论文部分内容阅读
摘要： 文章以木寨岭隧道7#斜井正洞段施工为例，选取试验段从支护参数、地质条件、收敛变形方面进行分析，并充分考虑前期正洞模拟试验段以及斜井施工变形情况等分析结果，提出正洞软岩变形段支护参数，以期对后续施工提供指导及借鉴。
关键词：隧道 软岩 变形 支护参数
1.工程地质与施工概况
1.1 地质概况
木寨岭隧道是兰渝全线4座极高风险隧道之一，全长19.06km，为双洞单线分离式特长隧道，位于兰渝线兰州至广元段的中部，是全线重要控制工程之一。该隧道洞身穿越11个断裂，最大带宽约1km，总长4.5km。隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占全隧的46%，该岩石遇水易崩解软化，围岩稳定性极差，且炭质板岩区可能有瓦斯外溢；隧道穿越的特殊不良地质段段落长大、影响面宽，有湿陷性黄土、山体滑坡、泥石流、岩堆、高地应力变形区等；总计各类软岩段长约16.1km占隧道长度84.47%，极易发生围岩大滑坍，施工难度很高。
1.2 施工概况
LYS-3标隧道工程于2009年4月先后进洞施工，隧道2#、3#、5#、6#、7#斜井等处即先后出现不同程度的大变形，多数变形主要体现于结构水平收敛变形，且具有变形快、变形量较大的特点，变形处喷砼开裂，初期表面出现环、纵向裂缝，支护内鼓，拱架开裂、扭曲等现象，严重影响施工安全。其中3#斜井发生变形量级最大，最大累计变形超1300mm（斜649），最大变形速率达1860mm/d(斜665)。7#大战沟斜井是变形范围及历时最长的工点，变形时间始于09年5月，直至斜井进入正洞，变形段长达到70%以上，堪称全隧大变形之最。
2.变形特征及影响因素的分析
2.1变形特征
结合施工进展，对木寨岭隧道大变形进行了总结，主要具以下特征：
①20cm以上水平收敛变形基本发生于IV、V断层压碎岩中，且主要发生在直墙断面及局部曲墙断面（宽高比约为1）。
②通过对大战沟和鹿扎两座斜井测试，以及历史量测资料的统计，其成果支持主应力方向与木寨岭隧道轴线相一致的认识。而对大战沟斜井地应力的测试，则探明并验证了斜井埋深范围内主应力为水平方向（σH=16.7MPa，埋深200m），并与正洞轴线方向一致（北北东～北东）。
③在压碎岩以及炭质板岩中，有变形随时间逐渐加大及后期位移显著增长的可能，应引起高度重视，并加强监测，初期支护结构需预留足够强度储备，断层压碎岩则需预留二层支护补强空间。
④初期位移速率与开挖进尺呈正相关性，控制进尺是解决初期位移速率过大的有效手段。
2.2变形因素分类
通过对木寨岭隧道各变形影响因素进行统计汇总，变形影响因素主要分以下三种：
①核心因素
地应值和最大水平主应力与隧道轴线夹角是产生大变形的核心因素。通过对斜井分析，贯穿斜井施工过程的主要因素是地应力，从地应力的数值关系，最大水平主应力与隧道轴线夹角与变形大小的关系规律与隧道实际变形基本相吻合。
②主要因素
岩性、层状、破碎程度及地下水是产生大变形的主要因素。从斜井统计结果来看，斜井地质岩性主要为软岩（炭质板岩）和软岩夹中硬岩（炭质板岩夹砂岩）；层状以薄层或薄层夹中厚层为主，未出现中厚层及以上；岩体破碎程度以破碎为主，有少部分较破碎，未出现完整岩体。综合三方面因素及岩体强度，由于岩层强度低，加之高地应力作用，成为隧道发生大变形的又一因素。
对地下水来说，目前开挖揭示多数地段地下水并不发育，但由于炭质板岩极易遇水软化，加剧变形，如果没能很好的引排也是产生大变形的主要因素。
岩层产状与隧道轴线的夹角也是产生大变形的主要因素，在大于和小于35°两种情况下，都有大变形的发生，但小于35°情况下变形相对显著，可以说，岩层产状与隧道轴线的夹角也是影响大变形的主要因素。
3.正洞支护参数选取研究
