长沙至昆明客运专线炭质板岩地段隧道设计初步研究

陈换利

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

长沙至昆明客运专线炭质板岩地段隧道设计初步研究

陈换利

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

长沙至昆明客运专线长沙至玉屏段炭质板岩隧道较多，根据国内已施工的项目反馈情况，炭质板岩地段隧道变形巨大，给隧道施工带来很大困难，而国内高速铁路大断面隧道建设中还没有遇到炭质板岩地层，完全借鉴国内已有的研究成果难以保证大断面炭质板岩隧道的施工安全，为保证隧道施工安全，通过调研、工程类比和理论计算对炭质板岩地段隧道支护参数进行研究。通过研究确定了不同围岩、不同地质条件的隧道支护参数。

铁路隧道;炭质板岩;大变形;软岩

1 概述

1.1 工程概况

长沙至昆明铁路客运专线长沙至玉屏段东起湖南省省会长沙市，西至湖南省怀化市，途经湘潭、娄底等城市，是铁路中长期规划中“四纵四横”铁路快速客运主要线路。本段线路全长415.126 km。新建隧道共122座，总延长192.577 km，隧道长度占线路长度的46.6%。全线大于10 km的特长隧道1座，最长隧道为雪峰山1号隧道，长11.670 km。全段隧道均为双线隧道，设计标准为时速350 km客运专线。根据已有勘测资料，该段炭质板岩隧道14座，炭质板岩地段总长度大于19 km，其中埋深大于100 m的段落长度10.355 km，部分隧道的预测涌水量很大。

1.2 工程地质

长沙至昆明客运专线长沙至玉屏段沿线地层从新生界至元古界均有出露，仅缺失上志留统。雪峰山以东相对地形略缓，地层主要为古生界碎屑岩及炭酸盐岩，基岩风化层及第四系覆盖层较厚，完整基岩出露较少;雪峰山区地形陡峭，地层主要为元古界浅变质岩，基岩出露较好;雪峰山以西地形较陡，地层主要为元古界浅变质岩及白垩系泥岩、砂岩等陆相碎屑岩地层，在河流阶地及丘间谷地分布了新生界第四系松散堆积层。炭质板岩主要分布在雪峰山及以西地段，主要分布地层为寒武系和奥陶系。

1.3 水文地质

长沙至昆明客运专线长沙至玉屏段沿线经过了湘、资、沅3个水系。沿线山间溪沟及次级小河流较发育，一般流程较短，流量受大气降雨控制，因季节而变化，以蒸发、下渗和径流等形式排泄。一般河水位受季节性降雨变化，雨季水流较大。大气降水是地表水的主要补给来源，而地表水是地下水经常性补给来源。沿线地下水主要为岩溶水、基岩裂隙水及第四系孔隙水三大基本类型。

2 对炭质板岩的认识

长沙至昆明客运专线长沙至玉屏段沿线分布的炭质板岩主要为寒武系(∈)上、中、下统和奥陶系(O)上中统。炭质板岩属元古界浅变质岩，由区域变质作用形成，灰黑色，手摸极易污手，薄～中厚层状为主，板状构造，主要矿物成分为石英、绢云母、绿泥石及炭质物等，变淤泥质结构，是变质程度轻微的产物。原岩主要为泥质岩(泥岩、页岩)、粉砂岩及一部分中酸性凝灰岩，重结晶作用不明显。炭质板岩质硬性脆，受地质构造及风化剥蚀作用影响，极易破碎，工程性质相对较差，埋深大时可能出现大变形。

已有的勘察资料和化验报告［1-2］显示，局部炭质板岩具有膨胀性并具氯盐侵蚀性。炭质板岩岩质较软，易剥落掉快，工程物理力学性质相对较差，在地应力较高和地下水丰富的地段极易产生变形。通过对襄渝二线炭质片岩隧道、G212线木寨岭公路隧道、兰渝铁路木寨岭隧道和云南省元-磨公路大风垭口隧道［3］的调研，隧道在施工中发生了不同程度的围岩变形、支护开裂和塌方，给隧道施工带来了很大的困难。具体见表1。

