兰渝铁路木寨岭隧道大变形特征及施工控制

岳 英 武

(中铁隧道集团有限公司，安徽 黄山 242700)

兰渝铁路木寨岭隧道大变形特征及施工控制

岳 英 武

(中铁隧道集团有限公司，安徽 黄山 242700)

以高地应力条件下兰渝铁路木寨岭隧道为研究对象，简要概述了其大变形的情况，并将其表现出来的大变形分成两类：松散型大变形和挤压型大变形，分析了引起木寨岭隧道大变形的主要影响因素，总结了木寨岭隧道施工过程中处理大变形积累的施工经验，并提出了针对大变形控制的总体原则。

大变形，松散型，挤压型，影响因素，施工控制

0 引言

到目前为止，国内外已经出现多起隧道工程发生围岩大变形灾害的实例，高地应力区隧道大变形是困扰隧道施工的重大难题之一。国内外比较典型的大变形隧道主要有国内的南昆铁路家竹箐隧道、渝二线新蜀河隧道、乌鞘岭隧道、G212线木寨岭公路隧道，国外的陶恩(Tauern)隧道、阿尔贝格(Arlberg)隧道、都灵隧道、圣哥达隧道等。新建兰渝铁路木寨岭隧道地处高地应力区，隧道开工后有多个斜井出现严重的大变形情况，大变形导致隧道拱墙出现拱架扭曲变形、底部隆起、喷混凝土大面积掉块等典型的大变形破坏现象。本文以高地应力下木寨岭隧道为研究对象，简要概述了其大变形的情况，并对其进行分类，分析了引起木寨岭隧道大变形的主要影响因素，总结了木寨岭隧道各项专题试验取得的成果和施工过程中处理大变形积累的施工经验，可以为类似隧道工程的修建提供参考。

1 工程概况

兰渝铁路木寨岭隧道位于西秦岭中山区，隧道穿越主峰木寨岭为漳河与洮河的分水岭，横跨漳县、岷县两县。左线进口里程为DK173+350，出口里程为DK192+375，全长19 025 m；右线进口里程为DyK173+350，出口里程DyK192+395，全长19 045 m。隧道最大埋深约600 m，最小埋深约40 m。

隧道洞身地层岩性复杂，主要为第四系全新统洪积细角(圆)砾土、粗角(圆)砾土、碎石土、下第三系砾岩、二叠系砂岩、砾岩、板岩及炭质板岩、石炭系下统砂岩、灰岩、板岩、泥盆系上统砂岩、压碎岩、断层角砾等。隧道Ⅴ级围岩7 500 m，占39.4%；Ⅳ级围岩8 560 m，占45%；Ⅲ级围岩2 960 m，占15.6%。其中软岩段长度约为6 950 m。隧道穿越区域性大断裂F2及次级断裂F10，F11，F12，F13，F14，F14-1，F14-2，F15，F15-1，F16共11条断层，还穿越背斜、向斜核部，特别是夹有炭质板岩软岩夹层地段，节理裂隙、揉皱等地质构造现象发育，受构造影响岩体破碎或富含地下水，前期地质勘察预测最大涌水量为正常涌水量的3倍，最大水平地应力SH=16.8 MPa～27.5 MPa，岩石单轴饱和抗压强度Rc=30 MPa～100 MPa，其强度应力比Rc/SH=1.1～5.7。

2 隧道大变形简述

自2009年5月以来，兰渝铁路木寨岭隧道2号、3号、5号、6号、7号斜井先后均出现了围岩大变形的情况，变形主要体现为水平收敛变形，具有变形量较大，变形发展速度较快等特点。变形初期，混凝土表面出现开裂，并产生环向、纵向裂缝，同时出现支护结构内鼓，拱架扭曲等现象。