为了对木寨岭隧道选取合理的支护参数，针对地质情况、前期支护及变形特征的特点，在木寨岭正洞根据地质选取了几种支护参数进行进行试验，以指导木寨岭隧道支护参数的选用。
3.1选择的试验支护系统的类型
试验中，选取DYK187+905~965、DYK187+895~885、DYK187+815~765、DYK187+720~685四段作为试验段，根据地质情况采用两种支护体系进行试验，各试验段初支系统如下表1所示。
表17#斜井工区四个试验段初支系统参数表
3.2试验段支护系统的效果对比分析
不同的支护体系的支护效果对比分析主要是以隧道边墙大跨（该处变形最大）收敛观测及外观破坏现象为主要为评估对象，以上四试验段均在边墙大跨处埋设了一道收敛观测线，纵向间距5m，在开挖中下断面时埋设并及时观测。
（1）第一实验段地质及变形情况分析
第一实验里程为DYK187+905~965，期間埋设10条收敛侧线，分别位于DYK187+905、+910、+915、+920、+925、、+935、、+945、+950、+960、+965里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如图1所示。
图1 第一试验段边墙收敛测线变形历时曲线
本段内收敛时间持续了20天左右，从监测结果分析可知，下断面开挖后、边墙受连速率在40~50mm/d左右，在仰拱是做过程中，变形增大，在仰拱施做完成后，变形速率下降至5mm/d以下，二次衬砌施做前，部分地段累计变形已达到了350mm~500mm。
(2)、第二实验段地质及变形情况分析
第二试验段里程为DYK187+895~880，期间设有3条测线，分别位于DYK187+895、+890、+885里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如下图2所示。
图2 第二试验段边墙收敛测线变形历时曲线
从图可知，下断面开挖后，边墙变形速率在10~20mm/d.小于第一试验段下断面边墙的收敛速率40~50mm/d，在全断面初支完成后，侧边墙收敛变形速度基本上在1~3mm/d之间，比第一试验段的要小一些。边墙收敛值在200mm以内，边墙喷混凝土开裂情况较少。两个试验段采用支护参数相同，但变形不同，主要是由于地质原因引起。
(3)、第三实验段地质及变形情况分析
第三试验段里程为DYK187+815~765，期间设有8条测线，分别位于DYK187+815、+805、+800、+795、+790、+780、+770、+765里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如下图3所示。
图3 第三试验段边墙收敛测线变形历时曲线
从图可知，本试验段段变形较小，本段支护参数间距加大100cm，隧道累计变形较小，主要为地质因素影响。
(4)第四实验段地质及变形情况分析
第四试验段里程为DYK187+720~685，期间设有8条测线，分别位于DYK187+720、+715、+710、+705、+700、+695、+690、+685里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如下图4所示。
图4 第四试验段边墙收敛测线变形历时曲线
从曲线图可知，下断面开挖后，边墙变形速率在20~40mm/d大于第二、三试验段下断面边墙的收敛速率，在全断面初支完成后，侧边墙收敛变形速度基本上在1~3mm/d之间，比第一试验段的要小一些。边墙喷混凝土开裂情况较多，拱架有扭曲显现，部分地段由于变形侵限，采取换拱措施。
3.3试验段支护系统的效果评估
通过以上四个里程段试验，进行评估，得出以下结论：
