單線隧道軟巖大變形處理技術(shù)

劉軍成

（中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)第三工程有限公司,浙江湖州313000）

單線隧道軟巖大變形處理技術(shù)

劉軍成

（中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)第三工程有限公司,浙江湖州313000）

隧道軟巖大變形是隧道施工中的難點(diǎn)，初期支護(hù)變形會(huì)造成侵限換拱甚至大塌方，對(duì)施工單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在軟巖隧道施工中，控制初支變形尤為重要。以麗香鐵路圓寶山隧道3#橫洞工區(qū)施工為例，在現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，著重對(duì)單線鐵路隧道軟弱圍巖地段施工工藝、所采取的技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行了介紹，并對(duì)監(jiān)控量測(cè)及應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，以期能為今后同類(lèi)工程提供參考和借鑒。

軟巖大變形；換拱；鐵路隧道；處理技術(shù)

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

新建鐵路麗江至香格里拉線四標(biāo)段（站前工程）圓寶山隧道位于虎跳峽站～螺螄灣站區(qū)間，進(jìn)口里程D K65+776，出口里程D K76+382，全長(zhǎng)10 606m。隧道路線縱坡：進(jìn)口D K65+776～D K76+382全隧道為單面上坡，坡率依次為6‰（564 m長(zhǎng)）、21‰（350 m長(zhǎng)）、28.1‰（6 750 m長(zhǎng)）、28.5‰（1 610 m長(zhǎng)）、28.1‰（750 m長(zhǎng)）、16‰（350 m長(zhǎng)）、1‰（232 m長(zhǎng)）上坡。線路平面：除洞身D K66+438.89～D K67+ 391.40段952.389 m位于半徑為2 000的右偏曲線上，D K71+494.31～D K73+292.50段1 798.19 m位于半徑為1 600的左偏曲線上和D K75+057.10～D K76+055.29段998.19 m位于半徑1 600的右偏曲線上外，其余地段為直線。

隧道進(jìn)口緊鄰螺絲灣三線中橋橋臺(tái)，出口緊鄰花椒坡三線中橋橋臺(tái)，螺絲灣車(chē)站伸入隧道進(jìn)口445 m，花椒坡車(chē)站伸入隧道出口端152 m，隧道洞身最大埋深約680 m，最小埋深約40 m。

為解決施工場(chǎng)地、滿足施工工期、施工通風(fēng)、防災(zāi)救援及棄渣等需要，全隧共設(shè)4座橫洞，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)橫洞全長(zhǎng)分別為692 m、1 742 m、65 0m、1 189 m，除3號(hào)橫洞采用雙車(chē)道無(wú)軌運(yùn)輸外，其余橫洞均采用單車(chē)道無(wú)軌運(yùn)輸

1.2 地質(zhì)概況

圓寶山隧道3#橫洞工區(qū)正洞屬剝蝕構(gòu)造剝蝕深山峽谷地貌，相對(duì)最大高差達(dá)1 025 m。隧道區(qū)地表上覆蓋第四系全新人工棄土塊石土、滑坡堆積層，崩坡積塊石土、泥石流堆積層、沖洪積層漂石頭、坡洪積層粉質(zhì)粘土、粗角礫土，下伏基巖為三迭系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r夾板巖、下統(tǒng)板巖、千枚巖夾灰、炭質(zhì)板巖，巖質(zhì)較軟。測(cè)區(qū)為單斜構(gòu)造，受區(qū)域性構(gòu)造影響，其間褶曲發(fā)育，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性較差。地表水為溝槽水，較發(fā)育；地下水主要為基巖裂隙水，特殊巖體為炭質(zhì)板巖，巖溶弱發(fā)育，地下水較不發(fā)育，但在灰?guī)r與可溶巖接觸處可能存在較大的涌水。隧道通過(guò)區(qū)巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，開(kāi)挖后巖體易產(chǎn)生大變形，初支開(kāi)裂脫落掉塊。

