侵入蚀变岩隧道大变形控制技术研究

2022-04-20弯晓林

铁道建筑技术 2022年2期

弯晓林

(中铁十九局集团第二工程有限公司辽宁辽阳 111000)

1 引言

随着我国交通路网的逐步完善，交通基础设施建设重心逐步向西南地区转移[1]。该地区地质条件复杂、地质活动强烈，由此导致隧道工程施工会面临洞周变形较大、掌子面失稳等问题，严重影响施工进度、危害施工人员安全[2]。因此，隧道大变形与掌子面稳定性控制问题成为西南地区隧道建设中亟需解决的关键问题[3]。

国内外相关学者已对隧道大变形问题展开了深入研究，并取得了相关成果。朱永全[4]从隧道围岩变形量角度，给出了大变形界定标准；何满潮[5]根据软岩变形机理对大变形问题进行分类，分为弹性大变形与塑性大变形两类；陈宗基[6]归纳了大变形产生的原因；赵旭峰[7]、田伟权[8]、李国良[9]、郭尚坤[10]等主要从隧道软弱围岩挤压性大变形的力学特性出发，揭示了大变形力学机理和影响因素，提出了变形潜势分级方法和挤压性围岩荷载计算公式，分别采取断面曲率优化、限阻器变形吸收围岩构造应力、双层支护结构等方法控制围岩大变形，在兰渝铁路等隧道工程中得到了很好的验证；潘飞等[11]对高地应力地层隧道围岩大变形采用了优化开挖方法、调整预留变形量、多层复合初支等手段进行综合处理；张德华[12]对大梁隧道极高地应力问题开展现场试验并提出了新型支护结构。

从以上研究现状分析可知，对隧道大变形控制技术多数是基于施工经验总结，且采取的工程措施适用性有限。本文以玉磨铁路安定隧道为工程依托，对侵入蚀变岩隧道大变形控制措施展开研究，分析不同支护措施的控制效果；总结侵入蚀变岩隧道施工功效降低的原因，提出相应解决方案，形成侵入蚀变岩隧道大变形控制技术，可为蚀变岩隧道大变形的控制提供技术支撑。

2 工程背景

安定隧道总长度约17.476 km，处于滇西南地区哀牢山脉。受区域构造影响，发育断层20条、向斜2条。

隧道洞身主要通过3套地层:一是三叠系上统路马组(T3lm)泥岩、砂岩夹页岩、炭质泥岩、灰岩、煤线；路马组(T3lm)灰岩夹泥岩；一碗水组下段(T3ya)砂岩、泥岩夹砂砾岩，上统(T3)板岩、千枚岩、砂岩夹砂砾岩，中统(T2)板岩、变质砂岩夹泥灰岩、灰岩、千枚岩，长度约6.2 km。二是志留系中下统(S1-2)砂岩、泥岩、板岩、千枚岩夹灰岩、页岩、炭质板岩，长度约1.3 km，隧道出口为代表。三是燕山期侵入超基性岩等地层及断层角砾(Fbr)，长度约1.1 km。

3 施工中遇到的主要问题

3.1 有水地带的侵入岩

4号斜井平导岩性为超基性岩(橄榄岩)和泥岩，橄榄岩为橄榄色，粗粒结构，含黑色云母片，块状构造，受构造影响岩体破碎，呈碎块、角砾状，部分块状结构；泥岩为灰绿色，呈土块状，粘性强、表面光滑，遇水极易软化变形，主要分布于左侧和右侧拱部开挖轮廓线附近。围岩整体强度低，软弱，自稳性差，呈角砾、碎石状松散富水结构，开挖易坍塌或大变形。掌子面有大股状水流出，水量较大，如图1所示。

图1 PDK138＋373掌子面出水状况

4号斜井小里程段揭示围岩以侵入岩为主，系橄榄岩，灰绿色，粗粒状结构，强风化，地处蚀变带，岩质较弱，强度低，节理裂隙很发育，结合程度差，岩体极破碎，呈角砾碎块状松散结构，自稳性极差。掌子面含较多裂隙水，呈散流状，拱顶呈淋雨状。围岩软弱富水，施工期间溜塌现象时有发生，围岩难自稳，如图2所示。加之地下水对围岩的弱化作用，造成初支收敛变形严重，刚进入侵入岩地段对围岩认识不清，采用常规支护措施，造成长段落换拱现象。

图2 掌子面破碎岩体溜塌及出水

3.2 无水地带侵入岩

3号斜井大里程揭示地层岩性为蛇纹岩，灰绿～黑绿色，变晶结构，岩质软弱；节理裂隙极发育，结构面杂乱无序，结合程度很差，岩体极破碎，呈角砾碎石状松散结构，遇水极易软化，如图3所示。

