兰渝铁路木寨岭隧道岭脊核心段扩拆技术

叶康慨

(中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450003)

0 引言

随着我国“一带一路”倡议的提出，隧道及地下工程领域迎来了前所未有的发展机遇。我国西部地区隧道施工过程中面临着复杂、恶劣的地质条件，其中高地应力和软岩变形问题尤为突出，这些地质灾害不仅影响着施工进度和工程施工质量，同时还危及人员和设备安全[1]。

很多学者和专家对高地应力区隧道变形的规律、机制、力学特征以及控制和施工技术进行了研究。如：文献[2-4]研究了隧道施工过程中变形控制技术； 文献[5]利用围岩变形监控量测数据，找出变形规律，及时调整施工参数。岩体开挖后受扰动而产生应力重分布的过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下。对于地质条件差、地应力为高—极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要[6]。高地应力隧道开挖过程中围岩将产生较大塑性区,在拱肩及拱底部位发展最快,仰拱封闭是变形控制的关键点[7]。由于地质条件的复杂性、多样性和多变性，针对高地应力软岩变形机制进行研究对提前调整和控制隧道变形有很大意义[8]，而对已经严重破坏的隧道结构的大变形治理的研究较少。本文以木寨岭岭脊核心段隧道扩拆施工为例，结合对高地应力软岩变形的研究，分析隧道挤压变形破坏和流变现象的特征和机制，提出洞碴回填机械开挖法的扩拆施工技术。

1 工程概况

新建兰(兰州)—渝(重庆)铁路木寨岭隧道设计为双洞单线分离式特长隧道，全长19.1 km。隧道穿越地层地质构造复杂，通过包括区域性大断裂F2在内的共11条大断裂、3个背斜和2个向斜构造，属高地应力区。隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区占全隧的46.53%； 穿越的断层、偏压、滑层、泥石流等特殊不良地质段总计长约16.1 km，占隧道长度的84.29%。

木寨岭隧道洞身板岩及炭质板岩围岩强度为0.26～5 MPa，勘测最大水平主应力为10.5～27.16 MPa，围岩强度应力比为0.01～3，属极高地应力软弱围岩区域。隧道走向N55°～60°W，地应力方向为 N30°～40°E，水平主应力与隧道走向夹角小。

根据围岩类别及地应力分布情况将木寨岭隧道高地应力软岩段分为3部分，分别为一般段、岭脊一般段、岭脊核心段，如图1所示。一般段强度应力比为1～3，累计收敛平均为500 mm。岭脊一般段强度应力比为0.2～0.6，累计收敛平均为700 mm。岭脊核心段强度应力比为0.01～0.2，累计收敛大部分集中在1 500～2 000 mm，最大收敛达4 306 mm。

图1 木寨岭隧道段落划分Fig. 1 Sectioning of Muzhailing Tunnel

2 岭脊核心段衬砌结构开裂

2.1 开裂情况

木寨岭隧道进入岭脊核心地段以后，挤压变形更为显著，具有明显的流变现象，二次衬砌大面积出现开裂(见图2)，结构受到严重的破坏。岭脊核心段单线长1 000 m，左右线合计2 000 m，施工后二次衬砌开裂扩拆处理共计1 054 m，扩拆段长度占比为52.7%。

2.2 流变现象

隧道开挖后，在隧道周边形成塑性圈，受偏压应力的影响，岩体发生蠕变，从有限蠕变到对数蠕变再到破坏蠕变。破坏蠕变时偏压应力大于岩石可抗应力，发生典型的应力扩容显现，岩体所承受的应力随时间的推移减小，应变逐步增加，形成流变现象[9]。发生流变后的围岩塑性圈半径不断增大，围岩的变形破坏逐渐从浅部向深部发展。木寨岭隧道衬砌大面积的开裂大部分发生在衬砌施作后半年左右，局部地段在衬砌施作3年后出现开裂，流变现象明显。

图2 衬砌开裂Fig. 2 Lining crack

在初期支护及二次衬砌结构相同的情况下，若短时间内发生流变现象，说明重新分布的围岩应力大于支护及围岩的极限强度，发生破坏式蠕变现象，塑性圈小； 若长时间出现流变，说明一段时间内重新分布的围岩应力小于支护及围岩的极限强度，发生的是塑性蠕变现象，无破坏发生，但随着塑性圈的增大，给支护结构带来更多的支撑荷载，极易造成重新组合的地应力大于支护及围岩强度，发生明显流变[10-12]。

