藏噶隧道蝕變花崗巖地層圍巖大變形控制措施研究*

彭學(xué)軍，李一萍，陳 彬，劉飛翔，方星樺

(1.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

1 工程概況

川藏鐵路拉(薩)林(芝)段藏噶隧道全長(zhǎng)8 775m，為設(shè)計(jì)列車(chē)速度160km/h的客貨共線單線隧道，隧址位于山南地區(qū)桑日縣境內(nèi)，線位高程3 550.000m左右，隧區(qū)地面高程3 550.000～4 400.000m，隧道最大埋深778m[1]。隧道主要穿越第三系始新統(tǒng)花崗巖、閃長(zhǎng)巖。地下水以孔隙水、基巖裂隙水為主，水量豐富。隧址區(qū)域性斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，洞身依次穿越拉龍—藏噶張性斷裂、正嘎斷裂和沃卡—羅布莎斷裂(該斷裂為沃卡盆地東緣斷裂，共發(fā)育5處支斷裂)，受區(qū)域構(gòu)造影響，巖體較破碎；不良地質(zhì)有冰磧層、大變形、連續(xù)富水?dāng)嗔训?。隧道部分區(qū)段縱斷面如圖1所示[1]。

圖1 藏噶隧道部分區(qū)段縱斷面

本隧道為全線控制工期的重難點(diǎn)工程之一，全隧道設(shè)有2座橫洞，其中2號(hào)橫洞全長(zhǎng)1 040m，與隧道正洞交于DK169+000處。2號(hào)橫洞工區(qū)正洞施工時(shí)，DK169+025—DK169+140段由原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖、全斷面法開(kāi)挖變更為Ⅴ級(jí)圍巖、臺(tái)階法開(kāi)挖。該段主要采用Ⅴc型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)[1]，支護(hù)參數(shù)為：全環(huán)設(shè)型鋼鋼架支護(hù)，間距0.8m/榀；拱墻、仰拱25cm噴射混凝土；拱部設(shè)3.5m長(zhǎng)φ42超前小導(dǎo)管，間距2.4m，共22根；拱部設(shè)3m長(zhǎng)φ22組合中空錨桿，邊墻設(shè)3m長(zhǎng)φ22砂漿錨桿，間距1.2m×1.0m(環(huán)×縱)；預(yù)留變形量為80～100mm。

圖2 Ⅴc型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)斷面(單位：cm)

2 隧道施工圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

2.1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

2號(hào)橫洞輔助坑道于2016年6月自H2DK0+300附近開(kāi)始發(fā)生大變形，其中H2DK0+297—H2DK0+000共計(jì)297m由III級(jí)圍巖變更為V級(jí)圍巖，變形量最大為320mm。2017年3月28日完成橫洞開(kāi)挖。

2號(hào)橫洞大里程正洞于2017年4月25日自DK169+025處開(kāi)始一直受?chē)鷰r大變形影響，現(xiàn)場(chǎng)變形情況嚴(yán)重，大變形發(fā)生在目前掌子面DK169+247。最大變形發(fā)生在DK169+122上臺(tái)階，斷面累計(jì)水平收斂3 023mm，主要表現(xiàn)為初支嚴(yán)重開(kāi)裂、噴射混凝土剝落及鋼架扭曲變形、接頭直接斷裂以及初支變形侵限等情況，如圖3所示。

圖3 初支破壞典型照片

2.2 大變形段整體變形情況

DK169+025—DK169+140段圍巖變形監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)圖4)表明，該里程段內(nèi)圍巖變形量大，其拱頂沉降平均值為248.32mm，水平收斂平均值為942.73mm，均超出預(yù)留變形量(80～100mm)，圍巖變形整體呈現(xiàn)出水平收斂大于拱頂沉降的特征。DK169+122斷面施工至下臺(tái)階時(shí)，上臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)已嚴(yán)重變形侵限，其累計(jì)拱頂沉降值為656.0mm，累計(jì)水平收斂值為3 023.0mm，該斷面進(jìn)行了拆換拱處理。

圖4 DK169+025—DK169+140段圍巖累計(jì)變形曲線

2.3 典型斷面圍巖變形特征

選取DK169+055，DK169+070典型斷面進(jìn)行分析，這兩個(gè)斷面均為臺(tái)階法施工，采用Ⅴc型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其變形時(shí)程曲線分別如圖5，6所示。

