58-襄渝二线炭质片岩隧道变形控制技术探讨

1、襄渝二线炭质片岩隧道变形控制技术初步探讨黄双林 （铁道第一勘察设计院 西安710043）摘要：文章结合襄渝二线软弱围岩隧道的设计和施工，分析了炭质片岩的工程特性、变形机理及特征，初步探讨了炭质片岩隧道处理方案及变形控制技术。关键词：炭质片岩 隧道变形 控制技术1 概述襄渝线增建二线老河口东安康段工程复杂，桥隧比例高，尤其是汉江峡谷区，基本上桥隧相连，全线新建隧道工程总计134.943km/91座。襄渝铁路地处华北古陆与扬子古陆的接合部位，地质构造十分复杂，在构造单元划分上属秦岭褶皱系之南秦岭印支褶皱带。隧道通过地层的主要岩性为云母石英片岩和石英云母片岩，个别隧道出露辉绿岩，断裂带或断层破碎带岩

2、性为压碎岩、糜棱岩、断层角砾。炭质片岩是襄渝二线汉江峡谷段遇到的主要地质问题，隧道施工揭示的炭质片岩按分布形态和岩性特征，可分为透镜体或薄夹层状、互层状和呈厚层或带状分布等不同类型，当炭质片岩以透镜体、薄夹层状或互层状存在于石英云母片岩或云母石英片岩中时，一般情况下对围岩的整体稳定性影响不是很大，但在地下水的作用下，炭质片岩易软化变形，强度和稳定性降低，局部可能出现变形或坍塌。厚层或带状分布的炭质片岩，从掌子面看围岩大部或全部为炭质片岩，连续出现长度数十米至数百米，受构造等因素的影响，岩体的抗剪强度低，岩体扭曲、揉皱现象明显，节理发育，岩体节理面光滑亮泽，多为曲面，往往夹杂有石英岩脉侵入体，并

3、伴有地下水渗流，结构面之间结合差，易分离剥落，在地下水的作用下，围岩强度和稳定性进一步降低，容易出现初期支护的开裂变形和塌方。襄渝二线新茨沟隧道、蜀河隧道鱼王沟斜井工区、杨河隧道西河湾横洞工区均遇到较长段落的炭质片岩（照片1、2），初期支护出现不同程度的开裂变形。照片1 新茨沟隧道出口端220340厚层炭质片岩照片2 新蜀河隧道渔王沟斜井斜032掌子面炭质片岩2 厚层炭质片岩变形机理及变形特征分析2.1变形机理分析厚层炭质片岩地段地层受构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎，作为结构体的炭质片岩岩性软，强度低，开挖后风化快，透水性弱，亲水性强，浸水后容易产生较大的塑性变形甚至流变，从而导致支护变形、

4、开裂。2.2变形特征分析（1）塑性变型具流变特征，具有很强的空间效应和时间效应，变形量大、变形延续的时间长。图3、图4为杨河隧道西河湾横洞工区DzK256+474及+478处时间-位移曲线，分析表明，围岩变形具有明显的流变特征，分别经历初始变形阶段稳定变形阶段 加速变形阶段，从而发生破坏。现场测试数据显示，隧道两里程处在开挖以后50天、32天的时间里，拱脚（腰）处的净空位移值分别达到650mm和550mm，拱顶下沉达210mm和160mm。图3 杨河隧道西河湾横洞工区隧道时间-位移曲线图（一）图4 杨河隧道西河湾横洞工区隧时间-位移曲线图（二）（2）水平变形值总体上大于拱顶下沉值，并且左右侧位

5、移呈现明显不对称性图5、6、7为杨河隧道西河湾横洞工区变形以后与设计衬砌轮廓的对比图，可以看出，左侧位移远大于右侧，考虑开挖中两侧不对称的因素，综合分析多个横断面，杨河隧道西河湾横洞工区炭质片岩变形地段左侧较右侧位移大6080cm。分析左右侧位移不同的原因，应和炭质片岩的产状、线路与岩层走向的夹角、地下水的来源、节理产状等因素有关。图5 杨河隧道DzK256+451.14处变形断面 图6 杨河隧道DzK256+452.86处变形断面图7 杨河隧道DzK256+474.31处变形断面（3）炭质片岩的变形与施工工序密切相关，一般情况下前期变形速度较快，在采取一定的支护措施后，变形会有一个相对稳定的