2.3 开裂原因

岭脊核心段埋深约500～600 m，发育有2条断层，岩体极其破碎，处于“特极高地应力”状态，在高地应力作用下，板岩及炭质板岩段易发生挤压性大变形，变形量大、变形速率高、持续时间长、难以稳定，具有明显的流变现象。因此，特殊复杂的高地应力环境是导致衬砌裂损的主要原因[13]。

3 扩拆技术

鉴于岭脊核心段采用原设计支护的隧道二次衬砌已经开裂，基本丧失承载能力，需要拆除重新施作。根据支护参数、隧道开裂和变形监测情况，并结合以往隧道大变形施工经验，将岭脊核心段二次衬砌开裂段落的初期支护及原来的二次衬砌同时拆除，进行扩挖施工。衬砌开裂段处理的具体措施有： 原有二次衬砌及初期支护拆除前采用套拱和围岩径向注浆加固，拆除后重新支护并采取加强支护刚度、优化隧道断面结构、严格控制各工序施工步距、调整隧道变形预留量等措施。

3.1 套拱加固

为确保施工安全，在开裂段采取设置内侧套拱等措施进行安全防护及结构临时加固。采用H175型钢、间距1榀/m在拱墙内侧架设临时套拱加固，钢架间采用φ22钢筋纵向连接，如图3所示。

图3 衬砌开裂段型钢加固Fig. 3 Shaped steel reinforcement in lining crack section

为防止裂损区在扩拆时继续向两侧延伸，在保留区端头与扩拆段相邻位置设置不少于3榀I20b型钢钢架锁口，间距0.5 m。钢架间采用φ22钢筋纵向连接，喷射C30混凝土填充，如图4所示。

图4 衬砌保留区套拱加固Fig. 4 Cover arch reinforcement in lining reserved section

拆除段附近的斜井口或通道口采用I20b、间距0.5 m的型钢钢架进行锁口，钢架之间采用C30喷射混凝土填充。锁口设置长度不小于5 m。

3.2 围岩径向加固

二次衬砌拆除前在拱墙位置设置φ42钢花管进行径向注浆加固，钢花管长4 m，间距1.5 m×1.5 m。注浆采用普通水泥单液浆，水灰比为1∶1，注浆指标采用定压控制，注浆终压为1.5 MPa。当达到设计终压并继续注浆10 min以上，单孔进浆量小于20 L/min，检查孔涌水量小于0.2 L/min，停止单孔注浆。所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏浆现象，注浆后段内涌水量不大于5 m3/(m·d)，进行压水实验，在1.0 MPa压力下，进水量小于2 L/(m·min)，结束本循环注浆。

3.3 加强支护刚度

衬砌开裂意味着原有的支护刚度不够，需要加强支护刚度，增大预留变形量，确保后期结构不开裂。加强的支护措施如下。

1)超前支护： 拱部120°范围设φ42超前注浆小导管，长3.0 m，环向间距0.4 m，纵向每2榀钢架施作1个循环。

2)第1层支护： C30喷射混凝土厚33 cm，预留变形量40～50 cm，全环采用H175型钢钢架，间距0.7 m/榀； 钢架间设置φ22连接筋，每榀钢架设置12根长4 m的φ42锁脚锚管。

3)第2层支护： C30喷射混凝土厚25～40 cm，预留变形量40 cm，全环采用H175型钢钢架，间距0.7 m/榀； 钢架间设置φ22连接筋，每榀钢架设置8根长1.5 m的φ42锁脚锚管。

4)长锚杆加固： 两侧边墙设8 m长的R38N自进式锚杆锁固，每侧边墙设置5根，纵向间距0.7 m，配合钢架施工。

5)仰拱桁架： 采用H175型钢设置仰拱桁架，纵向间距1.4 m/榀，纵向连接采用H175型钢，间距3 m。桁架上梁位于仰拱填充顶面下20 cm处。

6)第3层支护： 全环采用C30钢筋喷射混凝土，厚40 cm，预留变形量0～15 cm。钢筋环向采用φ22主筋，间距20 cm；φ14纵向筋，间距25 cm；φ8箍筋，间距25 cm。

7)二次衬砌： 拱墙设置缓冲层代替土工布结构，置于防水板外侧，与初期支护密贴，缓冲结构采用高密度闭孔橡塑海绵板，厚6 cm，密度不小于200 kg/m3。全环C35钢筋混凝土，厚70 cm。衬砌钢筋环向采用φ25主筋，间距20 cm，间隔双筋布置；φ4纵向筋，间距25 cm；φ8箍筋，间距25 cm。