1.3 工程特點(diǎn)

1.3.1 海拔高，氣候多變

圓寶山隧道位于沖江河左岸，凹的別溝至側(cè)任河之間。地面高程為2 375～3 400 m，相對(duì)高差1 025 m。隧區(qū)斜坡較陡峻，植被發(fā)育，以灌木叢，松樹(shù)林為主，次為雜樹(shù)林，低緩凹地及溝谷地帶多墾為旱地。由于特殊的地理環(huán)境，懸殊的地貌差異，因而構(gòu)成獨(dú)特的“一山分四季”的立體氣候。

1.3.2 山高溝深，施工難度大

隧區(qū)泥石流只要為隧道進(jìn)口前凹的別泥石流溝，橫洞口與公路高差近400 m的高差，沿線多為懸崖峭壁，便道施工難度非常大。隧道棄渣運(yùn)距大，需投入的機(jī)械、材料、人工也要增加，施工成本增大，安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)也增多，管理協(xié)調(diào)難度大。

1.3.3 隧道工程地質(zhì)復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)高

本線位于印度板塊俯沖歐亞板塊的縫合帶、青藏高原南東緣之橫斷山脈中段，區(qū)域地質(zhì)比較復(fù)雜，廣泛發(fā)育滑坡、巖溶、巖堆、危巖落石、泥石流、高地應(yīng)力、有害氣體等不良地質(zhì)；可溶巖分布廣泛，巖溶對(duì)隧道影響最大。深大活動(dòng)斷裂極為發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震活動(dòng)強(qiáng)烈，巖體破碎疏松，滑坡、崩塌、錯(cuò)落體等不良地質(zhì)密集、范圍大，具成群分布，泥石流、巖溶、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)問(wèn)題十分突出。圓寶山隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

2 大變形段設(shè)計(jì)情況

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

圓寶山隧道3#橫洞工區(qū)正洞D1K72+420～D1K72+450段采用“大變形II型襯砌斷面圖”，隧道內(nèi)輪廓不變，參照麗香隨變附01-07（H≥2 500 m），預(yù)留變形量40 c m，開(kāi)挖輪廓線邊墻曲率加大。全環(huán)采用I20b鋼架，間距0.5 m/榀，鋼架間縱向連接鋼筋采用25鋼筋，“Z”形布置，設(shè)于鋼架內(nèi)側(cè)（靠二襯側(cè)），鋼筋縱向接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi),鎖腳采用42鎖腳錨管，4 m每根，與鋼架焊接牢固；同時(shí)加強(qiáng)各臺(tái)階底部鋼架縱向墊槽鋼的施工工藝，確保鋼架系統(tǒng)整體穩(wěn)定性；拱部設(shè)42超前小導(dǎo)管，每根長(zhǎng)3.5 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距2 m，系統(tǒng)錨桿拱部組合中空錨桿，邊墻采用藥包錨桿，長(zhǎng)度4.0 m，非對(duì)稱(chēng)性施工。

2.2 施工工法

圓寶山隧道3#橫洞工區(qū)D1K72+420～D1K72+ 450段施工按臺(tái)階法組織施工，以?xún)膳_(tái)階為主，必要時(shí)采用三臺(tái)階，由于巖體較軟弱、破碎，為了防止減少大爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，開(kāi)挖方法挖掘機(jī)帶破碎頭開(kāi)挖為主，弱爆破為輔的開(kāi)挖方法。開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1榀拱架間距之內(nèi)（即50 c m）。為保證初支及時(shí)閉合成環(huán)，下臺(tái)階初支和仰拱初支一起施工，單次施工鋼架2榀。

2.3 自主加強(qiáng)參數(shù)

當(dāng)初支收斂較大，設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足初支變形時(shí)，可采用下列幾種加固措施。

