木寨岭隧道炭质板岩段大变形控制技术

木寨岭隧道炭质板岩段大变形控制技术
张献伟
(中铁隧道集团有限公司 , 河南 洛阳 471009 )
摘要 : 为解决高地应力炭质板岩隧道大变形的控制问题 ,以木寨岭隧道为例 ,从地质原因 、设计原因 、施工原因方面进行了大变形 原因分析 ,通过选择合理的支护参数 、采取保护围岩的施工理念 ,长锚杆 、锁脚锚杆进行加强 、优化断面形状 、预留合理变形量并确 定变形控制标准 ,适时进行支护加强 、短台阶或超短台阶快开挖 、快支护 、快封闭和衬砌适时施作等综合施工技术 ,有效抑制了隧道 大变形的发生 。

关键词 : 隧道 ; 高地应力 ; 炭质板岩 ; 大变形 中图分类号 : U 453
文献标志码 : B
文章编号 : 1672 - 741X ( 2010 ) 06 - 0683 - 04
Technology for Con trol of Large D eforma ti on in Car bonaceous
Sl a te Secti on of M uzha ili n g Tunnel
ZH A N G X ianw e i
( C h ina R a il w ay Tunnel G roup C o . , L td . , L uoyang 471009, H e nan, C h ina )
A b stra c t: Geo l ogica l cond iti on s, tunne l de sign and tunne l con struc ti on a re ana lyzed in o rde r t o con tr o l the la rge def o r m 2
a ti on of the tunne l sec ti on in ca rbonaceou s sla te w ith h igh gr ound stre ss . R ea s ona
b le re inf o rce m en t p a ra m e te rs a re se le
c t 2 ed, the su rroun
d ing r ock s a r
e p r o tec ted, l ong bo lts and
f oo t 2l ock in
g bo lts a re in sta lled, the tunne l c r o ss 2sec ti on is op ti 2 m ized, rea s onab le def o r m a ti on is a ll owed and def o r m a ti on con tr o lling standa rd s a re e stab lished . Con struc ti on techno l o 2 gie s suc
h a s t
i m e ly re inf o rcem en t strengthen ing, sho rt o r sup e r 2sho rt bench excava ti on m e thod, i m m ed ia te re inf o rce 2 m en t, i m m ed ia te re inf o rcem en t struc tu re c l o sing and ti m e ly lin ing a re adop ted, wh ich have b r ough t the def o r m a ti on un 2 de r effec t ive con t r o l .
Key word s : tunne l ; h i gh gr ound stre s s; ca r bonaceou s sla t e; la r ge def o r m a t i on
复杂多变性 ,隧道建设过程中仍出现了很多工程问题 。

因此 ,解决大变形给隧道施工带来的危害 ,关键还是针 对各种力学机制对症下药 ,找到合理的的联合支护系 统并通过信息化施工 ,不断进行优化和完善 。

本文以 木寨岭隧道斜井和正洞施工为研究对象 ,总结出在该 类地层发生大变形的的发展规律 ,找出导致大变形发 生的主要因素 ,以期在施工中探求合理的控制措施 ,达 到围岩变形小尽量少拆换拱的目的 ,从而保证隧道安 全顺利施工 。

1 工程概况
在建的兰渝铁路木寨岭隧道为穿越甘肃省漳县与 岷县分界岭的越岭隧道 ,地形为秦岭高中山区 。

采用 双洞单线形式 ,全长约 19. 1 k m 。

全隧道设 8座辅助坑 道 ,为全线控制工程 , 2009 年 4 月开工 , 预计 2013 年
5月 主 体 工 程 竣 工 。

目 前 除 2#
斜 井 没 有 进 入 正 洞 施
0 引言
在高地应力软岩隧道施工中最大的难题就是大变
形控制问题 ,这也是一直困扰着地下工程界的一大难 题 。

根据相关文献资料检索显示 ,在我国发生隧道大
变形比较典型的有南昆铁路家竹箐隧道 [ 1 ]
、兰新二线
乌鞘岭隧道 [ 2 ] 、宜万 铁路 堡 镇隧 道 [ 3 ]
、国 道 212 改 建
木寨岭公路隧道 [ 4 ]
等 。

