何磊
【摘 要】兰渝铁路夏广段受青藏高原向北东持续扩展挤压作用,地层岩性变化大,地质构造十分复杂,处于高-极高地应力状态,隧道施工中极易发生大变形,施工中采用优化支护参数、恰当施工工法、提前释放应力等综合措施,达到安全施工的目的。%Xiaguanying to Guangyuan part of the Lan-Yu Railway, as the Tibetan Plateau to northeast keep expanding and crush, the formation lithology changes a lot and the geologic structure is very complicated, The high or sky-high earth stress makes it vulnerable to big transmogrification. Parameters of anchor-plate retaining is optimized, the construction method is improved, to release stress before construction, etc. which ensures construction safely. 【期刊名称】《铁道建筑技术》 【年(卷),期】2012(000)008 【总页数】5页(P59-63)
【关键词】铁路隧道;薄层炭质板岩;高地应力;大变形;应力释放 【作 者】何磊
【作者单位】中国铁建十一局集团第四工程有限责任公司,武汉430074 【正文语种】中 文 【中图分类】U456.1
新建兰渝铁路北起兰州，南至重庆，横跨甘肃、陕西、四川、重庆四省市，北接兰新、包兰、兰青、陇海，南连宝成、襄渝、达成、渝怀、沪汉蓉，是中国《中长期铁路网规划》中的重要铁路干线，它的建成将成为中国西南和西北地区最便捷、最快速的通道。
中国铁建十一局集团负责施工1ys－4标起点段的罗沙、新城子、毛羽山三座隧道，长分别为7 997 m、9 164 m、8 504 m，全部位于甘肃宕昌县境内。
根据兰渝公司通报，全线发生大变形的隧道主要集中在3～5标，也就是岷县到武都之间。涉及的隧道有:木寨岭隧道、哈达铺隧道、纸坊隧道、马家山隧道、同寨隧道、新城子隧道、毛羽山隧道、天池坪隧道和两水隧道。且具有下述主要变形特点。
(1)变形量大，变形速率快
隧道开挖后初期支护水平收敛变形速率快，变形速率＞100 mm/d;变形量大，最大累计变形量超过1 400 mm。 (2)变形持续时间长
开挖初期受施工影响，变形速率大，仰拱封闭后变形明显减少，但仍不能趋于稳定，通过对新城子停工半年的监控结果，现在速率仍有0.3 mm/d。 (3)破环性强
初期引起初期支护喷射混凝土开裂、掉块、内鼓，继而钢架发生扭曲、错断，严重时造成二衬开裂，仰拱上浮。
经过专家研讨，基本确定影响隧道变形的主要因素有: (1)隧道处于极高地应力区
兰渝线宕昌至武都段属于2008年汶川大地震严重影响区，处于白龙江-武都断裂带上，发生过逆时针向扭动，属全新活动断裂，根据中铁一院在天池坪隧道进行的区域地应力测试值判断毛羽山整座隧道轴线位置的最大水平主应力σH处于
27.23～77.40MPa之间，最小水平主应力 σh处于15.567 ～43.628 MPa之间，竖向应力σv处于8.531～30.264 MPa之间，并通过现场点荷载试验R c处于13～43 MPa之间，R c/σmax值介于1.58～0.17之间，远远小于4，属于极高地应力状态。高地应力区硬岩易发生岩爆，软岩易产生大位移。 (2)最大水平主应力与隧道轴线成大夹角
例如，毛羽山隧道轴线基本走向北向东56～79°(N56～79°E)，而最大水平主应力优势方向为北西向(即N29°～35°W)，与隧道线路走向夹角约85°～114°，接近于垂直方向，对隧道两侧收敛不利。木寨岭隧道大战沟斜井地应力方向与轴线大夹角，与正洞小夹角，斜井变形远大于正洞变形。毛羽山骆驼下斜井围岩比正洞更差，但因为斜井轴线与地应力方向小夹角，斜井比正洞变形小，这都表明:最大水平主应力与隧道轴线夹角是产生大变形的主要因素。 (3)地质条件差
