂縫，洞內(nèi)外變形已產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。變更設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)淺埋偏壓加強(qiáng)襯砌，初期支護(hù)采用全環(huán)I22b鋼架，且兩側(cè)邊墻各加大邊墻輪廓曲率30 cm，結(jié)構(gòu)受力合理，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示邊墻變形在可控范圍內(nèi)。

4.2 洞內(nèi)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

為了解巖堆段二次襯砌施作后，洞內(nèi)圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、二次襯砌內(nèi)力等變化情況，于DK8+560～+680段進(jìn)行圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、二次襯砌內(nèi)力、初期支護(hù)與二次襯砌間的接觸壓力、錨桿軸力量測(cè)，共布置3個(gè)斷面。洞內(nèi)應(yīng)力測(cè)試典型橫斷面如圖7所示。

DK8+560斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示： 隧道左側(cè)圍巖壓力明顯大于右側(cè)，隧道在左拱45°最大壓力為1.197 MPa，左拱90°最大壓力為0.819 MPa，左邊墻底最大壓力為0.914 MPa。從錨桿軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，隧道圍巖左拱45°錨桿軸力最大為117.01 kN，左邊墻底最大軸力為110.09 kN。拱架應(yīng)變最大值也出現(xiàn)在左拱45°。隧道二次襯砌混凝土左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)，其中左側(cè)最大水平應(yīng)力為0.248 MPa(遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C35混凝土彎壓容許應(yīng)力13 MPa，目前二次襯砌混凝土表面無開裂剝落，根據(jù)二次襯砌混凝土監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示應(yīng)力在安全范圍內(nèi))。根據(jù)以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可以判斷，巖堆體中有1條潛在滑動(dòng)面穿過了隧道左拱45°和左邊仰拱位置。

圖7 洞內(nèi)應(yīng)力測(cè)試典型橫斷面

4.3 地表測(cè)斜結(jié)果

為了解巖堆體變形情況，于DK8+500、DK8+540、DK8+580、DK8+630線路左側(cè)各布置1根測(cè)斜管，距線路中線15.37 m(距隧道二次襯砌凈距11 m，可避免與隧道左側(cè)9 m長(zhǎng)注漿鋼花管相互干擾)，測(cè)斜管底部與隧道軌面齊平(標(biāo)高2 437.4 m)，頂部至原地表； DK8+540、DK8+580線路右側(cè)各布置1根測(cè)斜管，距線路中線11.37 m(距隧道二次襯砌凈距7 m，可避免與隧道右側(cè)5 m長(zhǎng)注漿鋼花管相互干擾)，測(cè)斜管底部至軌面以下5 m(標(biāo)高2 432.4 m)。測(cè)斜管典型橫斷面如圖8所示。

圖8 地表測(cè)斜管典型橫斷面 (單位： cm)

根據(jù)測(cè)斜孔資料顯示， 4號(hào)孔(DK8+610左16.83 m)水平累計(jì)位移15 cm，2號(hào)孔(DK8+552.7左9.479 m)和3號(hào)孔(DK8+566.56左36.77 m)水平累計(jì)位移1.1 cm，1號(hào)孔(DK8+580右側(cè)11.347 m)水平累計(jì)位移3 cm，5號(hào)孔(DK8+649.5右側(cè)6.08 m)水平累計(jì)位移2.6 cm。洞內(nèi)初期支護(hù)封閉成環(huán)后地表測(cè)斜管基本停止變形，已趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論與建議

通過闡述黃山哨隧道下穿巖堆段的變形原因，系統(tǒng)分析了地表位移監(jiān)測(cè)、洞內(nèi)初期支護(hù)及二次襯砌應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果判定巖堆段土體整體上是穩(wěn)定的，隧道拱頂埋深37～60 m，無地表加固措施的必要性和可行性(設(shè)計(jì)考慮了洞內(nèi)加固后二次失穩(wěn)的洞內(nèi)外錨固樁預(yù)案，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，洞內(nèi)加固后隧道已變形穩(wěn)定，未啟動(dòng)錨固樁預(yù)案)，并總結(jié)出采取以下措施可有效控制隧道巖堆段變形。

1)地表巖堆土石接觸面開裂處增設(shè)截水溝及封閉面板，并對(duì)地表裂縫進(jìn)行注漿加固。

2)加大隧道初期支護(hù)鋼架型號(hào)為全環(huán)I22b，并加長(zhǎng)巖堆側(cè)邊墻徑向系統(tǒng)錨桿至9 m，以便穿過巖堆體錨固于穩(wěn)定巖體。

3)加大隧道兩側(cè)邊墻輪廓曲率各30 cm，優(yōu)化隧道二次襯砌型式為圓順型，并加大二次襯砌厚度至0.7～1.07 m(厚度漸變)及加強(qiáng)主筋(主筋全環(huán)采用φ25@200，拱墻范圍加配φ25@200)。

4)為避免預(yù)留量不足導(dǎo)致二次換拱及再次擾動(dòng)巖堆體，隧道初期支護(hù)預(yù)留變形量按30 cm設(shè)置。

5)隧道二次襯砌內(nèi)凈空預(yù)留50 cm補(bǔ)強(qiáng)空間。

6)隧道拱部設(shè)置φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)。

現(xiàn)場(chǎng)巖堆段采取以上措施后，已順利施工通過，根據(jù)洞內(nèi)外監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)在安全可控范圍內(nèi)，可為類似工點(diǎn)制定處置措施提供參考。但本文主要是針對(duì)巖堆隧道洞內(nèi)初期支護(hù)及二次襯砌加強(qiáng)進(jìn)行的研究，建議今后針對(duì)淺埋巖堆隧道洞外地表加固施工控制技術(shù)作進(jìn)一步的分析和研究。