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高原炭质千枚岩隧道变形控制技术研究

杨通军

摘 要：云屯堡隧道为单洞双线隧道，全长22923.419m，是我国在建铁路项目中最长的单洞双线山岭隧道。隧道进口紧邻岷江双线特大桥，出口接松潘车站。为合理确定云屯堡隧道大变形施工及运营期间结构安全，开展了云屯堡隧道大变形控制方案研究。由于隧道主要岩性为砂岩、板岩、千枚岩、炭质千枚岩，受区域构造影响，褶皱发育，岩体破碎，主要软岩为板岩和炭质千枚岩、千枚岩，因此方案研究主要围绕着高原炭质千枚岩隧道变形控制技术展开。
关键词：高原炭质千枚岩隧道 变形控制技术 方案研究
：F062.4 ：A
：1004-4914（2017）03-281-02
一、引言
山岭隧道穿越高原地区遭遇到炭质千枚岩岩层等软弱围岩时，在初期支护结构中常常会出现大变形的现象，施工难度很大。因此隧道工程建设人员针对如何控制高原高地应力软弱围岩大变形控制的研究是这一领域一直关注的重要课题。
二、工程概况
云屯堡隧道位于成兰铁路成都至川主寺（黄胜关）段镇江关至松潘区间。隧址位于岷江左岸，距岷江0.5～3.5公里，与G213道路并行而进，为傍山隧道。隧道洞身下穿多条横向支沟，地形起伏较大，穿越区最高峰高程约3420米，相对高差大于500米。隧道最大埋深约750米，最小埋深为8米。隧道海拔均在2800米以上，年平均气温5.7℃，极端最低气温一般在-21.1℃，属高原高寒地区。云屯堡隧道自开工建设以来，各工区正洞均出现不同程度的围岩变形，造成初支混凝土剥落、掉块；钢筋网片裸露、撕裂；局部钢架扭曲；初支侵限；横洞衬砌压溃、开裂、底鼓等现象。为合理确定云屯堡隧道大变形段设计参数及施工工法，确保隧道施工及运营期间结构安全，开展云屯堡隧道大变形控制技术研究。
三、工程地质地貌概述
云屯堡隧道处于龙门山断裂褶皱带与甘孜——松潘褶皱带复合部位，紧邻岷江活动断裂东侧，横穿摩天岭构造带夏莫倒转复向斜、花海子倒转复背斜等褶曲构造，经多期构造运动，软硬互层状地层岩体极为破碎。具有“四极三高五复杂”的典型特征：地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著；高地壳应力、高地震烈度、高地质灾害风险；复杂的构造运动历史、复杂的构造形迹、复杂多变的复理岩建造、复杂的地应力环境、复杂的地下水条件。地质复杂，洞身穿越7个次级褶皱，一个断层，不良地质主要包括：活动性断裂带、崩塌、泥石流、危岩落石、高地应力、断层破碎带、岩溶、顺层、瓦斯及有害气体、放射性、高地温热害等。隧道施工过程中极易发生大变形。变形特征包括：拱顶沉降、收敛变形均突出；拱顶及左侧拱腰先破坏，后右侧拱腰破坏；隧道开挖时掌子面潮湿，无明显地下水渗出；变形后混凝土剥落掉块处有地下水渗出。
四、隧道变形处理技术措施
在针对地质预判大变形段落及分级，拟定如下总原则。以“控制变形”为前提的“优化轮廓、分步预留、锚撑结合、快速封闭、动态调整”的大变形处理原则。根据本线其它双线隧道软岩大变形处理取得的成果，初步拟定本隧轻微、中等、严重大变形主要措施，通过先导段试验进行验证及优化调整。
（一）隧道轻微、中等变形处理技术措施
针对轻微、中等变形以优化洞形，加强措施，尽量保护围岩的原则进行控制。如提高初期支护刚度可较有效地抵御前期变形，通过调整初期支护的钢架使钢架扭曲的现象得到了一定控制（见表1、表2）。
