張旭珍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

在隧道工程施工中，由于開挖活動造成應(yīng)力重新調(diào)整分布，圍巖壓應(yīng)力使支護體系發(fā)生變形，一旦支護抗力難以滿足圍巖壓力時，將會出現(xiàn)初期支護變形后侵入設(shè)計的二次襯砌凈空限界，簡稱"變形侵限"。隧道變形侵限不僅嚴重影響施工工期，提高工程費用，增加安全隱患，同時，若處理措施不當則會遺留重大的質(zhì)量后患。日本的惠那山、意大利的陶恩、中國的家竹箐、二郎山、烏鞘嶺等隧道都出現(xiàn)過不同程度的變形侵限問題。因此，如何控制及處理變形侵限是隧道工程施工中應(yīng)當十分重視的問題［1］。

1 工程概況

新建關(guān)角隧道位于既有鐵路天棚至察汗諾車站之間，全長32.645 km(隧道進口高程為3380.75，出口高程為3324.05)，設(shè)計為兩座平行的單線隧道，設(shè)計時速160 km/h，線間距40 m，均位于直線段上。

關(guān)角隧道地層巖性極其復(fù)雜，沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類均有出露，隧道通過區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，通過大小不等斷層共17條，其中二郎洞斷層束長達2355 m，對工程建設(shè)極其不利。根據(jù)對地質(zhì)鉆孔地應(yīng)力的實測結(jié)果分析，位于f17斷層附近(F3斷裂帶內(nèi))的DSZ-8孔的最大水平主應(yīng)力的最大值為22.04 MPa，明顯高于其它孔，存在發(fā)生較大變形的可能［2］。

9號斜井井身X0+40～X0+25段位于石炭系板巖中，由于該段地層為層狀構(gòu)造，巖體松散破碎，巖質(zhì)較軟，巖塊間結(jié)合力較差，導致右側(cè)(面向掌子面)邊墻出現(xiàn)不同程度的變形，鋼架扭曲，混凝土剝落。

10號斜井正洞由于Ⅰ線隧道DK308+000～+115段、Ⅱ線隧道DyK307+820～+940段洞身通過一條小角度的擠壓性斷層，初期支護在不均勻水平應(yīng)力作用下發(fā)生了大變形。Ⅰ線隧道DK308+115～+060段左側(cè)(面向大里程)最大水平收斂變形達460 mm，Ⅱ線隧道DyK307+940～+893段左側(cè)(面向大里程)最大水平收斂變形達410 mm。過大的變形導致噴射混凝土剝落掉塊，拱架嚴重變形，并發(fā)生扭曲。

9號斜井進入正洞后，由于該段位于二郎洞斷裂帶內(nèi)，斷裂構(gòu)造發(fā)育，局部應(yīng)力集中，最終破碎圍巖在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下，導致變更范圍內(nèi)長大段落發(fā)生不同程度的變形，最為嚴重的為DyK304+430～+500段，最大變形達到了505 mm。

2 變形原因分析

(1)地質(zhì)方面的原因。變形段在大地構(gòu)造上位于新構(gòu)造活動強烈的青藏高原東北緣，屬于祁連加里東褶皺系南祁連褶皺帶。在新構(gòu)造分區(qū)上，屬于青藏斷塊北部宗務(wù)隆山—祁連山強烈隆起區(qū)，巖漿活動、火山活動強烈，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育。本次變更范圍均位于區(qū)域性深大斷裂帶——二郎洞斷裂帶內(nèi)，該斷裂帶是由6條斷層組成寬約2355 m的斷層束，帶內(nèi)地層巖性復(fù)雜多變，構(gòu)造發(fā)育，巖體受構(gòu)造影響嚴重，巖體破碎，巖質(zhì)軟弱。其主斷裂帶——二郎洞斷裂(F3)破碎帶寬100～500 m;且隧道區(qū)地應(yīng)力較高，最大水平主應(yīng)力的最大值為22.04 MPa，斷層帶附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，軟弱圍巖和較高的地應(yīng)力導致隧道開挖后產(chǎn)生了較大的變形。

(2)施工方面的原因。隧道圍巖變形量的大小除受地質(zhì)條件客觀因素影響外，與施工方法及手段有很大的關(guān)系。如果施工期間一味的追求施工進度，噴錨支護施做不到位、仰拱和二次襯砌距離掌子面距離過長、開挖后無法及時封閉成環(huán)、變形監(jiān)控量測不規(guī)范或不及時、鋼架底部懸空或長期積水浸泡等因素都對大變形的發(fā)生有直接的影響。

(3)設(shè)計方面的原因。設(shè)計方面的原因主要表現(xiàn)在對地質(zhì)認識不夠，支護措施不到位。如果設(shè)計的錨桿不夠長，就無法穿過松動圈，對圍巖加固起不到很好的作用。鋼架強度不夠，或者鋼架間距過大，就無法抵抗巨大的圍巖壓力。預(yù)留變形量過小，很容易導致初期支護侵入二次襯砌空間。

