順層偏壓千枚巖上覆厚砂層隧道變形控制技術(shù)

黃華明，黃擁志，劉 澤

（1.重慶建工第一市政工程有限責(zé)任公司，重慶 404100；2.四川省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610036；3.中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031）

隨著西部大開(kāi)發(fā)，成蘭等鐵路相繼建設(shè)，川西高原公路快速推進(jìn)。這些鐵路和公路穿越高原高山地貌，隧道占比大，隧道工程面臨穿越復(fù)雜水文地質(zhì)破碎圍巖、高地應(yīng)力軟巖，極易產(chǎn)生大變形。如拉林鐵路隧道最大變形值超過(guò)1 000 mm，成蘭鐵路隧道長(zhǎng)段落發(fā)生軟巖大變形，汶馬高速公路鷓鴣山隧道最大水平收斂變形達(dá)820 mm。這些大的變形主要發(fā)生在高地應(yīng)力軟巖地層，尤其是薄層富水千枚巖開(kāi)挖后極易坍塌變形，給工程施工帶來(lái)巨大的影響，初期支護(hù)侵限進(jìn)行換拱面臨眾多安全風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)高地應(yīng)力軟巖開(kāi)展了較多的研究，提出了基于強(qiáng)度應(yīng)力比為基礎(chǔ)的高地應(yīng)力大變形隧道分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)長(zhǎng)錨桿等支護(hù)措施的效果進(jìn)行了分析[1-6]。但針對(duì)緊鄰雅礱江高原寒區(qū)富水水文地質(zhì)條件下隧道大變形的研究不多，尤其是埋深200 m 以?xún)?nèi)出現(xiàn)超過(guò)1 000 mm 的大變形仍有待進(jìn)一步深入研究。本文結(jié)合令達(dá)拿隧道緊鄰雅礱江段出現(xiàn)的大變形進(jìn)行研究，以期對(duì)類(lèi)似水文地質(zhì)環(huán)境下隧道工程建設(shè)提供參考和借鑒。

1 工程概況

拉林鐵路令達(dá)拿隧道全長(zhǎng)2 515 m，為鐵路單線(xiàn)隧道，隧道最大埋深約322 m；隧道所在隧址區(qū)為喜馬拉雅極高山亞區(qū)，受雅魯藏布江及其支流切割控制，區(qū)內(nèi)山地綿延不絕，山勢(shì)高峻。隧道縱斷面標(biāo)高3 140～3 498 m。令達(dá)拿隧道緊鄰雅魯藏布江，位于雅魯藏布江彎道一側(cè)，最近距離約180 m，彎道處河床沖刷沉積層較厚；隧道洞身穿越弱—強(qiáng)風(fēng)化狀的上三疊統(tǒng)的朗杰學(xué)群（T3lj）的姐德秀組二段（T3j2）炭質(zhì)絹云千枚巖、板巖與變長(zhǎng)石石英粉砂巖不等厚互層，隧道位于雅魯藏布江縫合帶附近，受雅江結(jié)合帶俯沖、碰撞和韌性剪切作用影響，構(gòu)造復(fù)雜，受地質(zhì)構(gòu)造作用影響極嚴(yán)重，巖體總體破碎—極破碎，炭質(zhì)絹云千枚巖巖質(zhì)較軟，遇水易軟化。隧道地表水主要為溝水及雅魯藏布江江水，雨季及冰雪融化季節(jié)出口溝中有流水，枯水季節(jié)溝中無(wú)水?；鶐r孔隙水主要分布于炭質(zhì)絹云千枚巖、長(zhǎng)石石英粉砂巖、糜棱巖中，其水量大小主要受巖層分布面積及孔裂隙率大小控制；受雅魯藏布江河谷深切作用，隧址區(qū)內(nèi)地下水埋深大，屬中等—弱富水性。隧區(qū)不良地質(zhì)為針片狀千枚巖及石英砂巖，在地下水作用下千枚巖極易溜坍產(chǎn)生坍塌和大變形，隧道圍巖巖體破碎段，在地下水的綜合作用下，隧道開(kāi)挖后拱部及線(xiàn)路右側(cè)拱腰極易坍塌、掉塊，整體圍巖穩(wěn)定性極差。令達(dá)拿隧道平面示意圖如圖1 所示。

圖1 令達(dá)拿隧道平面示意圖

2 隧道大變形段預(yù)設(shè)計(jì)參數(shù)