表1 炭质板岩(片岩)相关工程分析

长沙至昆明客运专线长玉段设计标准为时速350 km，隧道开挖断面超过150 m2，炭质板岩隧道埋深较大，地应力较高，施工中极易发生大变形，风险很高。

3 隧道支护设计参数拟定

3.1 设计参数

根据炭质板岩的特性和调研情况，设计上采用新奥法设计原理［4］，拟定初步支护方案:采用“先让后抗”、“先柔后刚”、“以支为主，以让为辅，支让结合”，采用既有足够支撑力，又可缩的支架形式。开挖后及时支护，利用围岩的自承能力，将围岩的松动圈转变为承载拱。初期支护采用锚喷支护同时加大预留变形量，并加强二次衬砌的强度。

(1)锚杆设计

在深埋软弱围岩隧道中，锚杆支护是控制围岩变形、充分发挥和利用围岩自承能力、保证隧道围岩稳定的重要支护措施之一。

炭质板岩地段预计变形较大，为有效抑制变形，设计中采用加长锚杆，有效利用长锚杆的悬拉作用，减少围岩松动圈的进一步扩大。同时加强锚杆的抗拉强度。设计上拱部采用φ25 mm×7 mm的中空锚杆，边墙采用砂浆锚杆。对不同的围岩和不同的工况，分别对不同锚杆长度进行计算分析。以Ⅳ级围岩为例，取锚杆的长度分别为3、4、5、6 m共4种情况进行计算。不同长度锚杆支护时的锚杆轴力分布见图1。

通过综合分析，确定Ⅳ级围岩锚杆长度为3.5 m。其他各级围岩确定锚杆的长度，具体见表2。

表2 炭质板岩地段锚杆长度

(2)初期支护

图1 锚杆轴力分布(单位:kN)

初期支护是隧道围岩压力的主要承载体，强支护对抑制变形起着关键作用，设计时采用了“以抗为主”的设计理念，尽量避免发生变形后的再次加强，致使反复支护难以形成整体受力的局面。易变形的地段开挖后自稳性较差，为有效抑制变形的发生和发展，设计上加大了初期支护厚度并将加强了钢架的刚度。在确定锚杆长度后，对喷射混凝土厚度和拱架间距进行组合，针对不同围岩条件进行计算分析。以Ⅳ级围岩富水为例，分别取初期支护厚25 cm，型钢采用I20a，间距取0.8 m和初期支护厚30 cm，型钢采用I20a，间距0.8 m进行计算分析，隧道周边剪应力分布见图2。

图2 典型工况下隧道周边剪应力分布(单位:kPa)

经分析结合工程类比确定初期支护参数。具体见表3。

表3 炭质板岩地段初期支护参数

(3)二次衬砌

图3 二次衬砌内力

在深埋软弱围岩隧道中，二次衬砌不仅仅作为强度安全储备，也是主要承载体，为保证结构安全并提供足够的安全储备，设计中考虑加强二次衬砌厚度和钢筋密度。在拟定系统锚杆长度和初期支护厚度及钢架类型及型号后，根据不同的围岩等级和工况，进一步取不同的二次衬砌边墙及仰拱厚度，分析评价不同厚度条件下二次衬砌结构的安全性，并结合工程类比确定合理衬砌厚度。以Ⅴ级围岩富水地段为例，在确定上述锚杆长度和初期支护后，二次衬砌边墙厚度分别为55、60、65 cm共3种情况进行计算，相应的仰拱厚度分别取为65、70 cm和75 cm，分析评价不同厚度条件下二次衬砌结构的安全性，以确定合理的衬砌厚度。不同衬砌厚度条件下的轴力、剪力和弯矩云图见图3。

通过分析和工程类比，确定各级围岩等级的二衬厚度见表4。

表4 炭质板岩地段二次衬砌参数

(4)预留变形量

适当加大预留变形量是控制变形的有效措施，既能有效发挥围岩的自稳性，又能保证结构的有效面积。通过分析掌握的资料，对隧道极限位移、位移控制标准以及预留变形量等进行了研究分析，设计中根据不同的围岩等级和富水情况加大了预留变形量。具体见表5。

