張濤，王彥東，陳錫武

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

地下水作用下的炭質(zhì)板巖隧道變形控制技術探討

張濤，王彥東，陳錫武

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

以在建成蘭鐵路松潘隧道為工程實例，探討研究地下水和構(gòu)造應力共同作用下炭質(zhì)板巖隧道變形特征。通過變形原因分析，采取設置長錨桿、注漿加固松散圍巖、加強鋼拱架鎖腳等措施，能夠有效控制變形。將軟巖變形控制措施納入動態(tài)設計是一種較為經(jīng)濟合理的手段。通過工程試驗，動態(tài)調(diào)整工程措施，優(yōu)化變形控制方案，對成蘭鐵路隧道建設具有較好的指導意義和工程借鑒。

地下水；炭質(zhì)板巖；隧道；變形

炭質(zhì)板巖隧道一直是隧道修建技術中變形控制的重點和難點，國內(nèi)對炭質(zhì)板巖隧道的變形控制技術也有大量的研究文獻，最典型的為蘭渝鐵路木寨嶺隧道，文獻中多從隧道施工變形情況、高地應力分析等方面研究提出變形控制措施。但對地下水和構(gòu)造應力公共作用下的松散炭質(zhì)板巖隧道變形研究相對缺乏，尚需更進一步的研究和探討。本文結(jié)合在建成蘭鐵路松潘隧道在地下水和構(gòu)造應力共同作用下的變形特征，通過工程試驗，動態(tài)調(diào)整工程措施，確定變形控制方案，對成蘭鐵路隧道建設具有較好的指導意義和工程借鑒。

1 工程概況

松潘隧道位于四川省松潘縣城東側(cè)，岷江河谷左岸，為傍山隧道，全長8 048 m，其走向與岷江河流基本平行，距岷江約150～700 m，隧道開挖斷面約130 m2以上，最大埋深270 m。該隧道處于岷江活動斷裂南段右側(cè)170～600 m(圖1)，岷江斷裂南段全長約110 km，具有明顯的全新世活動性，發(fā)生過1713年疊溪7級地震和1933年疊溪7.5級地震。隧道位于岷江斷裂的下盤(被動盤)，地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)新都橋組(T3x)炭質(zhì)板巖夾板巖、砂巖(圖2)，受岷江斷裂影響，巖體破碎，次生小斷層及柔皺較發(fā)育，層理產(chǎn)狀變化較快，層間擠壓嚴重。由于受構(gòu)造影響巖體較破碎，砂巖、板巖等節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部貫通性好，貯存了較豐的裂隙水，預測隧道最大涌水量1.5×104m3/d。軟質(zhì)巖在構(gòu)造應力及地下水作用下極易發(fā)生大變形，施工圖設計中預測該隧道發(fā)生輕微-中等軟巖大變形段長共計990 m，可能發(fā)生變形段長1 500 m。

圖1 松潘隧道與岷江活動斷裂位置關系

圖2 松潘隧道地層巖性分布情況

2 隧道變形情況及特征分析

2.1 隧道變形情況

松潘隧道斜井工區(qū)正洞D3K244+200～+247段為V級圍巖，預測可能發(fā)生大變形，設計采用Ⅴ級復合襯砌，初期支護拱墻設φ22組合中空錨桿及砂漿錨桿，拱墻設φ8鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土厚27 cm；加強支護設置全環(huán)I20b型鋼鋼架；超前支護拱部設置φ42注漿小導管。2014年9月27日起，該段右側(cè)拱腰發(fā)生初支開裂、掉塊，部分拱架扭曲，其中D3K244+225～D3K244+235段拱墻初期支護變形侵限,最大收斂變形達38.8 cm(圖3、4、5)。

圖3 松潘隧道變形位置

圖4 隧道初支變形開裂

圖5 隧道變形鋼架扭曲

2.2 變形特征分析

松潘隧道D3K244+200～+247段變形特征主要表現(xiàn)在以下方面：

(1) 隧道變形以水平收斂為主

隧道變形水平收斂大，拱頂沉降相對較小(圖6、7)，變形導致初支開裂、鋼架扭曲均發(fā)生在靠山側(cè)拱腰位置，中臺階鋼架接頭上50 cm左右。

圖6 D3K244+248斷面水平收斂曲線

圖7 D3K244+248斷面拱頂沉降曲線

(2) 中臺階及仰拱施作時變形大

因隧道上臺階掌子面開挖時，監(jiān)控量測點未能及時布置，無法測得監(jiān)控量測數(shù)據(jù)。中臺階開挖后初支施作前變形大，水平收斂和拱頂沉降變形速率均呈跳躍性突變，最大水平收斂速率為39.0 mm/d，累計為241.6 mm，最大拱頂沉降速率達7.6 mm/d；初支鋼架施作后隧道變形趨于穩(wěn)定，仰拱施作時變形又再次呈現(xiàn)增大趨勢，初支鋼架封閉成環(huán)后，變形基本趨于穩(wěn)定(見圖6、7)。