令達(dá)拿隧道采用橢圓形復(fù)合式襯砌斷面，隧道洞身通過(guò)富水千枚巖夾石英砂巖地段按照大變形進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，分為輕微大變形、中等大變形和嚴(yán)重大變形。隧道全長(zhǎng)2 515 m，預(yù)設(shè)計(jì)軟巖大變形長(zhǎng)度2 204 m，占全隧長(zhǎng)度比例的87.6%。

中等大變形支護(hù)參數(shù)：隧道初期支護(hù)采用全環(huán)I22b 型鋼鋼架，鋼架間距0.6 m/榀，開(kāi)挖預(yù)留變形量20 cm，初期支護(hù)采用C30 早高強(qiáng)鋼纖維噴射混凝土；隧道系統(tǒng)錨桿采用拱部Φ22 mm 組合中空錨桿（L=3.0 m）+邊墻G32 自進(jìn)式中空注漿錨桿（L=5.0 m），間距0.8 m×0.8 m（環(huán)×縱）。隧道采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖，必要時(shí)設(shè)置臨時(shí)橫撐。隧道二次襯砌采用C35 混凝土，厚45 cm，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后施作。

嚴(yán)重大變形支護(hù)參數(shù)：隧道初期支護(hù)采用雙層型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)，第一層采用全環(huán)I20b 型鋼鋼架，鋼架間距0.6 m/榀；噴射混凝土采用C30 鋼釬維噴射混凝土，厚度27 cm，鋼釬維參量為40 kg/m3；第二層采用全環(huán)I22b 型鋼鋼架，鋼架間距0.6 m/榀；噴射混凝土采用C30 鋼釬維噴射混凝土，厚度29 cm，鋼釬維參量為40 kg/m3。襯砌內(nèi)側(cè)預(yù)留30 cm 補(bǔ)強(qiáng)空間。隧道系統(tǒng)錨桿采用L為4 m 的Φ22 mm 組合中空錨桿（拱部）、L為8 m 的G32 自進(jìn)式錨桿（邊墻）和L為3 m的Φ22 mm 組合中空錨桿（仰拱），間距0.8 m×0.8 m（環(huán)×縱）。

3 隧道施工變形及原因分析

令達(dá)拿隧道出現(xiàn)大變形段總長(zhǎng)度超過(guò)700 m，其中中等大變形段落長(zhǎng)度超過(guò)150 m，嚴(yán)重大變形段落長(zhǎng)度超過(guò)100 m；隧道大變形造成侵限拆換拱段長(zhǎng)度超過(guò)100 m。

3.1 開(kāi)挖揭示地質(zhì)

3.1.1 輕微大變形段

隧道上臺(tái)階掌子面段開(kāi)挖揭示圍巖巖性為炭質(zhì)千枚巖，局部夾團(tuán)塊狀砂巖，弱風(fēng)化狀?yuàn)A強(qiáng)風(fēng)化狀，受地質(zhì)構(gòu)造影響極為嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，掌子面普遍存在褶曲現(xiàn)象，巖體整體呈破碎狀，宏觀呈層狀結(jié)構(gòu)，線(xiàn)路左側(cè)拱頂—拱腰—拱腳處巖體破碎呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)，且線(xiàn)路左側(cè)拱腰至拱頂處“小股狀”地下水發(fā)育，水量約10 m3/h，整體圍巖穩(wěn)定性差。

3.1.2 中等大變形段

隧道掌子面開(kāi)挖揭示圍巖巖性為三疊系上統(tǒng)炭質(zhì)千枚巖夾團(tuán)塊狀石英砂巖，強(qiáng)風(fēng)化狀，受地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，巖體整體破碎—極破碎，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)，局部宏觀呈層狀結(jié)構(gòu)，巖層走向與線(xiàn)路夾角約30°，傾角約50°且傾向線(xiàn)路左側(cè)，且層間結(jié)合差，軟硬不均，層理產(chǎn)狀變化頻繁，上臺(tái)階左、右兩側(cè)拱腰地下水發(fā)育狀態(tài)為線(xiàn)狀滴水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤(rùn)狀態(tài)，巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈加之千枚巖遇水易軟化，開(kāi)挖后由于地下水持續(xù)作用，巖體軟化造成圍巖強(qiáng)度降低，整體圍巖穩(wěn)定性變差。