表5 炭质板岩地段预留变形量参数

(5)超前支护

加强超前支护是抑制变形的有效手段。通过采用超前小导管注浆支护方式，超前加固围岩以抑制围岩变形。一般地段设计中采用φ42 mm小导管进行超前支护，环向间距0.25～0.4 m，小导管长度3.5～4.0 m，纵向间距2.0～2.5 m并注双液浆。对于浅埋、偏压地段采用中管棚和大管棚进行超前支护。

3.2 工法选取

软弱围岩大变形隧道开挖方法的选择，必须根据围岩的地质条件、受力状态、机械设备能力、施工安全等因素综合考虑，施工工法选取遵循“弱爆破、短开挖、强支护、快封闭”原则进行。根据搜集的资料，软弱围岩大变形隧道一般均采取台阶法开挖，详见表6。

表6 典型软弱围岩大变形隧道施工工艺方法

经研究最终拟定炭质板岩地段隧道的开挖以微台阶法和分部开挖法为主:Ⅲ级围岩地段以台阶法为主，Ⅳ级围岩地段采用弧形导坑预留核心土法，Ⅴ级围岩地段以三台阶七步开挖法，部分地段根据地形和围岩情况采用双侧壁导坑法开挖方法。并根据现场监控量测情况可增设临时仰拱，以有效地抑制变形。施工中应严格控制施工步距，快速成环。

4 结论

目前国内350 km/h的客运专线大断面隧道建设中还没有遇到炭质板岩地层，借鉴国内已有的研究成果难以保证大断面炭质板岩隧道的施工安全，设计中只有通过调研、工程类比和理论计算进行预设计，将初期支护、二次衬砌、超前支护和预留变形量加强加大，并合理选择施工方法保证施工安全，通过现场施工的反馈情况做进一步探索研究。

［1］ 中南大学土木建筑学院.长昆客专炭质板岩隧道地层变形机理及变形控制措施研究报告［R］.长沙:中南大学土木建筑学院，2010.

［2］ 苟彪，等.蜀河隧道炭质片岩大变形控制技术研究［J］.铁道工程学报，2009(11):41-44.

［3］ 代伟，等.坪斜井软岩大变形原因分析及施工技术［J］.隧道建设，2010(4):170-172.

［4］ 李国良，朱永全.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术［J］.铁道工程学报，2008(3):54-59.

［5］ 高世军.家竹箐隧道整治大变形的主要措施［J］.世界隧道，1998(1):52-56.

［6］ 张献伟.木寨岭隧道炭质板岩段大变形控制技术［J］.隧道建设，2010，30(6):683-686.

［7］ 铁道部基本建设总局.基技［1988］111号 铁路隧道新奥法指南［S］.北京:中国铁道出版社，1988.

［8］ 铁道第三勘察设计院集团有限公司.雪峰山3号隧道工程地质说明书等［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2010.

［9］ 铁道第三勘察设计院集团有限公司.雪峰山3号隧道试验报告等［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2010.

［10］许占良，等.长昆客专隧道专业初步设计专册文件说明书［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2011.

［11］铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册(1999年修订版)［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

Preliminary Research on Design of Tunnels Built in Carbonaceous Slate on Changsha-Kunming Passenger-dedicated Line

CHEN Huan-li
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

During the construction of Changsha-Kunming Passenger-dedicated Line，many tunnels had to be built in carbonaceous slate.According to the experience of other projects，large deformation often appeared in tunnels built in such surrounding rock that caused great trouble to the construction.On the other hand，the experience and theory at present are not enough to assure the safety of the construction because it is the first time to build high speed railway tunnels with such a large section in carbonaceous slate in China.In order to assure the safety of the construction，through methods of investigation，analogy and theoretical calculation，the research on support parameters of tunnels built in carbonaceous slate was carried out and the supporting parameters under different surrounding rock as well as different geological conditions were determined.

railway tunnel;carbonaceous slate;large deformation;soft rock

U452.2

A

1004-2954(2012)09-0089-04

2012-02-02

陈换利(1980—)，男，工程师，2003年毕业于长安大学隧道与地下工程专业，工学学士，E-mail:tsdichenhuanli@126.com。