图3 无水地段侵入岩

施工后发现初支收敛、沉降过大，后及时增加套拱加强支护，个别段落初支变形失效严重，出现钢架扭曲、变形，造成长段落初支换拱现象。工期、人力、物力、财力损失严重。

3.3 断层破碎带对施工的影响

3号斜井平导岩性为砂岩，掌子面施工至PDK136＋902里程后地下水极发育，处于有压涌水状态，初始揭示时水平钻孔射出距离30 m左右。根据流量计显示单平导掌子面出水量由1 000 m3/h逐步增加到1 800 m3/h，水质混浊，含砂泥。推测已进入到九甲－安定逆冲断层，比原设计里程提前153 m，对施工进度造成严重影响。

3.4 浅埋段志留系地层对隧道施工的影响

志留系地层以炭质页岩、炭质泥岩为主，岩质较软弱，薄层状为主，强风化，揭示全部以炭质泥岩为主，夹少量砂砾，属软质岩，围岩稳定性差，难自稳，如图4所示。施工中出现长段落初支收敛沉降过大造成侵限变形。

图4 志留系地层

出口段施工43个月，施工 944 m，换拱166 m，自行增加套拱324 m，可想其施工难度之大。

4 施工控制措施

4.1 喷砼封闭掌子面

(1)现场掌子面稳定控制措施

蛇纹岩地段和蚀变带富水地段，采用喷砼(厚度5 cm，强度C20)进行掌子面封闭，来延长围岩的自稳时间，利用有限的稳定时间，对初支进行快速封闭，防止洞周初支发生大变形，加快施工进度，保证安全，封闭掌子面后围岩变形显著减小。

(2)喷砼封闭掌子面控制措施效果分析

采用Flac3D有限差分软件，对比分析不同喷砼厚度下隧道掌子面纵向变形曲线、上台阶及中台阶水平位移。三维计算模型如图5所示。

图5 三维数值计算模型

模型横向取90 m，竖直向上取至拱顶以上50 m，竖直向下取40 m，纵向取80 m。围岩采用实体单元，喷砼层采用Shell单元。材料参数见表1。工况划分见表2。

表1 围岩与喷砼力学参数

表2 喷砼厚度工况划分

不同喷砼厚度下，随施工进展隧道拱顶沉降曲线如图6所示。由图6可看出，掌子面喷砼可有效控制掌子面附近拱顶沉降，而对掌子面稳定时拱顶沉降影响不大。由于施工时掌子面不稳定，会使围岩松弛范围增大，因此掌子面喷砼封闭对减小拱顶下沉会起到一定作用。

图6 不同喷砼厚度下隧道拱顶沉降曲线

不同喷砼厚度条件下上、中台阶水平位移曲线如图7所示。

图7 不同喷砼厚度下水平位移曲线

由图7可知:掌子面喷砼厚度增加，上、中台阶水平位移均显著减小，表明掌子面喷砼措施可有效控制洞周水平收敛；掌子面喷砼措施对上台阶水平位移的控制相对中台阶较为明显；掌子面喷砼措施对控制洞周水平位移比拱顶沉降效果明显。

4.2 大变形支护措施

(1)ϕ76大锁脚锚管稳定拱脚措施

为了避免软岩地段初支收敛过大，采取对锁脚锚管加大加长方式控制初支变形，将原设计4.5 m长ϕ42锁脚锚管调整为6 m长ϕ76锁脚锚管，并进行注浆。初支的收敛、沉降变形得到了明显的控制。

(2)ϕ76大直径锁脚锚管稳定拱脚控制措施效果分析

采用Flac3D有限差分软件，对比分析了不同锁脚锚管长度下隧道围岩拱顶沉降与拱脚水平位移。锁脚锚管长度见表3。围岩采用实体单元，按V级围岩材料参数取值，锁脚锚管采用beam单元。锁脚锚管与水平面夹角45°斜向下打设。

表3 锁脚锚管长度

不同锁脚锚管长度对隧道洞周变形影响规律如图8所示。

图8 隧道洞周变形与锁脚锚管长度关系曲线

由图8可知:锁脚锚管长度增加拱顶沉降明显减小，长度为2.5 m时，拱顶沉降值为40.52 cm，长度为5 m时，拱顶沉降值减小为26.32 cm，减小35.04%；锁脚锚管长度增加，洞周水平位移也明显减小，长度为2.5 m时，洞周水平位移值为35.62 cm，长度为5 m时，洞周水平位移值减小为26.88 cm，减小24.62%；锁脚锚管措施对拱顶沉降比水平位移的控制效果更为明显。

(3)加大预留变形量

为了避免初支过大变形，造成侵限换拱，不仅要控制变形，还要加大预留变形量，延长变形时间。在大变形地段预留变形量调整至最大70 cm，可避免大量换拱作业。