3 處理方案

變形發(fā)生后，針對變形的嚴重程度，對已變形段分別采用了橫撐加固、徑向注漿、初期支護拆換，對未開挖段分別采用了加強措施后的單層支護、雙層支護、調(diào)整初期支護輪廓后的單層支護等方案。

3.1 變形發(fā)生后的處理方法

(1)徑向注漿。引起變形的原因是多方面的，主要的一個原因就是圍巖破碎。圍巖破碎導致松動圈范圍擴大，無形中加大了初期支護的側(cè)壓力，過大的側(cè)壓力會使初期支護遭到破壞。當圍巖變形超過設(shè)定警戒值而小于極限值獲預(yù)留變形值，可采取徑向注漿的方法，通過向初期支護背后的破碎圍巖內(nèi)壓注水泥漿來固結(jié)圍巖，使破碎圍巖形成一個整體，減小對初期支護的側(cè)壓力。注漿可采用Φ42小導管，小導管端部焊成錐形，管體兩側(cè)每隔15 cm設(shè)置一孔徑為6～8 mm的注漿孔。加固厚度可根據(jù)圍巖破碎情況確定。關(guān)角隧道徑向注漿加固厚度一般為4 m，漿液擴散半徑1.5 m，注漿孔梅花型布置，注漿終孔間距為1.0 m×1.0 m(環(huán)向×縱向)。注漿材料采用普通水泥單液漿，漿液配比為水灰比0.6∶1～1∶1，注漿壓力1.5～2 MPa，漿液中摻假速凝劑，以控制凝膠時間。

(2)橫撐加固。在變形超過設(shè)定警戒值并采用徑向注漿補強加固后，圍巖仍然未穩(wěn)定，變形量已經(jīng)到了設(shè)計預(yù)留變形量的極限，但變形未造成初期支護開裂及未侵入二次襯砌空間，此時可采用橫撐加固的方法來控制變形的繼續(xù)發(fā)展，為二次襯砌贏得一定的時間。橫撐采用Φ159熱軋無縫鋼管，鋼管兩端撐在工字鋼起拱部位的連接鋼板部位，必要時可在起拱部位延著隧道縱向設(shè)置工字鋼，橫撐直接頂在工字鋼上，橫撐的設(shè)置間距根據(jù)初期支護鋼架的間距進行調(diào)整。橫撐安裝后應(yīng)加強觀測，如橫撐受力后有明顯的彎曲現(xiàn)象，可及時的采用豎撐來加固，防止橫撐受力過大，遭到突然破壞。

(3)拆換處理。在采用徑向注漿補強加固和橫撐加固后，變形仍然繼續(xù)發(fā)展，未施作二次模筑混凝土襯砌前，變形已侵入襯砌空間。為保證施工安全，每拆一榀支護一榀，及時錨網(wǎng)噴支護。由于該段已經(jīng)出現(xiàn)了初期支護變形，因此，補做的初期支護參數(shù)較原支護參數(shù)強點為好，防止大變形的再次發(fā)生。關(guān)角隧道9號斜井Ⅰ線DK304+425～DK304+390段拆換處理時將噴混凝土由原設(shè)計的23 cm調(diào)整為30 cm，預(yù)留變形量由原設(shè)計的9 cm調(diào)整為20 cm，同時將工字鋼由原設(shè)計的3榀/2 mI16調(diào)整為2榀/m I20a。按照調(diào)整后的支護參數(shù)重新支護后，變形基本趨于穩(wěn)定，處理段未再出現(xiàn)過大的變形。

3.2 防止發(fā)生大變形的處理方法

大變形的發(fā)生是由于對地質(zhì)的認識不夠、支護措施過弱造成的。變形發(fā)生后，要從各個方面進行分析，找出變形的原因，防止在未開挖段的施工中再次發(fā)生變形。

(1)加強初期支護參數(shù)。部分變形的發(fā)生是由于支護參數(shù)過弱造成的，由于地下工程的未知因素太多，支護參數(shù)一般都按照工程類比法擬定，這樣往往會造成支護參數(shù)過弱的現(xiàn)象發(fā)生。通過對已變形段的原因分析，如果確實是由于支護參數(shù)過弱造成的，就應(yīng)該立刻加強支護參數(shù)。加強支護參數(shù)的措施一般為，加厚噴混凝土、采用雙層鋼筋網(wǎng)、加密鋼架間距或者加大鋼架型號、加長錨桿或者采用中空注漿錨桿、加大預(yù)留變形量等措施。關(guān)角隧道9號斜井Ⅰ線DK304+425～DK304+390段拆換后，為防止未開挖段再次發(fā)生大變形，將支護參數(shù)進行了加強，加強后的支護參數(shù)如下:全斷面噴混凝土厚30 cm，拱墻設(shè)Φ8雙層鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格間距20 cm×20 cm);預(yù)留變形量20 cm;拱部120°范圍設(shè)Φ25中空錨桿，邊墻設(shè)Φ22砂漿錨桿，錨桿長5 m，間距1.5 m×0.5 m(環(huán)向×縱向);全斷面設(shè)置2榀/m的I20a型鋼鋼架。按照此支護參數(shù)施工的地段，未再出現(xiàn)過大的變形，施工正常。