根据对2号、3号、5号、6号、7号斜井大变形数据的统计发现，5号鹿扎斜井最早发现有大变形情况，出现时间为2009年5月13日，主要表现为喷射混凝土表面开裂，为了防止变形进一步扩大，项目部立即采取了相关应急措施，之后变形趋于稳定，取得了较好的效果，但累计变形值仍达到约440 mm；在斜1110～斜970、斜700～斜620范围内，出现了变形量持续增大，初支喷射混凝土脱落，拱架扭曲等现象，部分地段由于变形速率大，最大达625.89 mm/d，累积变形量大，最大达963.86 mm，所以对该段进行了二次套拱和拆换拱的整治措施。6号大沟庄斜井大变形情况出现在2009年7月～8月间，该处隧道开挖时在掌子面先后2次出现股状流水现象，在地下水的作用下，围岩承载力会降低。因此，针对该段，采取了集中引流措施进行了处治，进入2009年12月份以来，斜790～斜630，斜320～斜110，大范围出现大变形，其中在斜700～斜630，边墙进行了换拱处理，其余大部分变形地段进行了注浆加固，二次套拱等措施才使得变形稳定。7号大战沟斜井是所有出现大变形隧道中，变形范围最大、历时最长的隧道，大变形出现于2009年5月，基本与5号井同期开始变形，直至8月中旬由于开挖面围岩产状的变化变形减缓，其变形范围自洞口30 m附近开始近300 m长，变形处拱架内鼓，喷混凝土开裂，出现环、纵向裂缝，变形段大部分依靠施作二次套拱才有效控制了变形，从2009年10月到目前，变形一直较大，截止目前，大战沟斜井累计完成开挖约980多米，其中变形段达到70%以上，堪称全隧大变形之最；3号大坪有轨斜井大变形初期变形速率极大，最大日变形速率x约1.9 m/d，自2009年6月下旬以来，主、副井先后发生多次大变形，变形范围30 m～70 m不等，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，尤其是2009年8月22日，当时除水平收敛变形较大以外，其拱顶沉降及底板隆起也较为显著，在已施工段，初支刚架底部出现向开挖面方向倾斜的现象，由于变形较大，导致喷射混凝土剥落，在初支表面出现了多条环向、纵向裂缝，同时局部拱架出现拉裂现象。通过监测发现，底板隆起量最大约1 m，水平收敛、拱顶沉降最大累计分别为500 mm,300 mm，由于大变形，主井隧道断面严重侵限，随后进行了长达2.5个月的拆换拱处理，严重影响了工期和施工成本。在3号、5号、6号、7号斜井大变形数据中，累计变形大于150 mm的测点共377个，其中超200 mm的测点约占77%。

3 大变形类型

根据兰渝铁路木寨岭隧道大变形的监测数据的分析，其变形主要可以分为两类：松散型大变形和挤压型大变形。

1)松散型大变形。

松散型大变形典型曲线如图1，图2所示。其变形特点是：在掌子面开挖后的几天时间内，变形持续增大，在采取相应支护措施后，变形速率才有所放缓，但是大约30 d～40 d时间后，变形出现突变的情况，且突变时产生变形量大。经过分析认为，在高地应力情况下，出现“跳跃式”增长的变形，这主要与隧道围岩状况有关，即软弱围岩所产生的松动圈，而非高地应力本身所对围岩产生的挤压型变形。之后，在出现这种“跳跃式”增长变形的隧道断面，进行了实地调查，调查发现，在“跳跃式”变形出现前，当地均有降雨发生，隧道支护结构所承受的荷载也由形变压力向松散压力转变。在这种情况下，极容易出现坍塌，因此，对于松散型大变形，应该加大支护结构刚度和密贴性，同时在施工过程中加强监测，避免类似大变形灾害的发生。

2)挤压型大变形。

挤压型大变形典型曲线如图3，图4所示。其变形特点是：在掌子面开挖后的一段时间内，变形持续平缓增长，变形速率偶尔由于台阶施工的原因会有增大的现象，但变形最终趋于收敛稳定。这主要是因为，在高地应力条件下，软岩和破碎岩体的强度不足以承受由于隧道开挖而引起的应力集中，从而产生塑性剪切滑移，出现较大量级的围岩变形现象。这种现象不仅与围岩本身力学性质相关，还与原始地应力及工程因素等有关。对于挤压型变形，由于大变形侵限导致的初支破坏及拆换对工程安全影响极大，故在高地应力大变形地区应重点分析和研究此类变形对工程的影响。