（1）对于ⅤB级围岩地段，采用H175型钢拱架、间距50cm，进行单层支护时，隧道边墙喷混凝土出现开裂，部分地段拱架扭曲、甚至断裂，部分地段变形侵限需要换拱处理，对施工影响较大，应进行优化。
（2）对于ⅣB级围岩，通过第二、三段试验，采用H175型钢拱架、间距50cm，进行单层支护时，能够满足支护要求，目前变形也较小，但由于木寨岭隧道存在高地应力，应对支护参数进行优化。
（3）对于ⅣC级围岩，采用H175型钢拱架、间距50cm，进行单层支护时，隧道边墙喷混凝土出现开裂，部分地段拱架扭曲、甚至断裂，部分地段变形侵限需要换拱处理，没有满足变形控制要求。
3.4 正洞建议支护参数的提出
通过对4个试验段的变形、支护、地质结合分析，并结合前期施工经验、正洞模拟试验结果以及斜井总结分析，考虑受高地应力作用，遵循“先强后优化”的原则，提出正洞段支护参数如下表2。
表2木寨岭隧道正洞支护参数建议表
序号 围岩类型 支护原则 正洞建议支护参数
1 ⅣA 弱支护 全环设I16工字钢，间距1.2m，施作φ22全螺纹砂浆锚杆，3.0m，间距1.2m*1.2m(环*纵），喷射砼C25厚度23cm。
2 ⅤA、ⅣB 预留变形量
单层支护 全环设H175型钢拱架，间距0.5m，预留20cm二次支护空间，断面型式采用加大曲率断面，上半断面 C30早高强砼封闭掌子面5cm，设临时支撑、必要时采用临时仰拱。系统锚杆拱部长4.5m、边墙处长6m，锁脚锚杆6×4根，长6m。喷射砼为C30早高强，厚33cm，设双层连接筋钢筋网。变形大于20cm或3天内速率持续变大，边墙增设8m长深孔锚杆，3根/侧。二衬采用钢筋砼。
3 ⅤB、ⅣC 双层支护 设双层初支钢架，第一层采用全环H175型钢，间距0.5m，第二层采用拱墙I16套拱，间距0.8m，断面型式采用加大曲率断面。系统锚杆长4.5m，锁脚锚杆24根，长6m。喷射C30早高强砼，厚33cm，拱墙采用φ42小导管径向注浆、间距1m×1m。大跨上下设两排深孔锚杆，长8m。二衬采用钢筋砼。
4. 结束语
通过前期试验，对木寨岭高地应力软岩地段现阶段变形控制的总体原则为：遵循“先强后优化”的原则，加强支护，及时封闭，初期支护一次到位，减少套拱，杜绝拆换，必要时二次支护适时施作。支护参数的选择与确定应以此为原则，从而达到安全、经济、高效的目的。
目前大戰沟斜井正洞正在进行洞室超前应力释放试验，下阶段结合应力释放效果，探求在应力释放作用下确保结构安全的同时，进一步优化支护参数，以达到“减少套拱、杜绝拆换”的目的，实现针对高地应力软岩隧道从被动补强到主动释放的转化，从而促进高地应力软岩隧道施工技术水平的进一步提高。
参考文献：
[1] 张文强，王庆林，李建伟等.木寨岭隧道大变形控制技术[J].隧道建设，2010（4），157-161.
[2] 邹翀，王超朋，张文新等.兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段应力控制试验研究[J].隧道建设，2010（4），120-124.
[3] 叶慷慨.木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形分析及处理技术[J].隧道建设，2010（4），190-194.
[4] 唐绍武、王庆林.木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩大变形施工技术[J].隧道建设，2010（4），199-201.
[5] 代伟、徐双永等.木寨岭隧道大坪斜井软岩大变形原因分析及施工技术[J].隧道建设，2010（4），169-172.
[6] 姚坤、于德福.小导坑超前掘进施工技术在铁路隧道中的应用[J].铁道标准设计， 2002（9）：64-65.