(3) 地下水發(fā)育段隧道變形大

變形過程中，靠山側(cè)有多處滲水，鉆孔取芯探測時，鉆進約8 m出現(xiàn)大股水流從孔內(nèi)噴出，炭質(zhì)板巖遇水后膨脹崩解，巖體強度迅速下降，造成溜坍、掉塊，形成更大的松動圈。

3 隧道變形原因分析

3.1 構(gòu)造應力突出

松潘隧道處于岷江活動斷裂南段右側(cè)170～600 m，受斷裂構(gòu)造多期地震的強烈影響，小型褶曲發(fā)育，巖體扭曲較嚴重，部分地段擠壓揉皺變形明顯，圍巖巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育(圖8、9)。

圖8 圍巖擠壓揉皺

圖9 巖體扭曲

3.2 巖質(zhì)軟、層間結(jié)合差

開挖揭示變形段巖性為炭質(zhì)板巖、板巖互層，局部含炭質(zhì)千枚巖，巖質(zhì)較軟，巖性變化較快且無規(guī)律，靠山側(cè)巖層陡傾，呈薄層狀，層面基本平行于隧道軸線，層間無膠結(jié)物或為泥質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合性差，易產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面向隧道內(nèi)的壓潰變形。

3.3 局部地下水發(fā)育

隧道開挖掌子面基本呈浸潤潮濕狀，局部地下水發(fā)育段呈股狀流出，炭質(zhì)板巖受地下水浸泡而膨脹崩解，呈漿糊狀溜坍，造成圍巖松動，出現(xiàn)較大圍巖松動圈，在地下水和構(gòu)造應力共同作用下，松散圍巖應力作用于鋼架之上，極易造成初支開裂、鋼架扭曲變形。

3.4 初支閉合時間長

由于特殊的施工作業(yè)環(huán)境，隧道施工速度緩慢，加之軟弱圍巖的蠕變特性使其變形持續(xù)時間長，隧道開挖后因長時間圍巖暴露，不能及時封閉， 容易產(chǎn)生較大變形。

4 變形控制措施

通過對松潘隧道變形原因分析，并通過工程試驗，動態(tài)調(diào)整工程措施。

4.1 發(fā)生變形段補強加固措施

(1) 加強鎖腳

上臺階與中臺階每榀鋼架接頭處增設10 m長φ32自進式錨桿進行鎖腳，每榀鋼架增設8根。

(2) 增設φ32自進式長錨桿

拱部90°外兩側(cè)邊墻增設徑向φ32自進式錨桿進行加固，針對隧道初支開裂變形主要發(fā)生在靠山側(cè)拱腰位置，靠山側(cè)錨桿長12 m，山外側(cè)錨桿長8 m。

(3) 增設徑向φ42注漿管

為固結(jié)圍巖，提高其物理力學性能指標，同時兼顧地下水的封堵，拱部90°外兩側(cè)邊墻增設徑向5 m長φ42注漿管，固結(jié)圍巖松動圈。

通過對變形段采取補強措施，變形基本得以控制，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)不超過5 mm/d。由于補強加固措施偏強，施工中還有待進一步優(yōu)化。

4.2 工程試驗

成蘭鐵路隧道受岷江活動斷裂影響范圍長，圍巖以軟巖為主，后續(xù)施工中遇到地下水和構(gòu)造應力共同作用下的松散圍巖變形會較多。為確保施工安全，制定行之有效的工程措施，選取 D3K244+247～D3K244+287段進行工程試驗，進一步優(yōu)化工程措施，試驗措施除采用D3K244+200～D3K244+247段設計措施外，主要有以下調(diào)整：

(1) 增大預留變形量

根據(jù)已開挖施工段隧道變形情況，試驗段隧道開挖預留變形量調(diào)整為30 cm。

(2) 取消邊墻φ22砂漿錨桿

取消邊墻φ22砂漿錨桿，拱部90°范圍外兩側(cè)邊墻設置φ42徑向注漿管，注漿管長5 m/根，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