2.3.1 橫撐加固

對(duì)初支開(kāi)裂及脫落部位進(jìn)行橫撐加固，采用I25b雙排鋼架，上下排距2 m，縱向間距1.5 m，采用22連接筋，間距1 m。

2.3.2 徑向注漿加固

2.3.3 錨筋樁加固

變形較大時(shí)采用錨筋樁進(jìn)行加固，錨孔采用高壓壓注砂漿后，插入32砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度9 m，墊板采用20 c m×20 c m鋼板，固定于鋼架處。

2.4 施工情況

圓寶山隧道3#橫洞工區(qū)大變形段于2016年7月1日開(kāi)始施工，8月25日，由于變形較大，初支開(kāi)裂嚴(yán)重，預(yù)留變形量已經(jīng)不能滿足收斂變化規(guī)律，于是同時(shí)采取了橫撐加固、徑向注漿加固及錨筋樁加固等措施，施工至2016年8月31日，施工里程起訖里程D1K72+420～D1K72+462，累計(jì)42 m。

3 收斂變形及應(yīng)力情況

3.1 收斂變形情況

初支由施工上臺(tái)階開(kāi)始變形過(guò)大，集中侵限于中臺(tái)階，故目前施工參數(shù)無(wú)法確保初期支護(hù)不侵限。

從總體上看，留抵稅額大部分集中在進(jìn)項(xiàng)稅倒掛的企業(yè)和前期投入較大的企業(yè)。這些企業(yè)迫切希望政策的放寬。另外，5月增值稅新政革新后，運(yùn)輸公司出具的是10%的進(jìn)項(xiàng)稅發(fā)票，但是物流公司出具的是6%的銷(xiāo)項(xiàng)稅發(fā)票，這就引致了留抵稅額的產(chǎn)生。再者，各個(gè)區(qū)域發(fā)展的不均衡也會(huì)出現(xiàn)這類(lèi)問(wèn)題，東部地區(qū)物產(chǎn)豐富，資源儲(chǔ)備完整，但是中西部地區(qū)各基礎(chǔ)設(shè)施及其資源相對(duì)比較薄弱，二者的差距就造成了企業(yè)間的稅負(fù)不均勻，西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)更加容易發(fā)生留抵稅額。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)情況

D1K72+440斷面各個(gè)位置應(yīng)力監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 D1K72+440圍巖壓力分布圖

圖2 D1K72+440鋼架應(yīng)力分布圖

圖3 D1K72+440錨桿軸力分布圖

通過(guò)以上D1K72+440處圍巖壓力、鋼架應(yīng)力及錨桿軸力分布圖顯示：

（1）圍巖壓力最大測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)在拱頂（1.223M P a）、右拱腰（0.422 MPa）及左拱腰（0.089 MPa），8月19日以后，拱頂壓力逐漸減弱，左拱腰受力較小。

（2）鋼架應(yīng)力最大測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)在拱頂上（-85.93M P a）、右拱腰下（60.03 MPa）、拱頂下（-40.94 MPa）及左拱腰下（35.99 MPa），數(shù)據(jù)顯示，前期應(yīng)力上升較快，三天后大部分呈下降趨勢(shì)。

（3）錨桿軸力最大測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)在右拱腰2（22.82 k N）、右拱腰3（22.66 k N）)、拱頂4（20.86 k N）及右拱腰1（19.49 k N），后期除左拱腰1表現(xiàn)為壓應(yīng)力外，其余均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，并有緩慢增加的趨勢(shì)。

綜上分析，D1K72+440段受力前期上升較快，后期變化較為平緩。

3.3 結(jié)果分析

在安裝鋼架鋼筋計(jì)并進(jìn)行初期支護(hù)后的初始時(shí)刻，接觸應(yīng)力值接近于零值，或呈微小負(fù)值，表示尚未形成終凝強(qiáng)度的混凝土噴層與鋼架之間處在非擠壓狀態(tài)。隨著隧道開(kāi)挖的向前進(jìn)行，噴射混凝土達(dá)到終凝強(qiáng)度，開(kāi)挖空間增大和圍巖向隧道內(nèi)位移，使拱頂及拱腰接觸應(yīng)力上升。應(yīng)力上升較快主要集中在埋設(shè)后的15 d內(nèi)，后期相對(duì)穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料整理