为了解决大变 形给 隧道 施 工 带来的问题 ,许多科技工作者和工程技术人员进行了 试验性和工程性研究 ,文献 [ 5 ]根据广成山隧道受软 弱围岩压变形的情况 ,通过采用有效的支护 、技术 、开 挖顺序和相应的监测手段 ,避免了因挤压发生的变形 侵限及坍方 ;文献 [ 6 ]通过对不同支护参改的试验段进 行分析 ,得出控制大变形的初期支护参数 ;文献 [ 7 - 8 ] 对控制变形的技术进行研究 ,并在工程施工过程中通 过采取多种措施 ,取得了较好效果 。

由于地质条件的
收稿日期 : 2010 - 10 - 20; 修回日期 : 2010 - 11 - 28
作者简介 : 张献伟 ( 1971 —) ,男 ,河南新密人 , 2007 年毕业于华中科技大学工程管理专业 ,工程师 ,主要从事铁路工程现场技术管理工作 。

隧道建设
684 第30 卷
工外,其他已经进入正洞施工。

洞身围岩级别主要为Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ级,其中, Ⅳ, Ⅴ级围岩占全隧84. 5 %以上; 洞身穿过板岩及炭质板岩段合计长8 850 m , 占全隧46. 5 %以上; 隧道穿越断层破碎带总计11 条,全长合计4 500 m,占全隧23. 6 % ,属高地应力区,为极高风险隧道。

由于地质条件的复杂性,现场成立动态设计组, 及时进行围岩类别确认。

根据设计预测隧道单位正常涌水量为547. 4～1 025. 4 m3 / ( d·k m ) ,无腐蚀性。

2 大变形基本情况
2. 1 围岩变形量大
大变形主要体现于结构水平收敛变形,通过对2# , 3# , 5# , 7#斜井变形段变形数据进行统计,累计变形> 150 mm 的测点共377 个, 其中超过200 mm 的测点占77 %。

相对于正常变形而言,显然属于大变形范围。

2. 2 变形速率快
7#大战沟斜井最大变形速率近80mm / d,变形处拱架内鼓,喷混凝土开裂,出现环、纵向裂缝。

3#大坪有轨斜井变形主要表现为突变,初期变形速率极大,其中最大变形速率发生在6 + 65处,达1 860mm / d。

变形段喷混凝土层大范围开裂剥落,变形范围均出现环、纵向裂缝,拱架出现拉裂,拱顶沉降及底板隆起也较为显著,通过量测,底板隆起最大近1m。

5#鹿扎斜井在斜1 040处变形速率达到625. 89mm / d,累计变形达963. 86mm。

2. 3 变形持续时间长
围岩变形持续时间较长,隧道开挖后应力重新分布时间长,即使加强初期支护约束,也很难达到收敛状态。

个别地段加套拱后依然存在着变形,如7#大战沟斜井局部地段施工完成10个月后,支护结构依然存在着变形开裂问题。

2. 4 变形分布不均匀和不对称
隧道变形存在着左右不均匀和不对称现象,初期支护完成后不同段落左右侧变形量不同,初期支护开裂,钢架扭曲甚至出现被剪断的情况,主要和岩层的走向有关。

3 变形原因分析
3. 1 地质原因
高地应力、软岩是挤压性变形的内因。

根据地质勘查资料测得最大水平主应力为24. 95 M Pa 和27. 16 M Pa,属高地应力区, 隧道走向与最大主应力方向一致。

目前出现的大变形大多与地应力有关,随着开挖深度的增大,地应力也将随之加大。

炭质板岩所具有的地质特性和产状不利是产生大变形最主要的成因[ 9 ] 。

炭质板岩的力学特点及微膨胀性,导致隧道开挖形成临空面后,岩体易发生塑性变形而挤入隧道,加大支护结构的荷载,从而诱发大变形的发生。

在对变形十分严重的部位进行钢支撑拆除、凿除喷混凝土时发现背后岩体完好,软岩多表现出较好的连续性,这说明主要是形变压力引起的破坏,变形往往发生数十cm 而未松动坍塌。

