麗香鐵路黃山哨隧道下穿巖堆段設計施工關鍵技術

李貴民

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司， 云南 昆明 650200)

0 引言

巖堆是指陡峭山坡上經(jīng)過長時間的物理、化學作用形成的碎石、巖屑等巖體崩塌物質(zhì)經(jīng)暴雨沖刷或重力搬運，在山坡坡腳或平緩山坡上堆積的松散堆積體。下穿巖堆隧道的設計與施工一直是隧道工程建設中的難題，在施工中出現(xiàn)了很多地表開裂及洞內(nèi)初期支護邊墻嚴重變形甚至二次襯砌開裂等事故。目前，國內(nèi)外許多專家對巖堆隧道修建技術進行了大量研究，并提出了相應觀點與解決辦法，且大多以定性為主。如： 吳發(fā)展[1]對鷹嘴巖隧道巖堆體施工技術進行研究，提出地表噴混凝土封閉并注漿加固處理措施； 劉建紅[2]對寶蘭客運專線石崖隧道下穿巖堆進行綜合設計，提出錨索及抗滑樁加固的處理措施； 蔣向陽[3]對巖堆體特征及其對隧道工程的影響進行研究，提出跟管鉆孔及注漿加固的處理措施； 劉新峰等[4]針對開挖進尺對巖堆體隧道施工的影響進行分析，得出巖堆隧道開挖進尺不宜超過1 m的結論； 丁祖德等[5]對考慮空間效應的巖堆體隧道管棚力學模型進行研究，提出管棚加固的處理措施； 石先火等[6]對巖堆體隧道洞口淺埋段開挖進尺進行計算分析，得出預留核心土能明顯提高巖堆隧道掌子面穩(wěn)定性的結論； 黃建國[7]對隧道在松散堆積體下的掘進方案進行研究，得出超前大管棚能有效控制拱部溜坍的結論； 何毅等[8]對隧道洞口段過巖堆體的防坍技術進行研究，提出設置擋墻及預加固的防坍技術； 矯禎宇[9]對淺埋偏壓巖堆地質(zhì)的隧道出洞技術進行研究，提出設置超前管棚及預留核心土的出洞技術； 張闖等[10]對淺埋隧道下穿松散巖堆體進洞技術進行分析，提出弱爆破及地表注漿的處理措施； 張穎[11]對大前石嶺隧道進口巖堆體的穩(wěn)定性進行分析評價，得出明挖放坡+抗滑樁可有效保證穩(wěn)定的結論。由于地下工程的隱蔽性，使得沒有任何一個理論或治理措施能夠應對地質(zhì)復雜多變的實際情況。目前，國內(nèi)外尚無系統(tǒng)的定量處理巖堆隧道的標準和設計、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?，F(xiàn)場施工時初期支護變形較大，最大累計水平收斂值為34 cm，最大累計沉降值為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變形，防止該段洞身整體失穩(wěn)，進行地表位移、洞內(nèi)變形、洞內(nèi)初期支護及二次襯砌應力等監(jiān)測，并對巖堆隧道變形控制措施進行研究和工程實踐。提出地表巖堆土石接觸面處理、襯砌結構及支護參數(shù)、隧道邊墻輪廓曲率、預留變形量、內(nèi)凈空補強空間等定量優(yōu)化措施，確保現(xiàn)場施工安全。

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，進口里程為DK8+310，出口里程為DK12+344，全長4 034 m，是設計時速為120 km/h的客貨共線電氣化鐵路單線隧道?，F(xiàn)場施工過程中，進口工區(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—強風化玄武巖夾凝灰?guī)r，風化裂隙發(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段原設計采用V級B型復合式襯砌，初期支護采用全環(huán)I18鋼架，間距0.8 m/榀。拱部設置φ42小導管超前支護，縱向間距1.6 m/環(huán)，每根長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3 m，間距1 m，梅花型布置； 拱墻設置φ8鋼筋網(wǎng)片，間距20 cm×20 cm。按原設計施工后初期支護變形較大，嚴重侵限，最大累計水平收斂值為34 cm，最大累計沉降值為13 cm，初期支護局部開裂，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，裂縫長度約80 m，裂縫最寬處約20 cm、最窄處約5 cm，鋼尺測量最大深度約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)域上處于我國著名的南北向地震帶南段之滇西地震帶，隧道進口端發(fā)育一區(qū)域性大斷裂(大具—麗江斷裂)，經(jīng)多期構造作用影響，該段地層結構復雜，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)補充勘察資料及現(xiàn)場開挖揭示情況顯示，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力調(diào)整等不利因素的影響，該段施工后初期支護變形較大，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滑巖堆體底面，降低接觸面力學指標，引起土壓力增大，于巖堆體后緣與既有山體接觸處設置截水溝及封閉面板，地表施作對應起訖里程為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，鋪砌面板底部設置HRB400的φ18鋼筋網(wǎng)片，鋼筋間距20 cm×20 cm，凈保護層厚55 mm。鋪砌面板下施作內(nèi)外2排φ42鋼花管，交錯布置，注水泥砂漿，內(nèi)排管長3 m(距裂縫水平距離1 m)，外排管長4 m，間距3 m×1 m(縱×橫)，嵌入基巖深度不小于50 cm。地表增設截水溝及封閉面板典型斷面如圖4所示。