4 大变形影响因素

1)地质条件。

兰渝铁路木寨岭隧道大变形隧道开挖所揭示围岩多为炭质板岩、板岩及压碎岩等，岩体破碎，部分地段伴随地下水出露、断层带等不良地质。汇总发生大变形断面的地质资料可以得出以下规律：

a.围岩主要是二叠系下统炭质板岩、中～薄层板岩或原岩为炭质板岩的压碎岩以及断层角砾岩，岩层破碎程度高，含泥质夹层，风化程度一般为弱～强风化，遇地下水变形发生程度趋于严重；

b.节理发育地段，具备两组及以上的节理，且以密闭型节理和微张型节理为主，节理间距的变化范围在3 cm～20 cm；

c.岩层产状走向以NWN和NEN为主，角度富于变化，多与隧道走向夹角较小。

2)影响因素。

a.岩性。

该地段炭质板岩板状构造，变晶结构，主要成分砂质、钙质、炭质、铁质等，含石英细粒，裂隙、节理发育，遇水易软化，微膨胀。炭质板易发生塑性变形，使作用在支护结构上的荷载增大，进而发生大变形。

b.支护参数。

从现场施工情况来看，在常规支护参数情况下，结构容易发生大变形，而当采用刚度较大的支护后，变形能得到有效控制，使变形放缓，部分由于变形持续发展达到极限值之后，在采取套拱或拆换拱架等措施后大多变形均能趋于稳定。此外，木寨岭隧道3号斜井在洞口下穿国道段采取了加强支护措施，在后期变形发展中变形相对较小，而毗邻的非加强段则因支护强度不足最终导致侵限。

c.地下水。

地下水能使炭质板岩等岩体崩解，使其承载能力降低，进而导致在地下水丰富地段，围岩变形速率和变形量值均较大。

d.施工工艺。

从施工情况和施工过程来看，初期支护的施工工艺是影响变形的重要因素之一，如在施工过程中，拱架安设平顺度、连接牢固性、超欠挖情况、喷射混凝土工艺等均能影响到变形的发展。

5 大变形施工控制技术

5.1 总体原则

通过结合现场试验结果、监测数据以及上述因素分析，总结兰渝铁路木寨岭大变形隧道施工的经验，可以针对大变形隧道提出以下总体原则：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，最终达到安全、经济、高效的变形控制目的。

5.2 施工基本要求

通过兰渝铁路木寨岭隧道现场试验，经总结分析及现场应用，对大变形段施工从工艺方面提出如下基本要求：

1)施工工艺。

a.优化断面曲率，结构形式统一采用圆形或近圆形。

b.变形段仰拱及铺底施工禁止半幅施工，大坡度有轨斜井底部开挖及喷射混凝土施工宜采用台阶状，以控制结构沿斜面产生滑移。

c.大变形发生后，必须及时进行临时支撑，并在支撑加固后对两侧进行初支后回填注浆，以增大初支结构与地层的联结力。

d.易产生较大变形段，在开挖时预留足够变形量的同时，还要再预留二次支护空间，保证施工所需隧道净空要求，预留量可根据监测数据分析后确定。

e.严格按照台阶法施工，开挖后应及时进行初喷，分级、适时施作深孔锚杆及二次套拱，施作时机及控制标准根据监测数据确定。

f.对变形段必须设初支仰拱刚架并与上部拱墙刚架封闭成环。

g.规范工艺控制，严格推行湿喷作业，并通过工序优化、控制爆破等措施，避免混凝土质量受到影响，保证支护强度。

2)结构工艺方面。

a.初期支护一次到位，遇较大变形难以控制时，通过变形预留及量测反馈结果采用支护分层、分次施作，初期支护要能基本控制大部分变形，二次支护的目的则是控制变形不侵限。

b.加强钢架纵向连接，提高初支结构整体承载能力，避免钢架局部扭曲。

c.提高钢架抗扭性能，用H型钢替代工字钢。

d.加强钢架节点强度，螺栓连接强度不低于钢架自身强度，采用锁脚锚杆对钢架接头进行加固。

e.边墙布置长锚杆，参考松动圈测试结果和现场试验，锚杆长度以8 m～10 m为宜，但为了兼顾注浆加固功能，可安排2排～3排布置于两侧边墙拱腰部位。

f.早高强喷射混凝土，利用早高强喷射混凝土初期强度发展快速的特征来控制隧道的变形速度。

5.3 变形控制技术

根据木寨岭隧道现场试验和施工实践，结合科研分析及不断总结，同时借鉴以往高地应力软岩隧道施工经验，并考虑到安全、经济、有效性等因素，对于木寨岭隧道变形控制建议如下：