6、时间。图8 杨河隧道DzK256+474处时间-位移速度曲线通过几座隧道炭质片岩地段施工过程中的变形情况及监控量测资料分析发现，一般情况下，隧道开挖初期会产生一定的变形，变形速度也较快，但随着支护措施的施做，变形速度会得到控制并进入相对稳定的变形阶段。稳定时间的长短除了与围岩破碎情况及地下水等因素有关外，也和开挖爆破震动、下台阶开挖扰动、台阶长度、支护强度等因素相关。·开挖爆破容易恶化围岩条件，振速越大，炭质片岩受到的不利影响也越大，而微振动控制爆破有利于保护围岩，避免显著加大围岩变形速度；·下台阶开挖时会导致围岩再次扰动，断面扩大后应力重新分布，且应力水平提高，围岩的塑性

7、流变会因此而加剧；·施工中，台阶长度是一个影响围岩变形十分重要的因素，台阶长度过长，除了影响初期支护及时封闭、不能形成环状受力结构外，还会沿线路纵向形成一个大范围临空的变形体，导致围岩变形难以控制。同时，炭质片岩的变形除了向临空面内挤，也沿纵向传递变形产生的能量，因而后方的围岩变形会影响到前方台阶的各个范围，导致掌子面附近的围岩在开挖后变形加快，稳定时间缩短。·炭质片岩地段，支护加强以后，围岩变形一般会得到抑制，变形速率减小，围岩变形会进入一个相对稳定的阶段，但这种稳定一般是暂时的，如果不能及时封闭仰拱，及早施做二次衬砌，变形速率会逐渐增大，最后导致初期支护完全破坏，甚至发

8、生塌方。3处理方案探讨参考国内外软弱围岩变形处理工程实例，结合本线炭质片岩变形特征及岩性特点，对炭质片岩变形处理提出了不同的方案，以供参考。方案一：长锚杆加固塑性圈采用长锚杆注浆加固塑性圈，改善围岩条件，提高地层的抗剪强度，并将支护的荷载通过锚杆传至深部稳定围岩，与塑性圈共同受力。根据塑性区范围及炭质片岩厚度，锚杆长度812m不等，锚杆采用R32N自进式锚杆，间距11.2m，结合锚杆向围岩中压注水泥浆液。长锚杆作为控制软岩变形的有效措施，在奥地利的陶恩隧道、阿尔贝格隧道和日本的惠那山隧道及我国的家竹箐等隧道中应用，成功地解决了高地应力条件的的软岩大变形的问题，因此，长锚杆是解决软岩变形的有效手

9、段。但结合我国目前的实际情况，长锚杆也存在以下问题：施工周期长，工序干扰大。软岩地段一般采用短台阶法开挖，单线隧道施工空间尤其狭小，长锚杆一般采用自进式分段钻入，每延米需184276m锚杆，施工时间很长，对其它工序影响较大。费用较高。长锚杆施做难度大，施工成本高，就以本线单线隧道每延米184276m的锚杆长度计，在没有考虑注浆的情况下，费用为1.5万2.2万/延m。 图9 长锚杆加固断面图 图10 刚性支护断面图方案二：刚性支护措施 隧道开挖后采用喷混凝土封闭岩面，随后及时施做模筑混凝土支护，模筑混凝土中设格栅钢架，共同形成钢筋混凝土的刚性支护结构，以抑制围岩塑性变形。刚性支护能为围岩提供强有

10、力的支护措施，在地应力水平较低、塑性变形不大的情况可以起到防止变形和坍塌的作用，但刚性支护存在以下缺陷：不利于围岩开挖后变形能量的瞬时释放，导致结构承受较大的围岩压力，在地应力水平高、塑性变形大的情况下容易开裂。与其它工序相互干扰，施工影响大，施工进度缓慢。方案三：加大边墙曲率，优化断面形式以往大量的软岩变形分析资料表明，塑性变形的发生与开挖断面的形状有关系，同等地层及地应力的条件下，断面形状越接近圆形，受力越有利。图11为在普通断面基础上加大边墙曲率后的衬砌断面，图12为圆形断面形式。结合本线已经开工的实际情况，为避免另行制作台车，在隧道内轮廓不变的情况下，加大了外墙的曲率，并加强了支护结构