3.1.3 嚴(yán)重大變形段

隧道掌子面開(kāi)挖揭示了圍巖巖性為三疊系上統(tǒng)炭質(zhì)千枚巖夾團(tuán)塊狀石英砂巖，受區(qū)域雅魯藏布江斷裂帶（F1-5-3）及構(gòu)造影響非常嚴(yán)重，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀，節(jié)理很發(fā)育，巖體整體破碎—極破碎，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)，整體宏觀呈層狀結(jié)構(gòu)，局部呈褶皺現(xiàn)象，巖層走向與線(xiàn)路夾角約30°，傾角約50°且傾向線(xiàn)路左側(cè)，且層間結(jié)合差，巖質(zhì)軟，層理產(chǎn)狀變化頻繁，拱部地下水發(fā)育狀態(tài)為線(xiàn)狀滴水，其余部位地下水發(fā)育為濕潤(rùn)狀態(tài)，巖體受構(gòu)造風(fēng)化作用強(qiáng)烈加之千枚巖遇水易軟化，開(kāi)挖后由于地下水持續(xù)作用，巖體軟化造成圍巖強(qiáng)度降低，整體圍巖穩(wěn)定性差。掌子面圍巖如圖2所示。

圖2 嚴(yán)重大變形段掌子面圍巖

3.2 變形特征

3.2.1 變形量大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

大變形隧道圍巖地質(zhì)大多為炭質(zhì)娟云千枚巖、板巖或炭質(zhì)絹云千枚巖與變長(zhǎng)石石英粉砂巖不等厚互層，圍巖變形時(shí)間長(zhǎng)且遇水軟化，拱頂沉降和水平收斂等變形特征的時(shí)空效應(yīng)明顯，長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)變形易引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，極易造成侵限甚至是坍塌。令達(dá)拿隧道碳質(zhì)千枚巖夾石英砂巖富水段隧道開(kāi)挖初期支護(hù)施作之后，變形仍以較快的速度長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)增加，隧道拱頂沉降最大速率261 mm/d，隧道周邊收斂最大速率275 mm/d，拱頂沉降最大值1 023 mm，周邊收斂最大值835 mm，變形持續(xù)時(shí)間基本在100 d 左右。隧道典型斷面收斂變形歷時(shí)曲線(xiàn)如圖3 所示，隧道典型斷面拱頂沉降歷時(shí)曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖3 隧道典型斷面收斂變形歷時(shí)曲線(xiàn)

3.2.2 順層偏壓地層隧道開(kāi)挖發(fā)生不對(duì)稱(chēng)大變形

隧道DK240+160—DK242+619段洞身左側(cè)為順層偏壓，開(kāi)挖揭示線(xiàn)路左側(cè)圍巖比右側(cè)更破碎，且存在股狀滲水，隧道開(kāi)挖后出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)大變形，左右側(cè)絕對(duì)位移量差異最大值達(dá)40 cm。

3.2.3 軟巖大變形段的變形量較難預(yù)測(cè)

復(fù)雜水文地質(zhì)條件下軟巖大變形量難以預(yù)測(cè)，原來(lái)設(shè)計(jì)嚴(yán)重大變形段開(kāi)挖預(yù)留變形量30 cm，實(shí)際開(kāi)挖大變形遠(yuǎn)超預(yù)留變形值，導(dǎo)致初期支護(hù)侵限換拱。

3.3 變形原因分析[7]

3.3.1 地質(zhì)因素

隧道發(fā)生大變形段落位于雅魯藏布江縫合帶附近，洞身穿越風(fēng)積砂覆蓋地層，埋深100～150 m，其中松散覆蓋層厚60～70 m，千枚巖覆蓋層厚40～80 m，巖體總體破碎—極破碎，存在順層偏壓；地下水發(fā)育，巖體受構(gòu)造風(fēng)化強(qiáng)烈加之千枚巖遇水易軟化引起變形。

隧道嚴(yán)重大變形段位置如圖5 所示。

圖5 隧道嚴(yán)重大變形段位置示意圖

3.3.2 勘察設(shè)計(jì)因素

勘察設(shè)計(jì)不詳導(dǎo)致設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)偏弱，針對(duì)性不強(qiáng)。施工前對(duì)隧道水文地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和分析不細(xì)，其中隧道緊鄰雅魯藏布江彎道附近，隧道埋深100 余米，其中上部基本為河道沖刷堆積的砂層，隧頂約30 m 范圍為千枚巖夾石英砂巖交互地層，上部砂層等松散堆積體形成較大荷載，設(shè)計(jì)時(shí)未能考慮到上部荷載影響，隧道開(kāi)挖后該段出現(xiàn)較大變形。隧道開(kāi)挖預(yù)留變形量不足，嚴(yán)重大變形段預(yù)留變形量30 cm 遠(yuǎn)小于實(shí)際變形值，導(dǎo)致初期支護(hù)侵限換拱。