1)变形控制原则：初期支护一次到位，杜绝拆换，二次支护适时施作。

2)从岩性、产状等地质因素入手，确定变形控制措施。炭质板岩或板岩，层状中～薄层，岩体破碎或褶皱明显，岩层走向与隧道轴线夹角较小，伴随地下水，当开挖揭示围岩符合上述一种或多种以上地质特征时，采取相应变形控制措施。

3)将径向注浆加固、喷层增厚、双层连接筋、双层网片、全环锚杆等措施纳入变形控制长效措施，H型钢刚架、深孔锚杆及早高强混凝土的应用作为变形控制主要措施。施工实践表明，单一的控制措施难以有效控制变形发展，施工中应在实践的基础上，对以上措施进行优化组合，合理应用。

4)采用分级控制方式，在预设计基础上增加Ⅳ级软岩地段，变形控制需分阶段、有计划、具针对性。将Ⅳ级围岩岩性条件下，受断层、地下水等因素影响变形难以控制地段，调整为Ⅳ级软岩。Ⅳ，Ⅴ级软岩地段在加强一次初支强度的基础上，依据监测信息反馈，确定变形控制标准，预留二次支护空间，分次、适时施作二次支护，以有效控制变形发展，保证净空要求。其他大变形地段采取初支加强措施，确保初期支护一次到位。

5)加大二次衬砌厚度，有效控制后期变形。考虑到软岩变形段变形的滞后性，为保证二衬能有效抵抗后期变形，在预设计基础上加大二衬厚度5 cm，有效避免二衬强度不足、开裂等现象。

6)通过阶段成果现场应用，根据围岩岩性特征及变形控制标准确定对应的支护参数，结合现场会勘、地质素描及监测数据分析成果，及时优化施工参数。对变形难以控制的地段，在施工中应采取“先强后优化”的原则，确保施工安全，再通过监测信息不断优化，以保证施工的连续性。

7)加强监控量测，建立系统完善的监测体系，监测信息及时反馈，指导施工，优化设计，真正做到信息化施工。

8)加强施工工艺控制，优化施工工法。确定软岩变形段施工工艺控制标准，组织工区技术及作业人员认真学习，建立考核制度，严格落实，将变形控制要求贯穿整个施工过程。同时，根据变形控制要求优化开挖工法，合理利用台阶法等工法促进变形控制。

6 结语

综合兰渝铁路木寨岭隧道各项专题试验取得的成果和施工过程中处理大变形积累的施工经验提出以下建议：

1)对于松散型大变形，应该加强加大支护结构刚度和密贴性，同时在施工过程中加强监测，避免类似大变形灾害的发生。

2)对于挤压型变形，由于大变形侵限导致的初支破坏及拆换对工程安全影响极大，故在高地应力大变形地区应重点分析和研究此类变形对工程的影响。

3)大变形控制总体原则宜为：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，最终达到安全、经济、高效的变形控制目标。

4)大变形的控制措施须具有针对性和层次性，其控制措施必须纳入工序管理，严格执行，建立长效机制。

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Muzhailing tunnel deformation characteristic and control of Lan-Yu railway

Yue Yingwu

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Huangshan242700,China)

Taking Muzhailing tunnel of Lan-Yu railway under high stress conditions as the research target, the article briefly introduces its deformation conditions, and classifies the deformation into loose-style deformation and squeezing-style deformation, analyzes major factors influencing Muzhailing tunnel deformation, summarizes Muzhailing tunnel deformation processing experience, and finally puts forward integral deformation controlling principles.

deformation, loose style, squeezing style, influential factor, construction control

2015-02-28

岳英武(1980- )，男，工程师

1009-6825(2015)14-0183-03

U455

A