发生大变形地段为炭质板岩或板岩, 层状中- 薄层或压碎岩及断层影响带,受构造影响明显,节理裂隙发育,岩体破碎或褶皱明显,自稳性差,岩层走向与隧道轴线夹角较小,伴随地下水。

并且岩层走向与隧道夹角越小, 变形越大, 一般大于35 °, 变形不太明显。

岩层层厚越薄,变形值越大; 褶皱越明显, 变形值越大;另外地下水发育软岩地段变形速率和变形量都较大。

3. 2 设计原因
木寨岭隧道采用动态设计,大变形地段根据隧道变形情况实时调整支护参数。

从预设计分析,主要存在着下列问题:
1 )支护参数偏弱。

正洞Ⅴ级和Ⅴ级软岩分别采用工16和工20 钢架,间距分别为80 cm 和100 c m ,不足以抵抗围岩的巨大压力。

2 )对软弱围岩的加固强度不足。

拱墙锚杆长度分别为3. 0 m 和4. 5 m ,锚杆长度偏短,大部分锚杆未打入松动圈外,对控制围岩的松驰变形不利。

3 )断面结构形式不利于受力。

隧道为双层集装箱断面,高跨比大,初期支护结构一旦变形出现内鼓, 支护抗力急剧减小,继而变形持续增大,支护结构难以抵抗变形应力。

3. 3 施工原因
施工扰动是挤压性变形的外因,施工工艺控制不力是产生挤压大变形的直接原因。

如台阶长度不规范、仰拱封闭不及时、围岩拱架安设不平顺、连接不牢固、超挖及锚杆锚固效果差、喷射混凝土不密实等都会对变形发展起到推波助澜的作用。

4 变形控制措施
结合各变形段实际情况,均停工采取横撑、径向回填注浆、拆换拱架及套拱、加大初期支护刚架型号等专项措施进行处理,变形基本可得到控制,但对工程进度及安全造成较大影响。

结合现场试验结果、监测数据以及上述因素,针对木寨岭隧道施工现状,确定变形控制总体原则为:“加强支护, 及时封闭, 初期支护一次到位,减少套拱,杜绝拆换,二次支护适时施作,达到安全、经济、高效的变形控制目的”。

通过大变形控制工程实践,目前较为有效的大变形控制措施可归纳为以下几方面。

4. 1 找准变形段地质特点,确定对应的支护参数并适时优化
从变形段围岩岩性、产状等地质因素入手,据实调整围岩级别,及时选择相应施工参数并适时优化。

对
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第 6 期
张献伟 : 木寨岭隧道炭质板岩段大变形控制技术 685
变形较大难以控制地段 ,在施工中采取“先强后优化 ” 的原则 ,预先加强支护措施 ,确保施工安全 。

由于围岩 变化较为频繁 ,尤其是同级围岩由于岩性 、产状及地下 水等因素的变化 ,其变形情况亦会不同 。

因此 ,变形控 制措施不宜依据围岩级别一概而论 ,应在科研成果的
基础上根据变形段地质特点及施工 、变形情况等因素 分段确定变形控制措施 。

在预设计基础上把围岩进一 步细化为 2级围岩 5个亚类 ,即 Ⅴ级围岩分为 ⅤA , Ⅴ
B , Ⅳ级围岩分为 ⅣA , ⅣB , Ⅳ
C 。

具体划分标准及支
表 1 木寨岭隧道正洞大变形段围岩支护参数
Tab l e 1 Suppo r ting p a r am e t e r s fo r M uzha i ling tunne l in su r r ound i ng r ock s sub j ec t t o la r ge def o r m a t i on
围岩级别
围岩岩性特征类型
正洞支护参数
全环设 H 175 型钢拱架 ,间距 0. 5 m ,预留 20 c m 二次支护空间 ,断面型式采用 加大曲率断面 ,上半断面 C30 早高强混凝土封闭掌子面 5 cm ,设临时支撑 ,必要
时采用临时仰拱 。