毛羽山隧道地质以三叠系下统板岩(T1 sl)为主，青灰色，局部夹白色条带，变余泥质、钙质结构，薄层板状构造(层厚2～5 cm)，层间结合力较差，密闭节理裂隙较发育，弱风化，岩质较软，构造迹象明显，局部有扭曲。围岩自稳能力较差，岩层产状为N60°W/82°S，近乎直立，岩层走向与洞轴线夹角21°～36°，点荷载强度 13 ～43 MPa，顺层强度更低，属极软岩。具有明显的强度各向异性，且遇水软化性质显著。对于层状(特别是薄层状)岩体中的地下洞室，其变形破坏机制多用挠曲加以解释。尤其在高地应力区的荷载条件下，岩体更容易发生挠曲变形以至破坏。由于洞室围岩的径向应力降低而切向应力增高，层状岩体以板的方式在横弯或纵弯作用下发生挠曲变形，造成侧墙内挤严重，水平收敛大于拱顶下沉，呈显出典型的挤压性隧道的特征。通过毛羽山、新城子隧道3年开挖后变形情况对比，岩层走向与隧道轴线平行、层状为薄层时对变形不利，而岩层走向与隧道轴线有一定夹角、层状为中厚层、块状时变形较小。所以说，岩层岩性、产状也是产生变形的主要因
素。
(4)支护强度、断面形状影响
国内外许多工程实例表明，由于设计施工初期对高地应力条件下围岩大变形认识不足，采用的初期支护参数较弱(如锚杆较短、预留变形较小、二衬施作滞后等)，导致围岩变形发展大，易造成初支破坏。
斜井断面、单线隧道初期采用直墙、小曲率形状，两侧边墙收敛速率较大，后期采用大曲率曲墙断面速率明显减缓，初支侵限情况显著减少。 (5)施工扰动影响
隧道开挖前，岩体处于稳定平衡状态。隧道开挖以后，岩体原有天然应力状态遭到破坏，引起围岩应力状态重新分布，一部分地应力以变形能的形式释放，另一部分则向围岩深部转移，发生应力重分布和局部区域应力集中，并不断调整以期达到与当前环境相适应的新平衡状态。开挖卸荷导致洞壁围压急剧降低，切向应力增大而径向应力减小，引起应力集中，并在洞壁上达到极限值。当应力水平超过岩体屈服强度和流变下限阀值时，引起围岩塑性和黏性流动，产生随时间增长的变形，随着变形不断增加而围岩进入粘塑性应变软化阶段，长期强度值降低，又进一步加剧了隧道变形。因此，施工扰动是围岩大变形的外部因素。同时，施工方法、初期支护闭合时间对围岩变形影响极为显著。软弱围岩隧道，采用长台阶法施工，工序间距太长，仰拱闭合滞后，不能及时形成封闭的支护结构体系，衬砌无法紧跟浇筑，致使初期支护在支护强度不足情形下产生大变形，导致许多工程变形超限，甚至引起坍塌失稳，而不得不重新进行拆换初支、扩挖等处理。
在较大的构造应力与高地应力作用下隧道，其拱顶及两侧易发生破坏，为了抑制这种破坏，支护设计应采用以提高围岩自身强度为主的支护控制系统，阻止应力场引起的岩层运动的发展，以保证支护后的隧道稳定。因此，解决大变形给隧道施工带来的危害，一方面是要找到合理的、能抗高地应力的支护系统和适当的施工方法，
减缓变形速率;另一方面，通过地应力控制释放技术，使正洞开挖时处于低应力状态，有效降低围岩变形，减轻二衬所承受的压力，从而避免二衬破坏。
在施工过程中应尽量减少诱发围岩变形的不利因素，控制围岩变形发展。具体从以下几方面进行控制:(1)利用超前预支护，对软弱破碎围岩进行主动加固控制，即“先加固，后开挖”，施工中采用长4 m的φ42小导管预注浆，作为超前预支护的加固措施。(2)严格控制施工爆破参数，采用减弱振动控制爆破技术，尽量减少对围岩的扰动，同时控制循环进尺为2 m，以减少由于长进尺大药量引起的围岩扰动。(3)特别破碎段，采用铣挖机铣挖(见图1)，避免爆破振动影响。毛羽山出口DK285+120～DK285+070段采用铣挖机铣挖，效果明显。
根据新奥法原理，提高隧道支护体系整体受力性能。隧道大变形支护系统是指支护结构和周边围岩的组合体，不仅指钢架、喷射混凝土等支护结构本身，还包括通过锚杆、注浆等方式加强支护结构与周边围岩的联系，从而使支护结构与围岩形成整体支护体系，抵抗开挖后地层应力作用。具体措施主要有加强超前预支护(φ42小导管预注浆，长4 m)、钢架间设双层纵向连接筋(φ22螺纹钢筋，内外双层布置，环向间距1.0 m)、双层网片(φ8钢筋双层网)、加长锚杆、优化钢拱架弧度改善受力性能、设置临时仰拱、初期支护后回填注浆等。在兰渝公司的组织和领导下，设计、施工、科研等单位结合工程科研试验，对同寨隧道进口、毛羽山隧道出口、天池坪隧道进口、两水隧道等由于地应力、围岩产状、层厚及破碎程度、地下水等原因造成初支发生大变形的隧道进行了参数优化。
(1)加强初期支护，Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩加强初支刚度，主要采用全断面布设工20b或H175型钢钢架，间距0.6 ～1.0 m/榀。
(2)根据量测数据，开挖后若短期收敛变形速率较快，增设临时仰拱及时封闭成环、增设边墙部位自进式锚杆。
