浅谈木寨岭隧道施工中的问题

2016-05-30蒙高磊李皓玮刘明道刘之葵

科技创新导报 2016年14期

蒙高磊　李皓玮　刘明道　刘之葵

摘要：通过剖析木寨岭隧道的工况以及主要地质特征，介绍兰渝铁路木寨岭隧道施工中遇到的问题，结合工程实例分析了隧道产生塌方以及软岩大变形的原因，并针对这些问题提出了合理、有效的施工建议，为今后类似的隧道工程提供借鉴。

关键词：隧道炭质板岩塌方大变形

中图分类号：U459.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（b）-0009-03

Abstract：Through analyzing the working conditions and the main geological characteristics of the Wood Village Ridge Tunnel， introduce lanzhou-chongqing railway wooden village ridge of the problems in the tunnel construction， combining with engineering examples， the article analyses the collapsed tunnel and the reason for the large soft rock deformation， and aimed at these problems puts forward the reasonable and effective construction suggestions， provide reference for similar tunnel projects in the future.

Key Words：Tunnel； Carbonaceous slate；Collapse； Large deformation

隨着我国改革的深入，我国的经济建设也蓬勃发展，对于铁路、公路等基础设施的投资力度也不断加大。随着路网的不断完善，特别是隧道的建设，越来越向着深埋、长、大等方向不断发展，各种工程问题亦随之出现，例如国外的奥地利陶恩隧道[1]、阿尔贝格隧道[2]、日本的惠那山隧道[3]以及国内的木寨岭公路隧道[4]、南昆铁路家竹菁隧道[5]、兰新铁路乌鞘岭隧道[6]等都出现了不同程度的围岩大变形问题，给隧道的正常施工造成很大的影响。该文结合工程实际对正在施工的木寨岭隧道遇到的问题进行分析，以期为后续类似工程的施工提供建设性的建议。

1 工程概况

兰渝铁路是连接我国西北与西南的重要铁路干线，而其中的木寨岭双洞单线隧道是兰渝铁路全线唯一一座动态设计的极高风险隧道，线路基本呈北南走向，线路右侧有5座辅助坑道，左侧有3座辅助坑道，具体见图1。木寨岭位于甘肃省定西市岷县与漳县交界处的岭罗山区，是渭河与洮河的分水岭，也是陇南通往定西、兰州的屏障。在2004年，连通西北与西南的212国道在这里弃弯取直，抛弃原有弯急坡陡的越岭公路，通过1 700 多米的木寨岭公路隧道连通山岭两边的岷、漳二县，而兰渝铁路木寨岭隧道以19 068 m的长度穿越这一巨大的分水岭，其长度仅次于全长28 236 m西秦岭隧道，为兰渝线第二长隧。木寨岭隧道地处震区，通过11条断层，隧道洞身穿过3个背斜及2个向斜构造，地质条件非常复杂；隧道穿越的板岩及炭质板岩区占全隧的46.53%，该岩石遇水易崩解软化，围岩稳定性极差，且炭质板岩区可能有瓦斯外溢；隧道穿越的山体含水量大，开挖中易发生突水突泥；隧道通过区有总长4.5 km的11条长大断层破碎带沿隧道走向交叉分布，极易发生围岩大滑坍。

2 主要地质特征

木寨岭隧道是比较典型的板岩隧道工程，而其中炭质板岩段易发生围岩失稳现象。炭质板岩外观为青灰色-黑色，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，Ⅵ级软石，σ0= ，风化层厚5～10 m，Ⅲ级硬土，σ0= 。岩层产状：以N60～70E/25～66S，EW/35～85N，N40E/50～70为主。炭质板岩的力学特性与结构面倾角大小相关，结构面受力后易发生剪切破坏和产生顺层滑移破坏，板岩浸水后强度降低50%。且在通过水压致裂法测试后表明[7]：木寨岭隧道区域地应力分布为显著的水平构造应力特征（σH>σh>σv），都属于极高和高地应力地段，最大主应力与隧道轴线基本一致，故对隧道稳定性影响较小，但对斜井施工有很大影响。

3 主要工程问题

3.1 隧道塌方

在炭质板岩地层中，隧道爆破完毕之后，初期掌子面形成较好，然而随着围岩暴露时间的增长，开挖面不断出现掉块，最后出现坍塌，若遇到围岩富含裂隙水的情况则坍塌更为严重，如图2。

3.2 软岩大变形

由于木寨岭隧道所处高地应力地区，且隧道穿越地段多为膨胀性的炭质板岩，因此在隧道斜井施工中出现较多软岩大变形的地段。从总体变形监测情况来看，在几个变形的隧道斜井中最早出现变形的是5#鹿扎斜井，发生在2009年5月初；7#大战沟斜井的变形时间最长，变形范围最大，从2009年5月开始变形一直持续到9月；6#大沟庄斜井的变形出现在2009年7、8月间，日变形量和最终变形量都不是很大，但由于后期地下水的涌出，其变形量逐渐增大，在变形期间开挖面先后两次出现股状流水，围岩遇水后承载力降低变形增大；2#大坪斜井出现时间较晚，变形范围也较小，但是其日变形量比较大，部分测量点的最终变形也较大；3#大坪有轨斜井的主副井变形比较显著，日变形量也比较大，自2009年6月以来，主、副井先后发生了4次大变形，变形范围从30～70 m不等，表现为拱墙大面积喷混凝土开裂、掉块，钢拱架整体往洞身方向径向变形开裂。量测数据显示变形主要为收敛变形较大，同时伴随拱顶下沉，且收敛速度较快。在斜6+59～5+90变形段从2009年8月22日开始变形突然加剧，且速度极快，在一天内拱墙初支混凝土出现大范围开裂、掉块，斜6+22位置拱顶断裂，见图3、图4。