系统锚杆拱部长 4. 5 m 、边墙处长 6 m ,锁脚锚杆 6 ×4 根 ,长 4. 5
m 。

喷射混凝土为 C30早高强 ,厚 33 c m ,设双层连接筋钢筋网 。

二次衬砌采用钢筋 混凝土
设双层初期支护钢架 ,第 1层采用全环 H 175型钢 ,间距 0. 5m ,第 2层采用拱墙 I
16套拱 ,间距 0. 8 m ,断面型式采用加大曲率断面 。

系统锚杆长 4. 5 m ,锁脚锚杆 6 ×4根 ,长 4. 5 m 。

喷射 C30早高强混凝土 ,厚 33 c m ,拱墙采用 < 42 小导管径向注 V A: 以板岩为主 , 夹炭质板岩 , 有涌水 。

岩体
较破碎 ,此类围岩易出现较大变形
V
V B:以断层角砾 、压碎岩为主 。

原岩为泥质 、炭
质板岩 ,石质极软 ,含泥团 、泥化夹层 ,揉皱现象极 其发育 ,局部呈碎屑状 ,无裂隙水或少量渗水 ,易 出现大变形 I V A:中厚层板岩 、变质砂岩 。

石质较坚硬 ,受 构造影响轻微 ,节理裂隙较发育 ,岩体较破碎 ,揉 皱现象不发育 ,少量基岩裂隙水及岩层走向对隧 道稳定性影响较小 ,一般大变形较少
全环设 I 16工字钢 ,间距 1. 2m 。

施作 < 22 全螺纹砂浆锚杆 , 3. 0 m ,间距 1. 2 m × 1. 2 m (环 ×纵 ) 。

喷射混凝土 C25 ,厚 23 c m 初期支护钢架采用 H 175型钢封闭成环 ,间距 0. 8 m ,断面型式采用加大曲率断
> 35 ° 面 ,设临时支撑 (必要时采用临时仰拱 ) 。

系统锚杆拱部长 4. 5 m 、边墙 6 m ,锁脚锚
杆 6 ×4根 ,长 4. 5 m 。

喷射混凝土为 C30早高强 ,厚 33 c m 。

设双层连接筋钢筋网 全环设 H 175 型钢拱架 ,间距 0. 5 m ,暂预留 20 c m 二次支护空间 , 根据量测结 果在施工过程中进行优化调整 ,断面型式采用加大曲率断面 , 设临时支撑 (必要
< 35 ° 时采用临时仰拱 ) 。

系统锚杆拱部长 4. 5 m 、边墙 6 m ,锁脚锚杆 6 ×4 根 , 长 4. 5
m 。

喷射混凝土为 C30 早高强 厚 33 c m 。

设双层连接筋钢筋网 。

二次衬砌采用 钢筋混凝土 全环设 H 175 型钢拱架 ,间距 0. 8 m ,预留 20 c m 二次支护空间 ,断面型式采用 加大曲率断面 ,上半断面 C30 早高强混凝土封闭掌子面 5 c m ,设临时支撑 (必要
> 35 ° 时采用临时仰拱 ) 。

系统锚杆拱部长 4. 5 m 、边墙 6 m ,锁脚锚杆 6 ×4 根 , 长 4. 5
m 。

喷射混凝土为 C30 早高强 ,厚 33 c m 。

设双层连接筋钢筋网 。

二次衬砌采用 钢筋混凝土
初期支护钢架采用 H 175 型钢封闭成环 , 间距 0. 5 m , 预留 20 c m 二次支护空 间 ,断面型式采用加大曲率断面 ,上半断面 C30 早高强混凝土封闭掌子面 5 c m ,
< 35 ° 设临时支撑 (必要时采用临时仰拱 ) 。