(3) 拱部90°范圍外兩側(cè)邊墻設徑向φ32自進式錨桿，單根長8 m，自進式錨桿與注漿小導管交錯布置。

(4) 埋設應力測試元器件

為控制圍巖變形，采取有效的變形控制措施，對該段埋設壓力測試元器件，測定圍巖壓力、鋼架應力等數(shù)據(jù)(圖10、11)。

圖10 斷面埋設元器件布置

圖11 元器件埋設現(xiàn)場

4.3 試驗結(jié)果

(1) 對D3K244+247～D3K244+287段采取以上工程試驗措施后，變形基本得以控制，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)不超過5 mm/d。

(2) 元器件測試結(jié)果

試驗段共埋設3組初支應力監(jiān)測斷面，分別為D3K244+252、D3K244+262、D3K244+266斷面，應力最大發(fā)生在 D3K244+262處，鋼架拉應力最大為176.9 MPa，壓應力最大為433.3 MPa；圍巖壓力最大為0.879 MPa，山外側(cè)拱腰圍巖位移最大為16.34 mm，靠山側(cè)拱腰圍巖位移最大為15.81 mm；錨桿軸力最大在山外側(cè)拱腰處，最大值為117.9 kN。

鋼架最大拉應力發(fā)生在D3K244+262斷面，鋼拱架右拱腰(靠山側(cè))內(nèi)側(cè)受拉，最大值發(fā)生在12月15日，其值為176.9 MPa，稍小于其鋼拱架抗拉強度設計值(188 MPa)(表1)。

表1 D3K244+262斷面鋼架內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果(單位：MPa)

鋼架最大壓應力發(fā)生在D3K244+266斷面，右拱腰(靠山側(cè))內(nèi)側(cè)受最大壓應力，其最大值發(fā)生于12月19日，其值為-433.3 MPa，超過其鋼拱架抗壓極限強度計算值(260 MPa)(表2)。

表2 D3K244+266斷面鋼架內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果(單位：MPa)

4.4 動態(tài)調(diào)整工程措施

根據(jù)試驗結(jié)果，隧道變形能夠較好得以控制。鋼拱架最大壓應力超過其抗壓極限強度計算值，為此動態(tài)調(diào)整I20b型鋼鋼架為I22b鋼架。

5 結(jié)語

(1) 松潘隧道通過設置長錨桿、注漿加固松散圍巖、加強鋼拱架鎖腳等措施，對地下水和構(gòu)造應力共同作用下的松散軟弱圍巖變形，具有較好的控制效果，為成蘭鐵路隧道工程建設提供借鑒。

(2) 隧道掌子面前方變形具有不可預見性，難以準確預判，施工中結(jié)合開挖情況、超前地質(zhì)預報以及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，進行工程試驗，動態(tài)調(diào)整施工措施是一種較為經(jīng)濟合理的控制變形手段。

(3) 軟巖變形隧道快速、高效施工的機械化設備有待進一步研發(fā)，機械化水平有待進一步提高，以實現(xiàn)快速封閉，初支閉合，對控制隧道變形有較好的效果。

[1] 中國中鐵二院工程集團有限責任公司.松潘隧道設計圖[Z].成都：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，2012:1-9.

[2] 楊新房.炭質(zhì)板巖隧道變形加固方案及施工工藝探討[J].交通建設與管理，2015,(4):255-258.

[3] 關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4] 王維富.炭質(zhì)板巖地層隧道施工要點及大變形防治措施[J].隧道建設，2010,30(6)：697-700.

THE DISCUSSION OF CARBONACEOUS SLATE TUNNEL DEFORMATION CONTROL TECHNOLOGY UNDER THE GROUNDWATER CONDITION

ZHANG Tao,WANG Yan-dong,CHEN Xi-wu

(China Railway Eryuan Engineering Group CO.LTD. Chengdu 610031,China)

The discussion of carbonaceous slate tunnel deformation control technology under the groundwater conditionIt takes under construction Song-pan tunnel engineering of Chengdu-Lanzhou railway as an example in this paper, for studying the deformation characteristics of carbonaceous slate tunnel under the groundwater and the tectonic stress combining action. To set up long bolt and grout loose surrounding rock for reinforcing and strengthen lock foot of the steel arch frame, through analyzing the reason of the deformation, those methods can control the deformation effectively. It is a more economic and reasonable method that taking soft rock deformation control measures into the dynamic design. Dynamic adjustment of engineering measures and optimization the scheme of deformation control which provide a good guiding significance and engineering reference for Chengdu-Lanzhou railway tunnel construction, through the engineering test.

groundwater; carbonaceous slate; tunnel; deformation

1006-4362(2017)01-0106-05

2016-12-20 改回日期： 2017-01-17

P642;U25

A

張濤(1979- )，男，中鐵二院工程集團有限責任公司，工程師，主要從事遂道設計方面工作。E-mail:275619384@qq.com