4 问题原因分析及处理措施

对于隧道塌方，根据斜井开挖的岩层显示，炭质板岩为薄层状，层厚5～30cm，节理发育，围岩破碎，在开挖爆破之后围岩应力重分布，使得外露围岩形成一道塑性松动圈，岩体间摩阻力降低，受重力与地应力双重作用，表层岩块掉落，随之第二次应力重分布，逐渐形成塌方。其次，炭质板岩主要为软质岩，本身节理裂隙发育，结构面光滑，围岩完整性差，根据隧道顶部围岩平衡拱理论围岩越破碎，所需支护力也越大，更易形成塌方，且受地下水影响，岩体遇水后强度急剧下降，层间泥质充填物在裂隙水的作用下失去胶结作用，造成岩体强度降低的同时因裂隙水带走层间结合物，导致岩体完整性的进一步破坏。在施工过程中由于开挖进尺过大未能及时支护以及施工过程不够细致也是导致隧道塌方的原因。对于塌方可在以下几个方面着手。

（1）在设计阶段，对于隧道的危险地段应尽量采取超前锚杆或管棚等超前支护措施，抑或根据地下水发育情况采取超前注浆等围岩加固措施，增加围岩的稳定性。

（2）在施工阶段，在开挖前拱部范围采取超前支护措施，减少围岩掉块，防止松动圈扩大；在开挖时采用控制爆破和台阶法开挖，减少爆破对围岩的扰动，增强围岩自身承载力和稳定性；在开挖后要及时的进行初期支护，使尚未达到整体破坏的周边岩体及时得到径向抗力，使局部应力状态由二维转向三维，从而提高承载力[8]。

在木寨岭隧道的施工过程中遇到最多的是软岩大变形，软岩大变形问题实际上是一个塑性大变形问题，针对变形的特点以及现场监测数据，其成因可从以下几个方面进行分析。

（1）地质条件。木寨岭隧道的大变形段多为岩质板岩和断层破碎带，炭质板岩具有膨胀性，质软，遇水易崩解，岩体自身强度低，其岩层走向与隧道轴线夹角较小，岩层膨胀所产生的侧压及开挖后应力均较大，易产生侧向大变形；此外，通过地质素描图可看出在岩层产状相差不大的情况下，特别是在断层破碎带，节理越发育，变形越明显，且隧道所处均为极高和高地应力区域，加剧了软岩变形的速度以及规模。

（2）支护条件。一方面是初期支护强度不够，使得其刚度不足以抵抗强大的地应力作用，从而产生变形；另一方面是施工工序间隔时间过长，未能及时形成封闭的支护体系，使得初期支护在无约束下产生无限制性变形，最终发展成围岩大变形。

（3）施工条件。施工初期隧道斜井断面采用直墙结构，因各斜井与主隧道斜交，斜井走向与所受主应力方向基本垂直，在施工一段时间后直墙在侧压作用下内鼓变形，结构抗力急剧减小，导致塑性变形加大，后期施工在采用曲率较大的圆形断面之后发现斜井变形的情况有明显的好轉，因此可以判断隧道断面形式的选择亦是产生大变形的原因。此外由于有的斜井坡度较大，开挖方法不当导致初支成环不及时，并在重力作用下随着井深的增长造成边墙变形开裂和仰拱上鼓。

针对之前对木寨岭隧道软岩大变形的分析，为确保施工进度、抑制其变形可采取以下措施[9]。

（1）加强变形监测工作，不仅要对变形区域进行长期的监测，对于初期变形不明显区域也要建立长效的监测机制，未雨绸缪。

（2）采用合理的支护形式、支护时机以及支护参数，尽量进行超前设计，并对后续施工可能出现的问题提出相应的应对方案。

（3）采用合理的隧道断面形式，应用早高强湿喷混凝土，抑制围岩变形，提高初期支护强度，在施工过程中预留变形量以释放残余应力。

5 结语

目前木寨岭隧道即将全断面贯通，在斜井与主线贯通之后由于正洞断面增大，净空的要求与大变形的控制标准也要相应地提高，因此之前斜井施工中的一些经验教训显得格外重要，将为后续类似工程提供宝贵的施工经验。

参考文献

[1] 金鑫.陶恩隧道掘进中的一些经验[J].隧道译丛，1976（2）：50-54.

[2] 刘达仁.阿尔贝格隧道掘进中的支护问题[J].隧道译丛，1970（5）：32-42.

[3] 邹崇富.惠那山隧道长平译断层中新奥法的设计和施工[J].隧道译丛，1986（1）：37-46.

[4] 中国公路学会.2003全国公路隧道学术会议论文集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5] 铁道部第二勘察设计院.高应力比煤系地层巷道稳定及支护技术[Z].