系统锚杆拱部长 4. 5 m 、边墙 6 m ,锁脚锚杆
6 ×4 根 ,长 4. 5 m 。

C30 早高强喷射混凝土 ,厚 33 c m 。

设双层连接筋钢筋网 。

二 次衬砌采用钢筋混凝土
I V B: 板岩 (夹砂岩 ) 夹炭质板岩 。

泥 质 、钙质结构 , 薄层夹中厚层状构造 , 受 构造影响轻微 ,扭曲现象及揉皱小 ,节理 裂隙较发育 - 发育 , 岩体较完整 - 较破 碎 ,自稳性好 ,无裂隙水或少量渗水 。

岩 层走向与隧道夹角大于 35 °地段一般变
形较小
I V
I V C: 薄层板岩夹 炭质 板岩 。

以泥 质
结构为主 ,石质较软 (局部极软 ) ,受构造
影响较重 ,揉皱现象发育 ,含泥化夹层及 层间挤压破碎带 ,节理裂隙发育 (局部很 发育 ) ,岩体破碎 ,自稳能力差 ,此类岩层
变形一般较大
4. 2 短台阶法施工 ,仰拱早闭合
采用短台阶法施工 ,尽快使支护结构形成闭合断 面 ,充分利用开挖面空间效应 ,控制围岩的不稳定蠕变 出现 。

台阶长度不超过 5 m , 初期支护仰拱距下台阶 长度不超过 25 m 。

对大变形段必须设初期支护仰拱 刚架 并 与 上 部 拱 墙 刚 架 封 闭 成 环 , 与 围 岩 共 同 形 成 “承载拱效应 ”,可有效减缓围岩变形速率 , 控制围岩 挤压变形 。

4. 3 尽量减少对围岩的扰动 ,采取预加固措施
在施工中应尽量减少诱发围岩变形的不利因素 , 积极主动采取“保护围岩 ”的施工理念 ,以控制围岩变 形发展 。

具 体 可 从 以 下 方 面 控 制 : 1 ) 利 用 超 前 预 支 护 ,对软弱破碎围岩采取进行主动加固控制 ,即“先加 固 ,后开挖 ”。

施工中采取拱 部 120 °, < 42 超前 小 导 管 ,并实时进行注浆 ,可以直接改善围岩的力学性质 , 增强其抵抗变形的能力 。

2 )严格控制爆破参数 ,利用 减弱振动控制爆破技术以尽量减少对围岩的振动 ,同
时控制循环进尺 ,以减少长进尺大药量而对围岩的振 动 。

3 )从保护围岩角度出发 ,针对软弱围岩强度较低 的情况 ,在 4#
有 轨 斜 井 进 行 了 弱 爆 破 或 非 爆 破 的 试
验 。

采用振动锤进行辅助开挖或修四周轮廓 ,控制超 欠挖比较理想 ,对围岩振动也较小 ,但工效相对较低 , 还需要进一步进行总结 。

4. 4 优化断面型式和支护结构
1 )优化断面曲率 ,斜井结构型式统一采用近圆形
或椭圆形 。

正洞采用加大曲率断面 ,衬砌内轮廓仍按 原断面施工 。

2 )采用双层连接筋和钢筋网片等提高初期支护
结构整体承载能力 ,避免钢架局部扭曲 。

3 )加强钢架节点强度 ,螺栓连接强度不低于钢架
自身强度 。

4. 5 通过增加锁脚锚杆 、锁固锚杆和长锚杆等手段控
制围岩大变形
大变形往往先发生在上下台阶连接处 ,因此在上
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隧道建设
686 第30 卷
下台阶拱架联结板处增加上下双锁脚锚杆,距离接头≤50 cm。

同时在每榀拱架联结板之间增设锁固锚杆, 通过锚固点的分散使支护结构的受力更趋均匀,增强结构的整体支护作用。

长锚杆由于施工难度大、工效低不宜作为控制大变形的日常手段,仅在出现大变形时采用。

长锚杆长度一定要超过围岩塑性区范围才有效。

根据现场试验决定锚杆长度为6 ～8 m ,同时兼顾注浆加固功能,按2～3排布置于两侧边墙拱腰部位。

4. 6 预留合理变形量,以保证施工所需隧道净空要求
适当预留变形量可有效释放隐藏高地应力场中的变形能量,这也是挤压性围岩变形隧道支护的一般原则,即先卸压,后支护。