(3)加强钢架的纵向连接，采用φ22钢筋内外双层连接或型钢连接。
(4)加强钢架的锁脚，各节点采用φ42锁脚锚管，长度为6～8 m，锚杆打设困难地段可以采用R32N自进式锚杆。
(5)对于拱部下沉和水平收敛较快，且一次支护难以抑制其变形的地段，预留二次支护补强空间，根据变形情况适时施作二次支护。
(6)对部分松散地层，将部分系统锚杆调整为φ42小导管，进行径向注浆补强加固软弱围岩，注浆管长6～8 m。
(7)根据围岩量测数据分析，适当加大预留变形量35～40 cm。 根据上述原则，兰渝软岩大变形隧道支护参数见表1。
鉴于兰渝线所处特殊地质情况环境，不能依据现有的围岩分级标准和支护标准，兰渝公司经过2年的试验、科研，根据地质特征及变形规律，提出兰渝软岩大变形定义、机理、预测和验证标准，并以此指导施工。表2为兰渝线软岩隧道大变形分级标准。
施工中根据变形情况，初期支护发生破坏时，应及时补强。
大变形隧道就是“施工进度和变形量赛跑”，在满足施工开挖要求和台阶稳定的情况下，尽可能地缩短上台阶长度，可以尽快使支护结构形成闭合断面，而且可充分利用开挖面空间效应，控制软弱岩体的不稳定蠕变出现。
毛羽山隧道通过优化三台阶工法，采用超短台阶法施工，加快工序衔接，缩短工序间距，快速封闭成环。上台阶尽可能短，控制在3～5 m，中台阶5～6 m，下台阶10～15 m，仰拱紧跟，距掌子面不超过35 m，二衬距仰拱不超过12 m，仰拱闭合时间不超过10 d。及时构筑仰拱，可有效减缓围岩变形速率，初期锚喷支护和钢支撑能够及早闭合成环，有效控制围岩挤压变形。实践表明，采用超短台阶法对于控制围岩大变形，具有十分明显的效果。 (1)超前导洞释放应力法
通过在隧道断面内设置超前小导洞，利用小导洞的可变形性，将地层高地应力提前
释放，使正洞开挖时处于可接受的相对低应力状态，减少正洞支护刚度的投入，避免正洞钢架拆换。图2为超前导洞应力释放试验。
①通过拱顶下沉和水平收敛变形监测，以及水平测斜，研究超前小导洞变形的时间效应规律。
②通过变形监测和受力的监测数据对比，研究超前小导洞与正洞的变形对应规律，从而达到利用超前小导洞指导正洞支护参数设计的目的。达到超前导洞释放应力的目的。
采取超前导洞措施后，正洞扩挖时变形速率明显减缓，说明超前导洞应力释放有效降低了隧道主洞高地应力，加快了围岩二次工程应力场平衡趋势。同时，试验过程中深刻认识到，对于高地应力软岩隧道，总是强调应力释放、卸压也是不可取的，达到有效释放期后，围岩应力释放调整趋于平衡，此时要快速坚决封闭成环。只有把握好“应力控制释放”与“变形控制”之间的矛盾平衡，充分认识大变形控制是一个系统工程，在应力释放的同时，提高初期支护体系刚度，优化正洞扩挖工艺，加快工序衔接，快速封闭成环，合理二衬砌筑时机等均不容忽视，而且有时某一环节会起到关键作用。实现围岩应力的可控化释放，最终使支护体系能有效抵抗控制释放后的地应力作用，从而达到控制变形的目的。 (2)预留空间释放应力法
该工法作用机理:①通过柔性网构护罩保护隧道安全开挖掘进，初期支护滞后施作;②柔性网构护罩与初期支护间设置预留空间，利用柔性变形原理，挤占预留释放空间;③通过预释放应力作用，使初期支护结构变形可控，完全达到不拆换钢架的目的;④应力释放后，初期支护受力在一段时间内受高地应力降低，从而变形速率降低，保证二次衬砌质量。隧道支护设计见图3。
以上措施在现场都进行了应用，根据监测反馈，对于变形控制较为有效，但仍需通过现场的不断总结优化，进一步提高其经济性与高效性。
根据变形原因分析，在高地应力区域施工时，控制大变形的控制原则:
(1)选线规避控制。在线路选择时，充分考虑地应力的影响，尽量避开高地应力区域，若必须通过时，应尽量采取与最大主应力呈小夹角通过。
(2)减少施工扰动，增加围岩自身稳定性，提高支护刚度控制。应充分考虑地质和构造因素，提高支护刚度，确保安全可靠。在高地应力条件下，若最大主应力与隧道轴线呈小夹角时，地应力对隧道的影响会减弱，类似条件下施工，若支护刚度难以满足安全要求时，也会造成大变形，该工程已充分说明了这个问题。因此，为避免大变形引起套拱或拆换，初期支护应一次到位。
(3)超前应力释放控制。地应力值大，最大水平主应力与隧道呈大夹角，地层软弱破碎，一些区段尽管采用了很大的支护刚度，但仍发生了大变形，因此，仅通过无限制地提高支护刚度，很难满足控制大变形的要求，采取应力释放对解决大变形十分必要。
【相关文献】
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