3.4 优化隧道断面结构

扩拆前为马蹄形断面(见图5)，扩拆后采用圆形隧道断面(见图6)，将衬砌周边的不均匀受力以及侧压力进行分散，减少作用在结构上的剪切应力。

图5 扩拆前隧道结构断面(单位： cm)

Fig. 5 Tunnel cross-section before dismantling and enlarging(unit: cm)

图6 优化后的隧道结构断面(单位： cm)Fig. 6 Tunnel cross-section after optimization (unit: cm)

3.5 严格控制各工序施工步距

扩拆施工时，严格控制第1层支护、第2层支护、中上台阶长锚杆、仰拱、第3层支护、二次衬砌等工序的施工步距，避免因围岩变形导致支护在施工过程中失效。上台阶步距不大于5 m，中台阶步距不大于7 m，仰拱至下台阶步距控制为15～20 m，第3层支护距离仰拱不大于20 m，二次衬砌距离第3层支护不大于20 m。

3.6 调整隧道预留变形量

扩拆施工前，分段统计围岩变形情况和地质情况，根据开裂段落前期变形情况及围岩情况调整隧道开挖预留变形量。 若前期累计变形在1 000 mm以内，按前期累计变形量的65%～85%进行考虑，即后期预留变形量控制在650～850 mm； 若前期累计变形为1 000～1 500 mm，按前期累计变形量的55%～70%进行考虑，即后期预留变形量控制在825～1 050 mm。

4 扩拆方法

4.1 扩拆施工方法选择

隧道扩拆施工过程先后采取了台架法和洞碴回填机械开挖法。通过现场摸索，最终采用洞碴回填机械开挖法实现了隧道扩拆的安全以及快速施工。

4.1.1 台架法扩拆

施工前期，衬砌开裂段处于正常施工的主干道上，扩拆施工采用台架法，分上中下3个台阶，上台阶高4.08 m，中台阶高3.85 m，下台阶高3.85 m。开挖采用弱爆破，爆破完成后立即清理碴体，梳通道路。采用该方法施工对围岩扰动较大，容易造成围岩局部垮塌甚至塌方。施工过程作业面狭小，施工安全得不到保障。上台阶扩挖后拱架拱脚无稳固支撑点，造成围岩变形加剧，容易造成隧道初期支护侵限。施工时，作业条件差，施工进度缓慢。

4.1.2 洞碴回填机械开挖法施工

为确保安全、防止溜坍、减小变形、杜绝拆换、加快进度以及稳固结构，在前方施工完成后，在衬砌开裂段采用洞碴进行回填，形成三台阶法施工。上台阶高度控制在3.5 m以内，中下台阶高度均控制在4.5 m。中下部基脚由回填碴体形成稳固基础。采用机械液压破碎锤进行扩拆施工，破碎后采用人工手持风镐修整到扩拆设计断面。作业时由专人在作业面指挥，避免机械作业过程中碰撞已支护好的初期支护，减少扩拆施工对周边围岩的扰动。

4.2 洞碴回填机械开挖法扩拆工艺

木寨岭隧道衬砌开裂及其影响段共扩拆1 054 m，其中906 m主要集中在单层及双层初期支护段，小部分(148 m)在第3层初期支护段。原有衬砌结构断面尺寸小、刚度低，扩拆后的断面尺寸加大、刚度加强，高程相差2.7 m，因此需要设置渐变段逐步扩拆成型，并在扩拆段与非扩拆段间设置30 m宽隔离带，隔离带需断开原有衬砌结构。

4.2.1 渐变段施工

4.2.1.1 施工步骤

第1步在拟定开口位置回填碴土形成作业平台；

第2步在距离隔离带位置3.5 m处进行开口，先拆除2 m二次衬砌，再进行初期支护扩拆工作，设置5榀拱架,由原来的马蹄形断面渐变为圆形断面；

第3步正常断面上台阶长度达到5 m时开始同步推进上、中台阶扩拆施工，达到15 m时停止正向扩拆,施作上、中台阶第2层支护；

第4步反向扩拆渐变段及预留段至扩拆起点(上中台阶同步推进)；

第5步从起点开始扩拆下台阶，至距离中台阶7 m后形成正常三台阶扩拆施工。

4.2.1.2 开口段纵断面

如图7所示。

图7 开口段纵断面示意图(单位： m)Fig. 7 Longitudinal profile of tunnel open section (unit: m)