(2)采用雙層支護。雙層支護也是控制變形常用的方法之一。雙層支護的原理為先施做第一層初期支護，允許初期支護發(fā)生一定數(shù)量的收斂，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，待第一層初期支護變形到規(guī)定的要求時，立刻施做第二道初期支護來抑制變形的發(fā)展速度。雙層支護對變形的控制很有效，但由于變形的不均勻性，往往增加了第二道初期支護鋼架的安裝難度。9號斜井剛進入正洞時，考慮到斜井與正洞交叉口受力比較復(fù)雜，同時考慮到模板臺車一時不能安裝就位，故將交叉口采用雙層支護，對控制變形取得了成功。但在后續(xù)施工中，由于第二道初期支護未及時施做，導致DyK304+487～DyK304+474.2段出現(xiàn)了大變形，最大變形量達到了505 mm，初期支護完全破壞。雙層支護雖然對控制變形效果明顯，但在施做第二道初期支護時對掌子面的施工干擾比較大，對施工進度影響比較大，所以在后續(xù)的控制變形中未再采用。

(3)調(diào)整初期支護曲率。在構(gòu)造地應(yīng)力作用下，開挖斷面越接近圓形，抑制變形的效果就越好。因此，控制變形的最有效的方法就是調(diào)整開挖斷面的曲率，使其盡量接近圓形。9號斜井Ⅱ線西寧方向DyK304+556～DyK304+440段為了控制變形，采用了雙層支護，DyK304+556～DyK304+500段由于第二道初期支護施做及時，最大變形量為100 mm，初期支護未遭到破壞。DyK304+500～DyK304+440段由于一味的搶進度，第二道支護未及時施做，變形加劇，導致DyK304+487～DyK304+474段初期支護破壞，不得不進行拆換。雖然雙層支護對控制變形的效果十分明顯，但由于施做第二道初期支護時對掌子面的正常掘進影響很大，在施工單位追求進度的情況下，第二道初期支護往往不能及時施做，導致大變形的發(fā)生。因此，為了加快施工進度，同時為了防止大變形的發(fā)生，在DyK304+440～DyK304+420(斷面一，如圖1)及DyK304+420～DyK304+350(斷面二，如圖2)段分別采用兩種不同的調(diào)整曲率斷面進行試驗，試驗斷面支護參數(shù)見表1。試驗證明，斷面二的抗變形效果明顯優(yōu)于斷面一，如圖3所示。

圖1 調(diào)整曲率斷面一(單位:cm)

圖2 調(diào)整曲率斷面二(單位:cm)

表1 兩種斷面支護參數(shù)對比

4 結(jié)論

(1)設(shè)計初期就應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)資料對極有可能出現(xiàn)大變形的地段進行預(yù)案設(shè)計，減小大變形突然發(fā)生后的盲目性，提高變形處理的及時性。

(2)通過加強噴混凝土、加長錨桿、加大鋼架型號或縮小鋼架間距、加大預(yù)留變形量、調(diào)整初期支護輪廓等手段來預(yù)防變形的發(fā)生。

(3)在隧道開挖前要對圍巖大變形進行判斷和預(yù)測預(yù)報，及時調(diào)整施工工法，通過設(shè)置臨時仰拱或橫撐，及時將初期支護封閉成環(huán)，減少初期支護的變形值。

(4)對于裂隙發(fā)育，或斷層破碎帶圍巖，應(yīng)選用徑向小導管超前注漿，并打錨桿進行支護，加固圍巖，防止隧道發(fā)生大變形。

(5)軟弱圍巖類等隧道開挖時，如果大變形一旦發(fā)生，松動圈會很快擴展，有時會產(chǎn)生坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，從而使得支護工作量或工程整治費用急劇增大。因此，在隧道開挖前要對圍巖大變形進行判斷和預(yù)測預(yù)報，在大變形發(fā)生之前采取相應(yīng)的支護措施，保證施工的安全和減低造價。

圖3 兩種斷面時間-位移曲線

［1］曾蔚，張民慶.宜萬鐵路隧道變形侵限原因分析與治理［J］.鐵道工程學報，2008(3):42-49.

［2］中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.改建鐵路青藏線西寧至格爾木段增建第二線關(guān)角隧道預(yù)設(shè)計［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2008.

［3］鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10003—2005/J449—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］鐵道專業(yè)設(shè)計院.TB10108—2002/J159—2002鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.