楊河隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)與支護(hù)措施的關(guān)系

靳寶成

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

楊河隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)與支護(hù)措施的關(guān)系

靳寶成

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

楊河隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，洞身出現(xiàn)長段落炭質(zhì)片巖，巖體自身強(qiáng)度弱、穩(wěn)定性差，遇水化泥，極易坍塌。隧道掘進(jìn)后，圍巖變形嚴(yán)重，導(dǎo)致初期支護(hù)鋼拱架扭曲、坍塌，安全控制及施工難度大。根據(jù)實(shí)測變形時(shí)態(tài)曲線和圍巖壓力時(shí)態(tài)曲線，應(yīng)用蠕變模型反演了巖石流變參數(shù)，分析了隧道炭質(zhì)片巖地段施工大變形的機(jī)理和特征;提出了炭質(zhì)片巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的防治措施。研究取得了復(fù)雜炭質(zhì)片巖條件下軟弱圍巖大變形控制技術(shù)突破，形成了復(fù)雜炭質(zhì)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(hù)

隨著我國公路、鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程已向長大、深埋方向發(fā)展，隨之而來的穿越地質(zhì)環(huán)境惡劣的工程不斷涌現(xiàn)，其中穿越軟弱地層一直是困擾建設(shè)者的重大難題之一［1］。以往軟巖的研究主要集中在對(duì)膨脹性軟巖、高應(yīng)力軟巖以及節(jié)理化軟巖的力學(xué)機(jī)理方面，并且研究側(cè)重于基礎(chǔ)理論，而忽視了理論應(yīng)用于實(shí)踐的最終環(huán)節(jié)——施工方面的研究［2］。因此，對(duì)軟巖條件下的支護(hù)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(diǎn)控制工程之一，筆者從現(xiàn)場的變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)著手，分析楊河隧道不同段落內(nèi)的隧道變形形態(tài)以及特征，得出了變形控制標(biāo)準(zhǔn)與支護(hù)措施的關(guān)系，形成了成套控制炭質(zhì)片巖軟巖大變形的施工技術(shù)。

1 工程概況

楊河隧道全長4 480 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為160 km/h的單線隧道。除進(jìn)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(shè)西河灣橫洞。洞身通過地層主要為志留系下統(tǒng)片巖，石英云母片巖、炭質(zhì)片巖、云母片巖互層產(chǎn)出。施工過程中遇到的主要地質(zhì)問題為:不同段落揭露的炭質(zhì)片巖，洞內(nèi)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(diǎn)

楊河隧道在實(shí)際施工時(shí)，主要遇到了支護(hù)變形、襯砌裂縫及塌方等破壞形態(tài)，工程中的主要難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面［4］:

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

2）由于地層軟弱，原設(shè)計(jì)斷面形式的穩(wěn)定性不易控制，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形很大，很難控制圍巖的變形及穩(wěn)定。

3）支護(hù)對(duì)策以及支護(hù)參數(shù)較難確定。由于軟弱破碎圍巖受力機(jī)理復(fù)雜，以多種變形機(jī)理組合出現(xiàn)，因此要對(duì)不同的支護(hù)對(duì)策進(jìn)行周密的分析對(duì)比，從中確定合理而有效的支護(hù)措施。同時(shí)，由于圍巖試驗(yàn)參數(shù)的偏差，圍巖復(fù)雜的變形機(jī)理和隨時(shí)可能變化的地質(zhì)情況都使相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)很難確定通用的方案，必須具體情況具體分析，不斷根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行分析調(diào)整［5］。

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

5）隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)隧道的變形需要進(jìn)行大量的監(jiān)控量測，并進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3 隧道變形控制技術(shù)

3.1 隧道圍巖變形特征

3.1.1 隧道變形形態(tài)

對(duì)隧道內(nèi)初期變形較大的典型地段監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比后可知，隧道產(chǎn)生較大水平收斂變形形態(tài)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(tài)特征Fig.1 Deformation characteristics of tunnel

1）初期變形較小

初期變形相對(duì)較小〔圖1（a）〕，水平變形多數(shù)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(dāng)仰拱封閉時(shí)，隧道變形趨于穩(wěn)定（90%最大值），時(shí)間約為25 d左右，此種變形主要位于靠近隧道進(jìn)出口地段，以及圍巖相對(duì)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(shí)程曲線見圖2。