预留量根据监测数据分析后确定,易发生大变形段和斜井三岔口地段预留二次支护空间,以保证施工所需隧道净空要求,左右侧变形不对称的应分别预留。

4. 7 确定变形控制标准,及时进行支护加强
根据现场量测结果和施工实践,初步定为4 个变形管理等级:正常施工段累计变形< 15 cm ,初期支护无明显裂纹出现,可正常施工;一般变形段累计变形值为15～25 cm ,初期支护出现局部龟裂,应进行复喷、加强观察等;较大变形段累计变形值为25 ～40 cm ,喷混凝土出现掉块、脱落,钢架局部变形,应立即采取二次加固加强措施,如长锚杆、注浆、横撑等;大变形段累计变形值> 40 cm ,变形非常显著,喷混凝土出现大面积脱落、钢架扭曲变形严重,台阶处拼接板局部断裂,应立即停止施工,采取套拱、长锚杆、注浆等措施。

4. 8 适时构筑二次衬砌,是控制大变形的关键
《铁路隧道施工规范》并没有规定软岩大变形隧道的衬砌时机,如果等初期支护稳定后再施作二次衬砌,则变形不易控制,容易造成坍方,所以适当提前施作二次衬砌时间来承担部分初期支护而产生的荷载对软岩大变形隧道是可行的,也是对安全有利的。

但如果二次衬砌施作过早,则可能使其受力过大而导致开裂,从而降低隧道结构的耐久性[ 10 ] 。

从目前的衬砌时机看,一般变形地段衬砌距离按照规定的步距进行控制:距上台阶< 90 m ,变形速率< 3 mm; 个别变形较大地段采取衬砌紧跟的方法以防止围岩大变形和坍方, 但可能对未来存在着衬砌开裂的风险。

衬砌时机和变形情况、受力情况等还需进一步研究。

上述措施在木寨岭隧道工程实践中得以应用并行之
有效,但还需严格规范施工,保证支护强度,同时对有地下水的地段要及时引流,防止浸泡造成承载力下降等,确保每项措施落到实处,这也是保证变形控制的重要因素。

5 结论
通过对木寨岭隧道高地应力炭质板岩段隧道大变形分析和施工实践,可以看到发生大变形是不可避免的,同时也是可控的。

但应认识到复杂地质条件下大变形具有多种变形力学机制的复合型,所以变形控制不能依靠单一的判断标准和措施,必须采取综合性措施,且须具有针对性和层次性。

1 )高地应力软弱围岩隧道应遵循“加固围岩、留足变形、优化断面”的结构设计理念和“短进尺、强支护、快封闭、勤量测、二次衬砌紧跟”的施工原则。

初期支护必须预留足够的变形量,释放部分地应力,防止变形侵入衬砌净空。

在空间效应影响范围外,及时封闭仰拱,可有效降低变形速率,控制围岩大变形。

当支护变形量达到控制标准限值时,应尽快进行支护加强或施作二次衬砌防止坍塌。

2)与I 20 钢拱架相比,使用H 175 钢拱架支护时, 截面形状合理,隧道初期支护结构受力均匀,边墙收敛值稍小。

经支护加强后大部分变形得到有效控制,已发生变形段经采取加固及套拱等措施后渐趋稳定。

3 )应根据量测结果分析动态调整预留变形量,以防止预留变形量较大而变形值不足而增加二次衬砌混凝土回填量,这也是施工现场比较难于控制的一点。

4 )应加强施工及结构工艺控制,大变形段控制措施必须纳入工序管理,确保所采取措施充分发挥其变形控制作用。

5 )由于大变形具有累积效应, 持续时间进行较长,对个别发生大变形地段应对衬砌的应力应变进行长期观测,以进一步分析评价隧道运营期间的安全性, 发现问题及时补强,以保证隧道运营安全。

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