圖5 DK169+055斷面圍巖變形時(shí)程及速率曲線

通過(guò)分析圖5和圖6所示變形時(shí)程曲線可得出以下結(jié)論。

圖6 DK169+070斷面圍巖變形時(shí)程及速率曲線

1)圍巖變形量較大 在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，圍巖拱頂沉降、水平收斂變形量大，且呈現(xiàn)出水平收斂大于拱頂沉降的特征。其中，DK169+055斷面拱頂沉降累計(jì)值為84.5mm，水平收斂累計(jì)值為301.5mm，DK169+070斷面拱頂沉降累計(jì)值為89.0mm，水平收斂累計(jì)值為1 073.5mm，兩個(gè)斷面的拱頂沉降累計(jì)值和水平收斂累計(jì)值均超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量(80～100mm)。

2)圍巖變形速率較快 在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，隧道圍巖變形先后經(jīng)歷了加速階段與發(fā)展階段。隧道上臺(tái)階開(kāi)挖至下臺(tái)階開(kāi)挖，圍巖變形處于加速階段，圍巖變形速率大，DK169+055斷面平均沉降速率和上臺(tái)階平均收斂速率分別為2.0，17.7mm/d，DK169+070斷面平均沉降速率和上臺(tái)階平均收斂速率分別為2.6，31.3mm/d，此階段圍巖變形占總變形的40%～50%；隧道下臺(tái)階開(kāi)挖至仰拱開(kāi)挖支護(hù)，圍巖變形處于發(fā)展階段，圍巖變形速率有所減小，但仍維持在較高狀態(tài)，DK169+055斷面平均沉降速率和上臺(tái)階平均收斂速率分別為2.9，4.6mm/d，DK169+070斷面平均沉降速率和上臺(tái)階平均收斂速率分別為1.7，19.2mm/d，此階段圍巖變形占總變形的50%～60%。

3)圍巖變形速率受施工擾動(dòng)存在一定影響 DK169+055斷面在下臺(tái)階左側(cè)開(kāi)挖時(shí)，水平收斂速率由17.2mm/d躍升至30.2mm/d，DK169+070斷面在下臺(tái)階右側(cè)開(kāi)挖時(shí)，水平收斂速率由9.3mm/d躍升至48.5mm/d，且隨后出現(xiàn)變形速率波動(dòng)變化特征，圍巖變形速率受施工擾動(dòng)影響較大。

4)隧道圍巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) 支護(hù)封閉成環(huán)后圍巖變形仍無(wú)收斂跡象，2個(gè)典型斷面在施作仰拱后圍巖變形速率逐漸減小但最后仍處于較低水平值，其值約為3.2mm/d，圍巖變形仍持續(xù)緩慢增長(zhǎng)。

3 蝕變花崗巖地層圍巖大變形控制措施

3.1 圍巖大變形原因分析

綜合地質(zhì)資料、圍巖變形特征及相關(guān)工程案例分析，藏噶隧道圍巖大變形的主要原因如下。

1)圍巖條件及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜 隧址區(qū)位于沃卡地塹東緣斷裂影響帶中，受多期區(qū)域構(gòu)造影響，隧區(qū)巖體結(jié)構(gòu)松散破碎，褶皺及節(jié)理、裂隙極發(fā)育，層間結(jié)合性差，多有分離現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度處于殘余狀態(tài)；加之大變形段圍巖蝕變特征明顯，巖體強(qiáng)度較低，為巖體大變形提供了誘發(fā)條件[2]。

2)存在較高地應(yīng)力 由該區(qū)域深孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，隧區(qū)最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值平均為1.29，最大達(dá)1.76，表明區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力主要為構(gòu)造應(yīng)力，方向?yàn)镹6oW-N7oE，最大水平地應(yīng)力達(dá)17.72MPa?？紤]到藏噶隧道大變形段圍巖結(jié)構(gòu)松散破碎，巖體強(qiáng)度較低，圍巖在較高地應(yīng)力作用下易出現(xiàn)大變形[3-4]。

