紅橋關隧道洞身段大變形變形破壞機理分析及控制技術

王建興

【摘 要】本文以紅橋關隧道D1K255+794.5～+756段出現(xiàn)的大變形變形破壞為基礎，從該段開挖揭示的地質構造、破壞前的施工參數(shù)等方面分析其變形破壞的機理和變形破壞后所采取的控制技術。通過現(xiàn)場實際施工總結出一套行之有效的控制技術，為以后類似的隧道工程施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

【關鍵詞】炭質板巖；軟巖；大變形；處理措施

引言

近十年來，隨著鐵路建設的快速發(fā)展，穿越地質條件復雜的隧道和隧道施工過程中遇到的隧道大變形問題也越來越多，這給隧道的施工安全、掘進效率帶來了極大的困難。針對大變形隧道各國學者開展了許多理論和試驗研究，并在施工過程中采取了相應的控制技術措施，這些理論在一定程度上為大變形隧道工程建設提供了理論指導，但由于各地區(qū)工程地質差異比較大，針對遇到的突發(fā)性、復雜難題也有所差異，針對性的開展隧道大變形課題的研究是十分重要的。

本文以新建鐵路成都至蘭州線紅橋關隧道D1K255+794.5～+756段出現(xiàn)的大變形變形破壞為基礎，對隧道大變形產生的變形破壞機理進行了分析，并對其采取的控制技術措施進行了總結，為以后的類似的隧道工程施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

1.工程概況及施工情況

1.1 工程概況

新建鐵路成都至蘭州線CLZQ-13標D2K255+305.335紅橋關隧道地處四川省阿壩州松潘縣川主寺鎮(zhèn)境內，起訖里程D2K253+710～D1K256+890，其中有一段10.67m斷鏈，全長3169.33m，地面高程2950～3510m，最大埋深410m。紅橋關隧道設計時速200Km，預留時速250Km，為客貨共線雙線電氣化高速鐵路隧道，建成后將是西出通往蘭州歷史名城和國際旅游勝地九寨溝、黃龍旅游區(qū)唯一的高速鐵路通道。

紅橋關隧道位于岷江活動斷裂帶北段，歷史上曾發(fā)生過1748年61/2級地震和1960年63/4級地震。隧址區(qū)地質具有“四極三高”的顯著特點：地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、地震效應極為顯著；高地應力、高地震烈度、高地質災害風險。

1.2 施工參數(shù)

紅橋關隧道D1K255+794.5～+756段預留變形量20cm，拱墻初期支護鋼架采用工16工字鋼，間距1.2m/榀；鋼筋網(wǎng)片采用HPB300Φ6，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm；連接筋HRB400Φ22鋼筋，環(huán)向間距1.0m；系統(tǒng)錨桿拱部采用3.5m長Φ22組合中空錨桿，邊墻采用3.5m長Φ22全長粘結型砂漿錨桿，間距1.2×1.2m（環(huán)×縱）；鎖腳錨管采用4m長Φ42/t=3.5mm熱軋無縫鋼花管，每拱腳處大、小插角2根；超前支護采用Φ42/t=3.5mm熱軋無縫鋼花管，每環(huán)根數(shù)30根，單根長3.5m；該段拱墻初期支護噴射C30耐腐混凝土，最小厚度23cm。

2.變形破壞情況及機理分析

2.1變形破壞情況

D1K255+794.5～+760段初期支護噴射混凝土出現(xiàn)開裂錯位、剝離掉塊；線路右側起拱線以上2m左右鋼架出現(xiàn)扭曲變形、局部呈“Z”字形；線路左側拱部初期支護拱墻侵入二襯限界，如圖1所示。

圖1（a） 初期支護噴射混凝土破壞

圖1（b）初期支護鋼架扭曲破壞

圖1 D1K255+794.5～+760段初期支護變形破壞情況

D1K255+760～+756段上臺階初期支護噴射混凝土出現(xiàn)開裂錯位、剝離掉塊；線路右側起拱線以上2m左右鋼架出現(xiàn)扭曲變形、局部呈“Z”字形，其中一榀鋼架斷裂，線路左側拱部初期支護拱墻侵入二襯限界，如圖2所示。