圖2 典型斷面（DZK256+105）的位移變化時(shí)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(duì)較大〔圖1（b）〕，水平變形多數(shù)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(dāng)仰拱封閉一段時(shí)間后，隧道變形趨于穩(wěn)定（90%最大值），時(shí)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(shí)程曲線。

圖3 典型斷面（DZK256+425）的位移變化時(shí)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(xiàn)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(dòng)變形，表現(xiàn)出兩次，甚至多次空間效應(yīng);最終變形值大于100 cm。圍巖變形穩(wěn)定時(shí)間超過兩個(gè)月，隧道此種變形主要發(fā)生在呈厚層或帶狀分布于隧道洞身的炭質(zhì)片巖夾石英云母片巖，受構(gòu)造影響較嚴(yán)重的地段。圖4為斷面DZK256+585處的水平以及豎向變形時(shí)程曲線。

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

3.1.2 隧道變形規(guī)律

經(jīng)過對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析及回歸，隧道變形同時(shí)存在以下特征和規(guī)律。

現(xiàn)場測試顯示，初期位移速率（日增量）與日進(jìn)尺大小有較大的關(guān)聯(lián)性（圖5）。因此控制進(jìn)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(jìn)尺關(guān)系Fig.5 Displacement rate-excavation footage curve

3.2 隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)與支護(hù)措施的關(guān)系分析

通過對(duì)隧道內(nèi)圍巖的賦存形式、分布狀態(tài)以及圍巖變形形態(tài)及規(guī)律的分析，提出了楊河隧道初期支護(hù)的3級(jí)變形速率管理等級(jí)。各級(jí)變形管理標(biāo)準(zhǔn)見表1，圍巖變形處于一般變形范圍（I級(jí)）時(shí)可按正常進(jìn)度進(jìn)行施工;變形處于中等范圍（II級(jí)）時(shí)應(yīng)及時(shí)施作二次襯砌或是加強(qiáng)支護(hù);當(dāng)變形較為嚴(yán)重（III級(jí)）時(shí)，施工應(yīng)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(duì)不同的管理等級(jí)，選取了對(duì)應(yīng)的支護(hù)措施。

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

3.2.1 一般變形控制地段

楊河隧道炭質(zhì)片巖呈透鏡體或薄夾層狀存在地段，以及隧道進(jìn)出口地段為一般變形控制地段。炭質(zhì)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(shí)，對(duì)圍巖的整體穩(wěn)定性影響不大，通過降低圍巖級(jí)別、適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)措施、縮短臺(tái)階長度等措施即可解決問題。針對(duì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的具體措施為:

1）對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，聚丙烯纖維噴混凝土厚18 cm，拱部掛鋼筋網(wǎng)，拱墻設(shè)1榀/m的H125型鋼架，拱墻設(shè)系統(tǒng)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(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，聚丙烯纖維噴混凝土厚22 cm，全斷面掛鋼筋網(wǎng)，拱墻設(shè)1～1.5榀/m的格柵鋼架，拱部必要時(shí)設(shè)Φ42超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)，小導(dǎo)管長3.5 m，間距30 cm;拱墻設(shè)系統(tǒng)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(xiàn)場施工效果表明，在采取以上工程措施以后，炭質(zhì)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(shù)以炭質(zhì)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(zhì)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(xiàn)象，節(jié)理發(fā)育，一般地下水較為發(fā)育，在地下水的作用下，炭質(zhì)片巖易軟化變形，強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，對(duì)圍巖的整體穩(wěn)定性有較大影響。因此，當(dāng)圍巖判定為Ⅴ級(jí)后，通過進(jìn)一步的加強(qiáng)措施、超短臺(tái)階開挖、及時(shí)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(wǎng)，拱墻設(shè)1.5～2榀/m的I 16或I 18型鋼鋼架，拱部設(shè)Φ42超前小導(dǎo)管注漿加固圍巖，小導(dǎo)管長3.5 m，間距30 cm;拱墻設(shè)系統(tǒng)錨桿，長3.0 m，間距1 m×1 m;有炭質(zhì)片巖夾層側(cè)必要時(shí)采用小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿，以改善塑性區(qū)地層條件，小導(dǎo)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(xiàn)場施工效果表明，炭質(zhì)片巖呈互層狀存地段通過加強(qiáng)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(jìn)行。