11、，目前已在厚层炭质片岩地段应用。图11 优化边墙曲率断面示意图图13 圆形断面示意图处理中未采用圆形断面，主要考虑以下原因：炭质片岩经常以夹层的形式出现，因而隧道不同段落间断发生变形，在变形段采用圆形断面需更换模板台车，施工难度较大，同时，隧道内会出现较多的错台，影响隧道美观，防排水设施的衔接也存在一定的困难。与原设计马蹄形断面相比较，在满足隧道建筑限界及接触网净空的条件下，圆形断面造成了较大的空间富裕，引起工程数量和投资较大的增加。方案四：分层加强支护，控制变形通过炭质片岩变形曲线分析，围岩变形具有明显的流变特征，变形一般经历初始变形阶段稳定变形阶段 加速变形阶段，从而发生围岩破坏。软弱围岩

12、开挖后会在较短的时间释放“压缩能”，从而产生初始的变形，为防止蠕变加速而导致围岩破坏，采取“先柔后刚，控制变形”的方法，在蠕变阶段及时施做控制变形措施，使软岩蠕变得到控制并趋于稳定。图14 炭质片岩变形地段断面图支护结构形式为“第一层初期支护第二层加强支护+模筑衬砌”，第一层支护为喷、锚、网及钢架组成的联合柔性支护，在加固围岩的同时可允许释放部分围岩变形产生的能量；第二层支护为钢格栅模筑（或模喷）混凝土结构，以加强初期支护，进一步抑制围岩变形，并为二次衬砌的安全施做提供条件。模筑衬砌为C30钢筋混凝土结构，在两层支护施做后且变形基本稳定的情况下施做。襄渝二线在蜀河、杨河隧道中进行了这种结构形式

13、的试验，在蜀河隧道及渔王沟斜井工区施做较好，在与斜井交叉段为后续的施工提供了空间，为模筑衬砌的施工争取了时间。5建议施工方法从前面的分析可以看出，软岩的变形与时间、工序密切相关，因此，解决软岩变形问题，施工中应立足于一个“快”字，即快支护、快封闭。“快支护”要求开挖后及时封闭岩面，尽快施做喷锚网等支护措施，防止软岩在暴露时间长、变形过快等情况下进一步恶化围岩条件，大幅降低围岩强度，产生更大的塑性范围及更大的变形。“快封闭”则要求支护结构在最短的时间发挥最有效的作用，而要做到这一点，只有支护尽快成环。施工要贯彻“快”的要求，软岩中最佳的施工方法是超短台阶开挖，工序平行推进。超短台阶法可以做到开挖

14、早落底、支护早成环、仰拱早封闭，必要的时候上台阶可以临时封闭，以抑制变形速率。结合襄渝二线炭质片岩的特点，建议的施工方法及参数如下：（1）采用超短台阶施工，台阶高度2.5m，台阶长度控制在5m左右，进尺控制在0.75m左右；（2）隧道开挖后应立即进行初喷，及时封闭岩面，防止风化恶化围岩条件；（3）根据监控量测资料上台阶必要时设临时仰拱，临时仰拱采用I20a型钢钢架+模筑混凝土组成的结构形式，厚25cm；（4）上台阶落底后应及时施做仰拱喷混凝土及钢架，形成环状受力结构，仰拱距掌子面不超过15m，并尽可能地紧跟下台阶；（5）加大预留变形量，预留围岩变形及初支补强的空间，根据监控量测资料对变形加速的

15、段落适时采取补强措施；（6）二次衬砌宜提前施做，但作为立即承受荷载的结构，应保证拆模时有足够的强度，原则上拆模强度应达到设计强度的100%，以防止二衬开裂。同时，考虑到炭质片岩易扰动、易变形的特点，施工中还应注意以下细节：（1）采用光面弱爆破，严格控制爆破速率，减小爆破对围岩的扰动；（2）做好洞内防排水，地下水发育地段采取堵排措施；加强施工用水的管理，防止浸泡墙脚；（3）钢架接头处是受力的薄弱环节，做好钢架联接及锁脚；（4）做好监控量测及资料的分析，根据变形情况及时采取措施，防止变形侵限及坍塌。6 结语软岩变形的处理是国内外隧道施工中的一大难题，虽然许多工程在建设过程中对软弱围岩变形问题作了一些研究，甚至进行了大量的测试和科研工作，但目前对于软岩大变形隧