（二）隧道严重大变形地段处理技术措施
针对严重大变形地段设置多层支护，分层施作；锚杆采用长短结合形式，短锚杆在喷射混凝土前及时施作，长锚杆在喷射混凝土完成后及时施作——后打锚杆施工法；预留变形量可采用分步预留方式。为了防止初期支护侵限拆换拱架，考虑到围岩变形的不均匀性，预留变形量需要根据工程地质、埋置深度、施工方法、支护情况及监控量测数据等实际变形情况灵活调整。同时，为了确保二衬厚度，考虑初期支护在二衬之前不稳定的情况，铺设土工布后再进行绑扎钢筋等多道工序（见表3）。
（三）短台阶或微台阶工艺
通过微台阶法处理变形的技术可以缩短封闭时间，支护及早封闭成环，施工时核心土长和高分别是3米和2.5米。中、上、下台阶长度分别是3到5米，5米和6到7米。下台阶距离仰拱15米，仰拱距离掌子面距离不大于35米。根据隧道现场变形监测数据。变形控制应在隧道前9到15天施工较为有效，下台阶接腿实践不超过9天，仰拱封闭时间不超过15天还可设置临时仰拱或者横撑以控制变形。
（四）大刚度支护技术的应用
大刚度支护施工技术是根据初期支护强度和刚度的特性，对碳质千枚岩进行高地应力大变形加以施工控制。采用大型钢架构建大刚度支护体系，根隧道轴向水平挤压应力大于横向水平挤压应力的特点，加强钢架纵向连接，设置工16纵向连接钢架，确保钢架的整体性和刚度。施工中整体支护效果明显好于一般段，特别是水平方向应无扭曲和失稳。
（五）二次衬砌施作时间
适时施作二次衬砌。浇筑“刚强”结构，抵抗余存的变形压力，维护隧道及围岩的整体稳定，是稳定变形，经济有效的方法。二次衬砌施作时机应根据现场实际量测数据对支护及围岩的稳定性位移或回归分析所得最终位移量、位移速度及其变化趋势、隧道埋深、开挖断面大小等进行综合分析判别，施工时根据隧道变形情况、支护受力状态及初期支护表面裂缝发展情况等综合考虑变形趋势稳定，将隧道二次衬砌施作时机定为水平收敛（拱腰附近七天平均值）小于0.2毫米每天、拱部下沉速度小于0.15毫米每天。同时将二次衬砌结构进行适当加强。
（六）隧道变形处理其他技术措施
对隧道变形进行技术处理的措施还包括：采用铣挖机开挖周边，破碎锤开挖中部的组合开挖法，有效减少扰动，杜绝了突发性鼓出变形；长锚管锁脚，是控制初期支护大变形的有效措施；采用工字钢型钢钢架替代螺纹钢纵向连接，加强钢架整体性和抵御隧道纵向位移能力，提高初期支护稳定性，抑制围岩大变形；增加监控量测项目和监测频率，及时掌握施工各阶段围岩和支护结构的受力变形情况等。
五、结束语
在采取了系列大变形防治措施后，云屯堡隧道变形（以拱顶下沉和水平收敛为主，拱顶最大沉降速率为60毫米每天，累计沉降变形513毫米；水平收敛多发生在拱腰部位，最大水平收敛速率为29.1毫米每天，累计收敛为288毫米）、支护开裂、扭曲等现象得到了较为有效的控制。经过工程实践后我们总结出下列实践经验：短台阶或微台阶工艺是控制隧道大变形的有效措施之一；自进式长锚杆锁脚是控制隧道大变形的有效措施之一；预留合理的变形量是控制隧道大变形的有效措施之一。
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（作者单位：中铁十六局集团第二工程有限公司 天津 300162）
（责编：贾伟）
经济师2017年3期
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