圖2（a） 初期支護噴射混凝土破壞

圖2（b）初期支護鋼架斷裂破壞

圖2 D1K255+760～+756段初期支護變形破壞情況

D1K255+794.5～+756段采用兩臺階法開挖，監(jiān)控量測采用無接觸式測量，測點布設于拱頂和邊墻腳以上1m范圍內，拱頂下沉及邊墻收斂變形監(jiān)測速率小于5mm/d，拱頂下沉累積為8.35cm，邊墻收斂累積小于2cm，后輔以斷面掃描儀掃描初期支護斷面，斷面數(shù)據(jù)分析線路左側（進洞右側）初期支護（主要集中在上臺階鋼架A單元）侵入二次襯砌限界5～15cm，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、隧道斷面掃描儀掃描數(shù)據(jù)以及初期支護的變形破壞形態(tài)模擬該段變形破壞特性示意圖，如圖3所示。

圖3 D1K255+794.5～+756段初期支護的變形破壞特性示意圖

2.2 變形破壞機理分析

2.2.1 地質構造方面。

紅橋關隧道D1K255+794.5～+756段屬于岷江活動斷裂北段，該段巖性主要為三疊系上統(tǒng)侏倭組灰黑色板巖、砂巖夾炭質板巖，巖石強-弱風化，巖質較軟，圍巖較破碎，巖層結構面產狀N35°E/46°NW，傾向線路左側（掌子面右側），傾角與線路交角約60°； D1K255+785～+783段、D1K255+760～+756段線路右側起拱線以上2m左右有少量裂隙滲水，與鋼架扭曲變形、鋼架斷裂及噴射混凝土開裂錯位、剝離掉塊嚴重部位基本吻合。

該段開挖揭示的地質構造，掌子面中部為強風化炭質板巖，因受多期地震作用，巖體極為破碎，劈裂化效應極為明顯，巖體強度較低；兩側為弱風化砂巖夾炭質板巖，巖體結構完整性較好，巖體強度較高。如圖4所示。

圖4 D1K255+794.5～+756段掌子面開挖揭示的實際圍巖地質構造

由圖4可知，中部圍巖較差，兩側圍巖較好，地質構造以及地質巖性分界較為明顯，圍巖地質偏壓較為明顯，加之圍巖有少量裂隙滲水，加劇了中部強風化炭質板巖的惡化，開挖、初期支護施作后，地質偏壓引起應力偏壓、集中，應力集中于中部初期支護體系上。

通過該段初期支護的變形破壞形態(tài)、測量數(shù)據(jù)綜合分析圖3和圖4可知，鋼架扭曲變形、鋼架斷裂及噴射混凝土開裂錯位、剝離掉塊嚴重部位與地質不利構造基本吻合。

2.2.2 地應力方面。

紅橋關隧道D1K255+794.5～+756段埋深約325m，巖體的自重應力隨著埋深呈線性增長，巖體的自重應力超過了巖體的彈性限度，在初始應力狀態(tài)下巖體處于彈性狀態(tài)，開挖后圍巖的二次應力分布，應力狀態(tài)超過了巖體的強度，因巖體少量裂隙滲水惡化，使圍巖產生較大的塑性變形。

2.2.3 初期支護施工參數(shù)方面。

由于前期隧道施工過程中對地質構造以及地應力的影響程度認識不明，施工中采取Ⅳ級圍巖支護參數(shù)，鋼架采用的是工16工字鋼，間距1.2米/榀；系統(tǒng)錨桿拱部采用3.5m長Φ22組合中空錨桿，邊墻采用3.5m長Φ22全長粘結型砂漿錨桿，間距1.2×1.2m（環(huán)×縱）；噴射混凝土采用C30耐腐蝕混凝土，最小厚度23cm。