3.2 控制措施

1)開(kāi)挖方式 結(jié)合圍巖大變形特征及原因，在后續(xù)施工中采用以三臺(tái)階法、合理控制臺(tái)階長(zhǎng)度為主的開(kāi)挖方法，具體施工工序?yàn)椋孩偈┳鞴安砍爸ёo(hù)；②開(kāi)挖上臺(tái)階，施作初期支護(hù)，上臺(tái)階開(kāi)挖高度4.4m，臺(tái)階開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定為0.6m；③開(kāi)挖中臺(tái)階右側(cè)，施作初期支護(hù)，開(kāi)挖高度1.8m，距上臺(tái)階5m，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距的2倍確定為1.2m；④開(kāi)挖中臺(tái)階左側(cè)，施作初期支護(hù)，距中臺(tái)階右側(cè)3m；⑤開(kāi)挖下臺(tái)階右側(cè)，施作初期支護(hù)，開(kāi)挖高度4.2m，距中臺(tái)階左側(cè)3m，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距的2倍確定為1.2m；⑥開(kāi)挖下臺(tái)階左側(cè)，施作初期支護(hù)，距下臺(tái)階右側(cè)3m；⑦施作二層支護(hù)，下臺(tái)階左、右兩側(cè)初支完成后，及時(shí)對(duì)已施工完一層初支段施作二層支護(hù)；⑧開(kāi)挖仰拱，施作初期支護(hù)，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為3m；⑨施作仰拱二次襯砌及仰拱填充，仰拱澆筑長(zhǎng)度為12m；⑩進(jìn)行邊墻、拱部模筑混凝土澆筑。施工工序如圖7所示。

圖7 三臺(tái)階法施工工序

2)支護(hù)方式 支護(hù)方式采用以調(diào)整邊墻曲率、長(zhǎng)短錨桿結(jié)合、雙層初支支護(hù)為主的防抗結(jié)合的支護(hù)方式，其具體支護(hù)措施為：①調(diào)整邊墻曲率(邊墻側(cè)拱矢加大50cm)。②采用雙層支護(hù)，第1層支護(hù)設(shè)全環(huán)HW175型鋼，間距0.6m/榀，噴射25cm厚C30混凝土；第2層支護(hù)設(shè)全環(huán)I20b型鋼，間距0.6m/榀，噴射27cm厚C30混凝土。③增加預(yù)留變形量，III型嚴(yán)重大變形段預(yù)留變形量40cm+20cm，II型中等變形段預(yù)留變形量30cm。④長(zhǎng)短錨桿結(jié)合，拱部6m長(zhǎng)φ22中空錨桿，邊墻10m長(zhǎng)φ32自進(jìn)式錨桿，仰拱6m長(zhǎng)φ32自進(jìn)式錨桿，頂部15m長(zhǎng)φ50鋼管。⑤加強(qiáng)二次襯砌剛度，設(shè)全環(huán)60cm厚C35鋼筋混凝土。IIIB型襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖8所示。

3)輔助施工措施 為更好地控制圍巖變形，還采取了其他輔助措施[5]，主要有：①加強(qiáng)超前支護(hù)措施，提高圍巖承載力，減小圍巖松動(dòng)發(fā)展，試驗(yàn)段的超前支護(hù)措施為：方案1，10m長(zhǎng)φ89管棚，29根/環(huán)，0.4m×6.6m(環(huán)×縱)；方案2，3.5m長(zhǎng)φ42小導(dǎo)管，0.4m× 1.8m(環(huán)×縱)，29根/環(huán)；方案3，3.5m長(zhǎng)φ42小導(dǎo)管，0.4m× 2.4m(環(huán)×縱)，29根/環(huán)。②提高噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)。③必要時(shí)增設(shè)上臺(tái)階臨時(shí)仰拱與中臺(tái)階鎖腳錨管。④必要時(shí)進(jìn)行徑向注漿。⑤進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)和初期支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，將相關(guān)信息及時(shí)反饋到施工中，保證施工安全，為調(diào)整掘進(jìn)進(jìn)尺和施工方法及二層支護(hù)、二次襯砌施作提供信息依據(jù)。

4 實(shí)施效果分析

DK169+025—DK169+140段大變形現(xiàn)象突出，因此選取DK169+140—DK169+263段(共123m)作為大變形試驗(yàn)段，采取針對(duì)性措施進(jìn)行大變形控制試驗(yàn)，該段圍巖以Ⅴ級(jí)圍巖為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂散體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較低，遇水易崩解，與DK169+025—DK169+140段圍巖無(wú)明顯差異。