3.3.3 施工因素

隧道開(kāi)挖后初期支護(hù)仰拱未能及時(shí)封閉成環(huán)，不利于控制軟巖大變形隧道持續(xù)變形。臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，下臺(tái)階與仰拱分次開(kāi)挖，導(dǎo)致仰拱初期支護(hù)不能及時(shí)封閉成環(huán)，不利于控制軟巖大變形隧道的持續(xù)變形。

4 大變形控制措施

4.1 地應(yīng)力測(cè)試[8]

隧道洞內(nèi)DK242+125 里程處施作一組地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。實(shí)測(cè)該段隧道地應(yīng)力最大值為10.2 MPa，與線(xiàn)路走向夾角約85°。

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.2 大變形試驗(yàn)段研究

為確定針對(duì)性支護(hù)參數(shù)和施工方法，先后開(kāi)展3段試驗(yàn)段施工，分段試驗(yàn)段長(zhǎng)度均為20 m。

4.2.1 DK242+135—DK242+115 段

該段上臺(tái)階線(xiàn)路右側(cè)已完成的初支在拱腰位置發(fā)生較大變形，變形速率超過(guò)10 mm/d，初支表面出現(xiàn)裂紋，局部出現(xiàn)初支砼脫落、格柵鋼架變形扭曲，且變形段落有沿隧道縱向向兩側(cè)發(fā)展趨勢(shì)。該段為第一段試驗(yàn)段，初支內(nèi)側(cè)按1.2 m 間距設(shè)置I20b 臨時(shí)工鋼套拱，鋼架底部設(shè)置I20b 臨時(shí)橫撐封閉成環(huán)。線(xiàn)路右側(cè)增設(shè)長(zhǎng)3.5 m、Φ42 mm 鋼花管徑向注漿加固圍巖，鋼花管間距為1.2 m×1.2 m，加密量測(cè)斷面至5 m，加固完成且變形趨于穩(wěn)定后，對(duì)侵限初支按Ⅴc 型復(fù)合式襯砌進(jìn)行逐榀拆換，預(yù)留變形量調(diào)整至20 cm，全環(huán)采用I18 工字鋼、間距0.8 m。同時(shí)開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)試、巖石強(qiáng)度和大變形監(jiān)控量測(cè)，進(jìn)行分析和總結(jié)。

4.2.2 DK242+115—DK242+095 段

該段作為大變形第二段試驗(yàn)，支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 隧道試驗(yàn)Ⅱ段支護(hù)參數(shù)表

監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，上述2 個(gè)試驗(yàn)段內(nèi)最大收斂值23.1 mm，最大拱頂沉降值21.4 mm，變形速率1.8 mm/d，證明試驗(yàn)段支護(hù)措施對(duì)圍巖變形起到了有效約束作用。

4.2.3 DK242+095—DK242+075 段

考慮收斂及拱頂下沉值均較小，掌子面圍巖整體性有變好趨勢(shì)，將該段作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Ⅲ段，主要目的是減小預(yù)留變形量，加大鋼架間距，取消臨時(shí)橫撐措施，具體如表3 所示。

表3 隧道試驗(yàn)Ⅲ段支護(hù)參數(shù)表

4.3 支護(hù)參數(shù)和施工方法優(yōu)化

隧道發(fā)生大變形，隧道初期支護(hù)以較快的變形速率長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)增加，變形難以控制，圍巖變形擠壓初期支護(hù)，鋼架產(chǎn)生扭曲變形破壞，初支噴射混凝土開(kāi)裂。結(jié)合試驗(yàn)段施工的參數(shù)和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)超前支護(hù)、預(yù)留變形量、開(kāi)挖步序和施工工法進(jìn)行了調(diào)整及優(yōu)化[9-15]。