4.2.1.3 渐变段施工注意事项

开裂二次衬砌一次破除长度不大于2 m，且原有二次衬砌及初期支护拆除时应将初期支护连接钢筋等一次切断，避免拆除时对相邻段结构产生影响。

4.2.2 正常断面段施工

4.2.2.1 工艺流程

开口段施工完成后可形成正常的三台阶法施工，施工工艺流程如图8所示，扩拆步距如图9所示。

4.2.2.2 关键技术

1)台阶形成。上台阶利用原有衬砌作为台阶支撑，上台阶长5 m，支撑台阶长3 m，中下台阶利用回填的碴体形成，分部分侧作业。上台阶高3.5 m，中下台阶高控制在4.5 m以内。

2)开挖作业。上循环喷浆支护完成后，采用液压破碎锤对上中下3台阶原有衬砌及初期支护混凝土进行拆除。上台阶滞后掌子面3 m，每循环进尺不大于1榀拱架间距； 中下台阶左右侧错开2榀拱架间距进行施工，每次只能破除单侧，进尺不大于2榀拱架间距。人工进行钢筋及拱架割除，钢筋及拱架割除后，由上到下分台阶扩挖围岩至扩拆设计断面。

图8 正常断面段扩拆施工工艺图Fig. 8 Dismantling and enlarging construction process

图9 洞碴回填机械开挖法扩拆步距示意图(单位： m)Fig. 9 Construction step of muck backfilling with mechanical excavation method (unit: m)

3)支护作业。上中台阶第1层支护施工4榀拱架后，暂停掌子面施工，在中台阶同步施工上中台阶第2层支护。上中台阶第2层支护拱架完成4榀施工后进行上中台阶长锚杆施工。

4)衬砌作业。支护7 d平均变形速率小于1 mm/d时进行二次衬砌施工。

5 扩拆施工组织

5.1 扩拆施工进度指标

5.1.1 各工序施工时间

如表1所示。月进度指标为25 m。

表1 各工序施工时间Table 1 Construction schedule of each process

5.1.2 隧道衬砌滞后开挖的最终时间

上台阶施工完成后，中台阶施工滞后上台阶施工5 d，下台阶施工滞后中台阶施工5 d，仰拱施工滞后下台阶施工20 d，第3层支护施工滞后仰拱施工10 d，二次衬砌施工滞后第3层支护施工25 d，即隧道上台阶贯通后65 d内完成隧道衬砌施工。

5.2 人员、设备配置

5.2.1 人员配置

施工班组人员配置如表2所示。

表2 施工班组人员统计Table 2 Labor statistic of each construction team

5.2.2 设备配置

主要设备配备如表3所示。

表3 主要机械设备配置表Table 3 Main equipment configuration

5.3 施工对比及关键问题

5.3.1 施工效率对比

根据铁路隧道施工规范，Ⅴ级围岩隧道采用单层初期支护时，若无变形正常施工月进度为50 m，若出现变形需要进行拆换施工月进度不大于20 m。木寨岭隧道岭脊段扩拆施工利用碴体形成三台阶，在中台阶提前施作第2层支护及长锚杆系统，将下台阶第2层支护及长锚杆系统与上中台阶第1层支护同步施工，仰拱、第3层支护以及二次衬砌同步施工，实现了高效，控制了变形，保障了施工安全，月进度达到了25 m。台架法拆除是单工序作业，围岩变形不可控，施工安全难以保障，施工进度指标不大于15 m/月。相比之下，对于大变形的处理采用回填法扩拆施工技术，效率提高了45%～65%。

5.3.2 关键问题

开挖支护需要实行同步，出碴是关键； 进度要稳定，仰拱是关键； 支护要稳定，第3层支护是关键。

施工过程中，长锚杆是单独耗时，在控变形上起到了一定的作用。若取消长锚杆，在一定程度上可以节约支护封闭时间。

6 三台阶回填扩拆工法控制变形情况

6.1 监控量测统计情况

木寨岭隧道岭脊段扩拆采用双层型钢刚架支护+钢筋湿喷混凝土支护+二次衬砌的支护体系，典型断面变形速率如图10所示，各施工阶段变形情况如表4所示。可知： 第2层支护施作完成后，变形速率迅速减小60%； 仰拱施工后，变形速率迅速减小66%； 第3层支护施工后，变形速率降至0～2 mm/d。

图10 典型断面变形速率Fig. 10 Deformation rate of typical monitoring section

表4 各施工阶段变形速率情况Table 4 Deformation rate of each construction phase

通过对各阶段变形累计值进行总结分析，在支护体系强度逐步加强的过程中，围岩累计变形明显减小。说明随着支护刚度逐层加强，围岩塑性圈逐步趋于稳定，同时，隧道纵向随着距离掌子面的距离增大，变形比例在逐步减小，如图11和图12所示。