3.2.3 嚴(yán)重變形控制地段

此地段即為楊河隧道厚層狀或帶狀炭質(zhì)片巖地段以及受構(gòu)造影響較為嚴(yán)重的地段。分析可以看出，處于此地段的隧道變形是最為嚴(yán)重，并且由于圍巖表現(xiàn)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(duì)此種地段的變形控制提出了長錨桿加固、剛性支護(hù)以及分層加強(qiáng)支護(hù)3種支護(hù)方式（圖6）。

圖6 不同支護(hù)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(jù)塑性區(qū)范圍及軟質(zhì)片巖厚度分別設(shè)置為8～12 m不等，錨桿采用R32N自進(jìn)式錨桿，間距為1～1.2 m，結(jié)合錨桿向圍巖中壓注水泥漿液。

2）剛性支護(hù)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(shí)施作模筑混凝土支護(hù)，模筑混凝土中設(shè)格柵鋼架，共同形成鋼筋混凝土的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)，以抑止圍巖塑性變形。

3）雙層支護(hù)措施〔圖6（c）〕的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式為“第1層初期支護(hù) +第2層加強(qiáng)支護(hù)+模筑襯砌”，第1層初期支護(hù)為噴、錨、網(wǎng)及鋼架組成的聯(lián)合柔性支護(hù)，在加固圍巖的同時(shí)允許部分釋放圍巖變形產(chǎn)生的能量;第2層支護(hù)為鋼格柵噴混凝土結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)初期支護(hù)，進(jìn)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(jié)構(gòu)，在兩層支護(hù)加固后圍巖基本穩(wěn)定的情況下施作。

以上3種支護(hù)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(hù)措施相比雙層支護(hù)措施存在著一些的缺點(diǎn)。長錨桿加固塑性圈施工難度大、周期長、工序干擾大、費(fèi)用高;剛性支護(hù)不利于圍巖開挖后變形能量的瞬時(shí)釋放，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受較大的圍巖壓力，在地應(yīng)力水平高、塑性變形大的情況下容易開裂。

雙層支護(hù)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(nèi)的支護(hù)措施以及施工證明，隧道采用一次支護(hù)來維護(hù)圍巖一般是難以成功的，因?yàn)樗贿m應(yīng)隧道初期變形量大、變形速度快的特點(diǎn)。一次支護(hù)主要是加固圍巖，提高其殘余強(qiáng)度，使圍巖不產(chǎn)生過度膨脹和剪脹變形。二次支護(hù)要在圍巖變形穩(wěn)定后適時(shí)完成，給隧道圍巖提供最終支護(hù)強(qiáng)度和剛度，以保持隧道較長時(shí)間的穩(wěn)定性和安全儲(chǔ)備。并且實(shí)際施工時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)也印證了這種支護(hù)方式能提供較高的支護(hù)效果。因此，綜合分析后提出楊河隧道厚層狀軟巖地段內(nèi)的支護(hù)方式采用分層加強(qiáng)支護(hù)措施，施工方法采用三臺(tái)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(tái)階長度、高度見圖7。

圖7 三臺(tái)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(hù)采用長臺(tái)階法施工，與二次支護(hù)（雙層支護(hù)）采用三臺(tái)階法施工時(shí)拱腳水平收斂與拱頂沉降時(shí)態(tài)變化曲線。

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

4 結(jié)論

通過對(duì)楊河隧道變形的監(jiān)測、研究與分析，得到如下結(jié)論:

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

2）施工工序是控制軟巖變形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工中應(yīng)突出“快”字，嚴(yán)格貫徹“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán)”的原則，合理確定臺(tái)階長度和高度，及早形成環(huán)狀受力結(jié)構(gòu)。地層極破碎地段可通過預(yù)留核心土、設(shè)臨時(shí)仰拱等措施來抑制圍巖變形。

3）炭質(zhì)片巖分布具有較大的不確定性，難以準(zhǔn)確查清其具體分段里程及流變特性，只能根據(jù)現(xiàn)場開挖過程中揭示的地質(zhì)情況確定，結(jié)合動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（References）:

［1］ TZ 204—2008鐵路隧道工程施工技術(shù)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(mèng)恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［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(shè)計(jì)規(guī)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(zhì)片巖隧道變形控制技術(shù)初步探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(guān)寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)［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(shù)與工程管理［M］.成都:西南交通大學(xué)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(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)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(guī)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(huì)寧人，高級(jí)工程師，主要從事隧道工程方面的工作。E-mail:jbcwlq@126.com。