土壓力（圍巖壓力）：“+”受壓。

應(yīng)力計(jì)（鋼架內(nèi)力）：“-1”表示鋼拱架內(nèi)側(cè)，即靠近圍巖側(cè)，“-2”表示鋼拱架外側(cè)，即遠(yuǎn)離圍巖側(cè)；監(jiān)測(cè)結(jié)果“-”為受壓，“+”為受拉。

鋼筋計(jì)（錨桿軸力）：“-1～-4”表示從圍巖里到外的順序，監(jiān)測(cè)結(jié)果“-”為受壓，“+”為受拉。

圓寶山隧道3#橫洞工區(qū)D1K72+440斷面大變形監(jiān)測(cè)情況如下：

（1）圍巖壓力3組監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：最大壓力出現(xiàn)在拱頂及右拱腰，數(shù)據(jù)為1.223 MPa、0.422 MPa；最小壓力出現(xiàn)在左拱腰，最大壓力0.089 MPa。

（2）鋼架應(yīng)力6組監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：最大壓力出現(xiàn)在拱頂上、右拱腰下和拱頂下，數(shù)值為60.03 MPa、35.99 MPa；最大拉力出現(xiàn)在拱頂上和拱頂下，數(shù)值為-85.93 MPa、-40.94 MPa；左拱腰上受力相對(duì)較小，最大值為12.96 MPa。

（3）錨桿軸力12組監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：最大拉力出現(xiàn)在右拱腰2、右拱腰3及拱頂4，數(shù)值為22.82 k N、22.66 k N及20.86 k N；最小應(yīng)變出現(xiàn)在左拱腰1，數(shù)據(jù)為-0.5 k N。

5 結(jié)論

5.1 原因分析

根據(jù)圓寶山隧道3#橫洞工區(qū)試驗(yàn)段施工情況，目前仍然變形較大，存在初支開(kāi)裂現(xiàn)象，主要原因：

（1）隧道通過(guò)區(qū)巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，開(kāi)挖后存在股狀涌水，巖體遇水易產(chǎn)生大變形。

（2）在下臺(tái)階鋼架支護(hù)時(shí)，上臺(tái)階或中臺(tái)階鋼架已發(fā)生變形，上下連接鋼板不能密貼，拱架不夠順直。

（3）鎖腳施工施做不到位，錨孔過(guò)小，注漿擴(kuò)散范圍較小，固結(jié)力較差。

（4）超前和鎖腳注漿效果差，無(wú)壓力、且導(dǎo)致圍巖遇水后，軟化加劇。

5.2 技術(shù)總結(jié)

初支在圍巖、鋼架、錨桿及噴混凝土等相互作用下達(dá)到受力平衡體系，當(dāng)累計(jì)收斂達(dá)到一定程度，受力平衡被打破，表現(xiàn)為急劇收斂，產(chǎn)生鋼架扭曲、斷裂及塌方現(xiàn)象。

初支錨筋樁屬于主動(dòng)約束，既能有效控制初支前期變形又能有效抑制初支后期變形，防止二襯變形開(kāi)裂。

徑向注漿及臨時(shí)橫撐能起到阻止變形加劇的作用，徑向注漿能對(duì)周邊圍巖起到固結(jié)，能有效抑制初支后期變形。臨時(shí)橫撐對(duì)急劇變形起到較好的阻止作用。

U455.49

B

1009-7716（2017）06-0217-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.064

2017-03-06

劉軍成（1980-），男，山東鄄城人，工程師，從事項(xiàng)目施工管理工作。