图11 各阶段变形累计值统计Fig. 11 Accumulated deformation of each construction phase

图12 各阶段变形累计值占比

Fig. 12 Proportion of accumulated deformation of each construction phase

各区段累计收敛曲线如图13所示。对整个段落的累计值进行统计分析，发现前期推断的预留变形量准确，扩拆过程中变形可控。

图13 累计收敛曲线图Fig. 13 Curve of accumulated convergence

根据量测数据及现场施工经验，总结得出第1层支护后变形不稳定，需尽快进行第2层支护以及仰拱施工，及早封闭成环。第2层支护和仰拱施工后，变形明显减小，说明支护结构的尽早封闭有利于支护体系的整体受力。第3层支护完成后基本稳定，平均变形速率不超过1 mm/d，说明3层柔性支护能有效地控制围岩的变形。

6.2 支护结构稳定情况

监控量测数据显示扩拆后变形相对稳定，重新施作的二次衬砌结构稳定(见图14)，无结构开裂变形情况发生。

图14 重新施作的二次衬砌Fig. 14 Reconstructed secondary lining

6.3 结构受力情况

6.3.1 扩拆前应力测试

扩拆前，于2015年6月10日在DYK180+950断面埋设二次衬砌测点，2015年6月21日模板台车脱模测取初值，2016年2月16日终止测试。扩拆前测试时间约为8个月，在3个月左右时出现了衬砌裂缝。其结构应力时程曲线如图15—17所示。根据测试结果来看，扩拆前结构整体受力较大，接触压力最大值为738.49 kPa，未趋于稳定，左侧接触压力明显大于右侧接触压力，左侧接触压力平均值约为365 kPa，右侧平均值约为90 kPa，钢筋应力最大值为207.90 MPa，混凝土应力最大值为左墙腰的50.24 MPa，测试断面的结构受力超出极限值，受力不稳定，结构安全不可靠，因此出现开裂。

图15 扩拆前接触压力曲线Fig. 15 Contact pressure curves before dismantling and enlarging

图16 扩拆前钢筋应力曲线

Fig. 16 Reinforcement stress curves before dismantling and enlarging

图17 扩拆前二次衬砌混凝土应力曲线

Fig.17 Concrete stress curves of secondary lining before dismantling and enlarging

6.3.2 扩拆后应力测试

扩拆后取DYK180+950断面衬砌3个月的受力测试进行分析。其结构应力时程曲线如图18—20所示。 根据测试结果来看，扩拆后结构整体受力均较小，接触压力最大值小于310 kPa，钢筋应力最大值小于70 MPa，混凝土应力最大值小于18 MPa，测试断面的结构受力稳定，结构安全可靠。

图18 扩拆后接触压力曲线Fig. 18 Contact pressure curves after dismantling and enlarging

图19 扩拆后钢筋应力曲线

Fig. 19 Reinforcement stress curves after dismantling and enlarging

图20 扩拆后二次衬砌混凝土应力曲线

Fig. 20 Concrete stress curves of secondary lining after dismantling and enlarging

7 结论与讨论

1)木寨岭隧道的岭脊核心段具有变形量大、速率快、持续时间长的流变特征。在衬砌扩拆过程中，为杜绝裂损区的继续延伸，必须对保留段的二次衬砌进行套拱支护加固，以保证不受影响。扩拆过程采取增大预留变形量、多层支护、主动加固围岩，采用更有安全保障的圆形断面，严格控制各工序施工步距，选择合适的预留变形量，以便于施工控制。

2)台架法扩拆施工对围岩扰动大，容易产生局部垮塌或塌方。施工时作业面狭小，施工难度大，不适用于高地应力软岩区段。采用洞碴回填结合液压破碎锤进行隧道扩拆施工，破碎后采用人工手持风镐修面，极大地减少了对隧道周边围岩的扰动，保护了围岩的自稳性。

3) 设计支护刚度足够强大是扩拆施工顺利实施的前提，扩拆施工过程中应坚持“以抗为主、抗放结合、边放边抗”的原则。

4)通过严格控制多层支护、仰拱封闭及二次衬砌的步距，在监控量测和应力测试的数据支持下，适时进行隧道衬砌施工，有利于结构的稳定。

虽然木寨岭隧道衬砌扩拆施工技术取得了成功，但在扩拆施工过程中投入了大量的人力、物力和机械设备，致使施工进度缓慢，施工成本巨大。在以后的施工过程中，如何提前应对极高地应力软岩作用带来的大变形、坍塌等地质灾害，尽可能地减少扩拆施工，是需要研究和努力的方向。

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