工16工字鋼承載力偏弱且間距過大，系統(tǒng)錨桿施作長度未達到巖體結構完整、強度較高的巖體中，其支護效果不明顯。初期支護體系不足以承載開挖后作用于其上的圍巖二次分布應力。

綜上分析可知：紅橋關隧道D1K255+794.5～+756段因多期地震作用導致圍巖極為破碎、巖質較軟、地質不利構造導致應力偏壓及集中、地下水軟化圍巖、地應力和初期支護施工參數(shù)偏弱等綜合不利因素作用下，以圍巖松散性變形為主、擠壓性變形為輔的變形特性，導致了該段初期支護體系出現(xiàn)鋼架扭曲變形、鋼架斷裂及噴射混凝土開裂錯位、剝離掉塊等變形破壞。

3.變形破壞控制技術

3.1變形破壞加固控制技術

D1K255+794.5～+756段變形破壞后立即加設工20b工字鋼套拱，于既有初期支護鋼架間加設，間距1.2m/榀，如圖5所示；連接筋HRB400Φ22鋼筋，環(huán)向間距1.0m；鎖腳錨管采用4.0m長Φ42/t=3.5mm熱軋無縫鋼花管，于每鋼架單元拱腳處設置2根，外插角大、小下插角（20°和40°），每榀共8根；施作5m長Φ42/t=3.5mm徑向鋼花管注漿加固，鋼花管間距1.2m×1.0m（縱×環(huán)），注漿采用1：1水泥凈漿，注漿壓力0.5～1.0MPa，固結洞周一定范圍的破碎巖體，使其具有一定的自承載能力和承載能力，如圖6所示；套拱噴射C30混凝土，厚度不小于15cm。

圖5 工20b工字鋼套拱

圖6 徑向鋼花管注漿加固

3.2變形監(jiān)測技術

（1）監(jiān)控量測點加密至3m布設一組，并于拱頂，鋼架A單元、B單元和C單元拱腳以上1m范圍內分別布設，即由兩臺階開挖法布設兩條水平收斂測線增加為三條水平收斂測線。

（2）監(jiān)控量測采用絕對坐標量測，并與洞內控制點聯(lián)測，即獨立采集各測點的三維變形數(shù)據(jù)，對各測點X、Y、Z三個方向的變形數(shù)據(jù)進行獨立分析。

（3）輔以隧道斷面掃描儀掃描各斷面數(shù)據(jù)，掃描斷面同監(jiān)控量測斷面，對未布設監(jiān)控量測點的斷面加密至1m一組。

（4）監(jiān)測頻率：2次/天，待變形趨于穩(wěn)定后可1次/天。

通過上述變形監(jiān)測技術手段，可分析、得出初期支護體系的相對準確的變形時態(tài)。經(jīng)監(jiān)控量測和斷面掃面儀的量測數(shù)據(jù)進行綜合分析、評價，加設套拱以及徑向注漿加固后3天內的變形速率4～5mm/d；此后變形速率小于1mm/d；累積變形小于5cm。

3.3變形破壞侵限處理技術

待變形穩(wěn)定后，對初期支護變形破壞侵入二次襯砌限界的初期支護進行拆除換拱處理。

（1）對D1K255+794.5～+780段已施作仰拱段，拆除矮邊墻以上部分拱墻既有初期支護，將既有工16工字鋼拆換為HW175型鋼鋼架，間距1.2m/榀；鋼筋網(wǎng)采用HPB300Φ8鋼筋，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm，設置雙層；連接筋采用HRB400Φ22鋼筋，環(huán)向間距0.5m/根；于A、B單元鋼架腳以上50cm范圍內施作4根6m長Φ42/t=3.5mm鎖腳錨花管注漿，C單元（矮邊墻處）鋼架腳以上50cm范圍內施作8根6m長Φ42/t=3.5mm鎖腳錨花管注漿，外插角采用大、小下插角（20°和40°）每榀共12根；系統(tǒng)錨桿拱部采用4m長Φ28自進式錨桿注漿，邊墻采用8m長Φ28自進式錨桿注漿， 間距1.2m×1.2m（環(huán)×縱）；噴射C30耐腐蝕混凝土，拱墻厚度不小于27cm。