4.1 試驗(yàn)段圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)段各監(jiān)測(cè)斷面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。從圖9中可分析得到：①大變形試驗(yàn)段拱頂沉降和上臺(tái)階收斂平均值分別為117.18，743.69mm，拱頂沉降平均值較大變形段減小52.8%，水平收斂平均值較大變形段減小21.1%，各斷面水平收斂基本上在安全范圍內(nèi)，變形得到有效控制；②DK169+200—DK169+263段在IIIB型襯砌支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)后，變形控制效果有了明顯提高，尤其是上臺(tái)階收斂，有了顯著下降。

4.2 試驗(yàn)段典型斷面變形特征

選取DK169+224斷面作為典型斷面進(jìn)行分析，其變形時(shí)程曲線如圖10所示。

圖10 DK169+224斷面圍巖變形時(shí)程及速率曲線

通過(guò)分析圖10所示變形時(shí)程曲線可得出以下結(jié)論。

1)圍巖變形量得到控制 該斷面拱頂沉降累計(jì)值為102.3mm，上臺(tái)階水平收斂和下臺(tái)階水平收斂累計(jì)值分別為523.6，95.1mm，均在設(shè)計(jì)預(yù)留變形量(拱頂沉降600mm、水平收斂1 200mm)范圍內(nèi)，也呈現(xiàn)出水平收斂大于拱頂沉降的特征。

2)圍巖變形速率降低 該斷面上臺(tái)階開(kāi)挖至下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)間段內(nèi)，拱頂沉降平均值與上臺(tái)階收斂平均值分別為3.4，17.9mm/d，下臺(tái)階開(kāi)挖至仰拱開(kāi)挖支護(hù)時(shí)間段內(nèi)，拱頂沉降平均值與上臺(tái)階收斂平均值分別為1.3，6.4mm/d，變形速率相對(duì)于大變形段圍巖有所下降，圍巖變形發(fā)展減緩。

3)圍巖變形持續(xù)時(shí)間縮短 自上臺(tái)階開(kāi)挖44d后施作仰拱封閉支護(hù)成環(huán)，圍巖變形趨于收斂，在仰拱施作完成4d后圍巖變形速率降低至0，圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定，相比于大變形段變形持續(xù)時(shí)間明顯縮短。

綜上可知，采取以三臺(tái)階法開(kāi)挖，調(diào)整邊墻曲率、長(zhǎng)短錨桿結(jié)合、雙層支護(hù)為主的防抗結(jié)合變形控制措施，結(jié)合臨時(shí)仰拱、拱腳鎖腳錨管等輔助措施后，圍巖變形量、變形速率、變形持續(xù)時(shí)間得到較好控制，施工過(guò)程中支護(hù)效果良好，未出現(xiàn)大變形、塌方等異常現(xiàn)象，控制效果較好。

4.3 施工進(jìn)度

DK169+025—DK169+140大變形段2017年4月7日起施工，2018年5月22日完成全段二襯混凝土澆筑，總共歷經(jīng)410d，日開(kāi)挖速率0.28m/d；DK169+200—DK169+263試驗(yàn)段2017年10月27日起施工，2018年10月15日完成全段二襯混凝土澆筑，總共歷經(jīng)353d，日開(kāi)挖速率0.35 m/d。試驗(yàn)段的日開(kāi)挖速率較大變形段提高25%，提高了施工效率，在加快施工進(jìn)度方面效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

1)藏噶隧道穿越多條斷裂帶，受區(qū)域構(gòu)造影響，地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，巖體松散破碎，整體性差，花崗巖蝕變特征明顯，強(qiáng)度較低，不利于控制隧道變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，發(fā)生大變形。

2)藏噶隧道圍巖大變形呈現(xiàn)出變形量大、變形速率快、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、收斂明顯大于沉降的特征。通過(guò)采取三臺(tái)階法開(kāi)挖，調(diào)整邊墻曲率、長(zhǎng)短錨桿結(jié)合、雙層支護(hù)為主的防抗結(jié)合變形控制措施，結(jié)合臨時(shí)仰拱、拱腳鎖腳錨管等輔助措施，使得圍巖最大變形量、速率得以控制，施工效果良好。