圖4 地表增設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 加強襯砌結構及支護措施

根據(jù)施工揭示地質(zhì)條件、圍巖變化情況、專家會意見及結構計算結果，為保證施工安全及運營安全，對襯砌結構及支護措施予以調(diào)整。

變更設計采用Ⅴ級淺埋偏壓加強復合式襯砌，初期支護采用全環(huán)I22b鋼架，間距0.5 m/榀。拱部設置φ42超前小導管，縱向間距1.5 m/環(huán)，每根長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5 m，間距1 m，梅花型布置。二次襯砌采用ANSYS進行結構檢算，檢算時二次襯砌縱向長度取1 m，根據(jù)洞內(nèi)外變形監(jiān)測情況及初期支護受力結果分析，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)。計算結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初期支護變形速率為2～4 mm/d，未達到規(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)時間相對較長，無法達到規(guī)范要求的穩(wěn)定標準后施作二次襯砌。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 加大預留變形量

由于地表裂縫已與洞內(nèi)變形相關聯(lián)，巖堆段后期蠕變量較大，在很長一段時間內(nèi)都無法收斂穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場實測變形斷面顯示，邊墻單側(cè)最大變形可達40 cm，適當增大預留變形量是必要的。雖然巖堆段結構及支護措施已加強，但考慮按原設計開挖后侵限換拱嚴重，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)動效應，為避免預留量不足導致二次換拱及再次擾動巖堆體，本次隧道初期支護預留變形量按30 cm設置。

3.5 內(nèi)凈空預留補強空間

根據(jù)洞內(nèi)外監(jiān)控量測顯示，地表裂縫已與洞內(nèi)變形相關聯(lián)，為避免運營期間隧道開裂鑿除既有二次襯砌的風險，隧道二次襯砌內(nèi)凈空預留50 cm補強空間。

3.6 加強拱部超前支護

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，隧道拱部設置φ42超前小導管，縱向間距1.5 m/環(huán)，每根長3 m，搭接1.5 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)31根。超前小導管注水泥漿固結拱部圍巖，水泥漿水灰質(zhì)量比為0.5∶1，注漿壓力1 MPa，小導管尾部設置止?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)邊墻合計預留變形量為600 mm，兩側(cè)邊墻實際最大變形約為210 mm。

圖6 巖堆段初期支護變形曲線(2016年)

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

原設計V級B型襯砌初期支護為直邊墻，初期支護采用全環(huán)I18鋼架不利于承受巖堆水平荷載。按原設計開挖后侵限換拱嚴重，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)動效應。變更設計Ⅴ級淺埋偏壓加強襯砌，初期支護采用全環(huán)I22b鋼架，且兩側(cè)邊墻各加大邊墻輪廓曲率30 cm，結構受力合理，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示邊墻變形在可控范圍內(nèi)。

4.2 洞內(nèi)應力測試結果

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段進行圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、二次襯砌內(nèi)力、初期支護與二次襯砌間的接觸壓力、錨桿軸力量測，共布置3個斷面。洞內(nèi)應力測試典型橫斷面如圖7所示。

DK8+560斷面監(jiān)測結果顯示： 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)應力大于右側(cè)，其中左側(cè)最大水平應力為0.248 MPa(遠遠小于C35混凝土彎壓容許應力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)測結果顯示應力在安全范圍內(nèi))。根據(jù)以上監(jiān)測結果可以判斷，巖堆體中有1條潛在滑動面穿過了隧道左拱45°和左邊仰拱位置。

圖7 洞內(nèi)應力測試典型橫斷面

4.3 地表測斜結果

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長注漿鋼花管相互干擾)，測斜管底部與隧道軌面齊平(標高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長注漿鋼花管相互干擾)，測斜管底部至軌面以下5 m(標高2 432.4 m)。測斜管典型橫斷面如圖8所示。

圖8 地表測斜管典型橫斷面 (單位： cm)

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

5 結論與建議

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、洞內(nèi)初期支護及二次襯砌應力監(jiān)測結果，并結合數(shù)值計算結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(設計考慮了洞內(nèi)加固后二次失穩(wěn)的洞內(nèi)外錨固樁預案，根據(jù)監(jiān)測結果，洞內(nèi)加固后隧道已變形穩(wěn)定，未啟動錨固樁預案)，并總結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截水溝及封閉面板，并對地表裂縫進行注漿加固。

2)加大隧道初期支護鋼架型號為全環(huán)I22b，并加長巖堆側(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)及加強主筋(主筋全環(huán)采用φ25@200，拱墻范圍加配φ25@200)。

4)為避免預留量不足導致二次換拱及再次擾動巖堆體，隧道初期支護預留變形量按30 cm設置。

5)隧道二次襯砌內(nèi)凈空預留50 cm補強空間。

6)隧道拱部設置φ42小導管超前支護。

現(xiàn)場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)測結果顯示，結構在安全可控范圍內(nèi)，可為類似工點制定處置措施提供參考。但本文主要是針對巖堆隧道洞內(nèi)初期支護及二次襯砌加強進行的研究，建議今后針對淺埋巖堆隧道洞外地表加固施工控制技術作進一步的分析和研究。