超前預(yù)加固措施。隧道拱部施作Φ89 mm 超前大管棚，環(huán)向間距0.3 m，縱向6 m/環(huán)，單根長(zhǎng)9 m（具備條件的段落調(diào)整為15 m），注水泥-水玻璃雙液漿；拱部增設(shè)Φ42 mm 超前小導(dǎo)管，縱向間距2.4 m/環(huán)，單根長(zhǎng)3.5 m，環(huán)向間距30 cm；嚴(yán)重大變形段上臺(tái)階掌子面采用Φ25 mm 玻璃纖維錨桿超前加固，錨桿每根長(zhǎng)6 m，梅花形布置，間距1.5 m×1.5 m，縱向間距5.4 m，掌子面施作10 cm 厚C25 噴射混凝土臨時(shí)封閉。

調(diào)整預(yù)留變形量。隧道輕微大變形段預(yù)留變形量調(diào)整至20 cm，中等大變形段預(yù)留變形量加大至30 cm，嚴(yán)重大變形段預(yù)留變形量加大至60 cm。

調(diào)整開(kāi)挖步序。隧道采用臺(tái)階法開(kāi)挖，下臺(tái)階與仰拱一起開(kāi)挖，縮短仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)間，同時(shí)為第二層初期支護(hù)鋼架及時(shí)施作創(chuàng)造條件，有利于控制大變形。

施工工法調(diào)整。輕微大變形段開(kāi)挖方法采用臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐（必要時(shí)設(shè)置）工法；中等大變形段采用三臺(tái)階+臨時(shí)橫撐工法；嚴(yán)重大變形段采用三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱工法；破碎圍巖段采用懸臂掘進(jìn)機(jī)非爆破開(kāi)挖減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

4.4 實(shí)施效果

隧道大變形段采用上述優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)和施工方法，監(jiān)控量測(cè)顯示平均變形數(shù)值明顯減小，輕微、中等和嚴(yán)重大變形段優(yōu)化前后拱頂下沉及周邊收斂值對(duì)比情況如表4 所示。

表4 優(yōu)化前后隧道變形數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)令達(dá)拿隧道埋深不大但變形較大的難題，開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)3 個(gè)試驗(yàn)段施工，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和施工工法，減小了隧道大變形段變形量，保證了施工安全和質(zhì)量，并提出以下建議。

隧道軟巖擠壓大變形影響半徑較大，采用長(zhǎng)錨桿和剛性支護(hù)抑制較大變形；采用注漿鋼花管和自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿，加強(qiáng)注漿工藝控制，配置適宜的長(zhǎng)錨桿鉆孔和注漿機(jī)具，確保注漿壓力和注漿量，通過(guò)注漿加固改善隧道周邊圍巖，抑制開(kāi)挖后較大持續(xù)變形。

隧道中等及以上大變形采用鋼纖維噴射混凝土，提高初期支護(hù)噴射混凝土抗拉強(qiáng)度，有利于抑制噴射混凝土變形開(kāi)裂。

隧道中等及以上大變形段臺(tái)階法開(kāi)挖，臺(tái)階設(shè)時(shí)橫撐（臨時(shí)仰拱），初期支與臨時(shí)支護(hù)及時(shí)封閉；隧道嚴(yán)重大變形段掌子面不穩(wěn)定，尤其是千枚巖地層掌子面穩(wěn)定性差，隧道開(kāi)挖上臺(tái)階掌子面施作玻璃纖維錨桿超前加固，為短臺(tái)階開(kāi)挖創(chuàng)造掌子面穩(wěn)定條件，初支及時(shí)封閉成環(huán)，有利于控制軟巖持續(xù)大變形。

隧道嚴(yán)重大變形段初支采用雙層型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)，增強(qiáng)初支抵抗變形能力，要根據(jù)監(jiān)控量測(cè)得出的變形規(guī)律合理確定第一層和第二層鋼架預(yù)留變形量，單線(xiàn)斷面下臺(tái)階和仰拱同步開(kāi)挖支護(hù)有利于及時(shí)施作第二層鋼架。

軟巖大變形隧道二襯施作過(guò)晚，可能造成初期支護(hù)變形持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致隧道失穩(wěn)坍塌；二襯施作過(guò)早，可能使其受力過(guò)大而開(kāi)裂，降低隧道結(jié)構(gòu)耐久性。二襯施作時(shí)機(jī)尤為重要，軟巖大變形隧道可按變形速率2 mm/d 以?xún)?nèi)，且變形總體趨勢(shì)處于收斂狀態(tài)時(shí)施作二襯。