（2）D1K255+780～+756段未施作仰拱段，拆除拱墻既有初期支護，將既有工16工字鋼拆換為HW175型鋼鋼架且仰拱初期支護鋼架成環(huán)，間距0.8m/榀；鋼筋網(wǎng)采用HPB300Φ8鋼筋，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm，設置單層；連接筋采用HRB400Φ22鋼筋，環(huán)向間距1.0m/根；于A、B、C單元鋼架腳施作4根6m長Φ42/t=3.5mm鎖腳錨花管注漿，每榀共12根；系統(tǒng)錨桿拱部采用4m長Φ28自進式錨桿注漿，邊墻采用8m長Φ28自進式錨桿注漿， 間距1.2m×0.8m（環(huán)×縱）；初期支護噴射C30耐腐蝕混凝土，拱墻厚度不小于27cm，仰拱厚度不小于25cm。

（3）套拱及初期支護拆除采用人工輔助破碎頭拆除，且拆除一榀支護一榀。

（4）對D1K255+794.5～+780段已施作仰拱段，拆除時應確保該段矮邊墻以上50cm范圍內工16工字鋼鋼架不變形，采用破碎頭松動噴射混凝土后人工鑿除、清理， 清理后焊接與上部HW175型鋼鋼架同規(guī)格、尺寸的連接鋼板并確保焊接質量，使之能與上部HW175型鋼鋼架連接鋼板密貼栓接。

（5）拆除過程中對原施作的系統(tǒng)錨桿和徑向注漿管進行保護不切割，只拆除原施作的系統(tǒng)錨桿的墊板及螺母，待換拱后重新安裝墊板和螺母，使之能與換拱后的初期支護體系共同工作。

（6）監(jiān)控量測加密至3m布設一組，并于拱頂，鋼架A單元、B單元和C單元拱腳以上1m范圍內分別布設，采用三條水平收斂測線且采用絕對坐標量測，并輔以隧道斷面掃描儀掃面斷面，進行綜合分析。

4 .變形破壞控制效果

調整、加強初期支護施工參數(shù)后，經(jīng)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和斷面掃描數(shù)據(jù)綜合分析、評價，該段初期支護體系安全、穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大的變形和噴射混凝土開裂、剝離掉塊以及鋼架扭曲等情況。

5.結論

通過紅橋關隧道D1K255+794.5～+756段大變形變形機理分析和變形破壞后的施工、實踐，得出如下結論：

（1）加強超前地質預報綜合判釋。采用物探（TSP303、紅外探水）、鉆探（超前水平地質鉆探、加深炮孔）和地質法（開挖面地質素描、地表補充地質調查）等綜合評價，正確判釋前方地質條件，為正確選擇開挖方法、支護參數(shù)，優(yōu)化設計及施工方案提拱參考。

（2）加強監(jiān)控量測工作。結合超前地質預報對地質條件判釋，及時調整監(jiān)測斷面間距和監(jiān)測測線，測量時與洞內控制點聯(lián)測且采用絕對坐標監(jiān)測，獨立采集各測點的三維變形數(shù)據(jù)，對各測點X、Y、Z三個方向的變形數(shù)據(jù)進行獨立分析；并結合隧道斷面掃描儀掃描數(shù)據(jù)對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行綜合分析，及時調整支護參數(shù)、開挖預留變形量。

（3）當遇到不利地質構造時，應采用徑向注漿或施作長錨桿，固結洞周破碎巖體使松動圈形成一個固結體，充分利用圍巖的自承能力。

（4）對圍巖極為破碎、巖質較軟、地質偏壓段應采取“先強后優(yōu)化” “以抗為主”的原則，支護一次到位，利用強支護及時封閉圍巖，抑制松動圈擴大，避免初期支護體系的變形破壞。

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