作者简介：
刘晓翔，男，1971年生，1991年毕业于兰州交通大学土木工程系，目前从事铁路工程施工管理与技术工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：隧道 软岩 变形 支护参数
1.工程地质与施工概况
1.1 地质概况
木寨岭隧道是兰渝全线4座极高风险隧道之一，全长19.06km，为双洞单线分离式特长隧道，位于兰渝线兰州至广元段的中部，是全线重要控制工程之一。该隧道洞身穿越11个断裂，最大带宽约1km，总长4.5km。隧道洞身穿越的板岩及炭质板岩区，占全隧的46%，该岩石遇水易崩解软化，围岩稳定性极差，且炭质板岩区可能有瓦斯外溢；隧道穿越的特殊不良地质段段落长大、影响面宽，有湿陷性黄土、山体滑坡、泥石流、岩堆、高地应力变形区等；总计各类软岩段长约16.1km占隧道长度84.47%，极易发生围岩大滑坍，施工难度很高。
1.2 施工概况
LYS-3标隧道工程于2009年4月先后进洞施工，隧道2#、3#、5#、6#、7#斜井等处即先后出现不同程度的大变形，多数变形主要体现于结构水平收敛变形，且具有变形快、变形量较大的特点，变形处喷砼开裂，初期表面出现环、纵向裂缝，支护内鼓，拱架开裂、扭曲等现象，严重影响施工安全。其中3#斜井发生变形量级最大，最大累计变形超1300mm（斜649），最大变形速率达1860mm/d(斜665)。7#大战沟斜井是变形范围及历时最长的工点，变形时间始于09年5月，直至斜井进入正洞，变形段长达到70%以上，堪称全隧大变形之最。
2.变形特征及影响因素的分析
2.1变形特征
结合施工进展，对木寨岭隧道大变形进行了总结，主要具以下特征：
①20cm以上水平收敛变形基本发生于IV、V断层压碎岩中，且主要发生在直墙断面及局部曲墙断面（宽高比约为1）。
②通过对大战沟和鹿扎两座斜井测试，以及历史量测资料的统计，其成果支持主应力方向与木寨岭隧道轴线相一致的认识。而对大战沟斜井地应力的测试，则探明并验证了斜井埋深范围内主应力为水平方向（σH=16.7MPa，埋深200m），并与正洞轴线方向一致（北北东～北东）。
③在压碎岩以及炭质板岩中，有变形随时间逐渐加大及后期位移显著增长的可能，应引起高度重视，并加强监测，初期支护结构需预留足够强度储备，断层压碎岩则需预留二层支护补强空间。
④初期位移速率与开挖进尺呈正相关性，控制进尺是解决初期位移速率过大的有效手段。
2.2变形因素分类
通过对木寨岭隧道各变形影响因素进行统计汇总，变形影响因素主要分以下三种：
①核心因素
地应值和最大水平主应力与隧道轴线夹角是产生大变形的核心因素。通过对斜井分析，贯穿斜井施工过程的主要因素是地应力，从地应力的数值关系，最大水平主应力与隧道轴线夹角与变形大小的关系规律与隧道实际变形基本相吻合。
②主要因素
岩性、层状、破碎程度及地下水是产生大变形的主要因素。从斜井统计结果来看，斜井地质岩性主要为软岩（炭质板岩）和软岩夹中硬岩（炭质板岩夹砂岩）；层状以薄层或薄层夹中厚层为主，未出现中厚层及以上；岩体破碎程度以破碎为主，有少部分较破碎，未出现完整岩体。综合三方面因素及岩体强度，由于岩层强度低，加之高地应力作用，成为隧道发生大变形的又一因素。
对地下水来说，目前开挖揭示多数地段地下水并不发育，但由于炭质板岩极易遇水软化，加剧变形，如果没能很好的引排也是产生大变形的主要因素。
岩层产状与隧道轴线的夹角也是产生大变形的主要因素，在大于和小于35°两种情况下，都有大变形的发生，但小于35°情况下变形相对显著，可以说，岩层产状与隧道轴线的夹角也是影响大变形的主要因素。
3.正洞支护参数选取研究
为了对木寨岭隧道选取合理的支护参数，针对地质情况、前期支护及变形特征的特点，在木寨岭正洞根据地质选取了几种支护参数进行进行试验，以指导木寨岭隧道支护参数的选用。
3.1选择的试验支护系统的类型
试验中，选取DYK187+905~965、DYK187+895~885、DYK187+815~765、DYK187+720~685四段作为试验段，根据地质情况采用两种支护体系进行试验，各试验段初支系统如下表1所示。
表17#斜井工区四个试验段初支系统参数表
3.2试验段支护系统的效果对比分析
不同的支护体系的支护效果对比分析主要是以隧道边墙大跨（该处变形最大）收敛观测及外观破坏现象为主要为评估对象，以上四试验段均在边墙大跨处埋设了一道收敛观测线，纵向间距5m，在开挖中下断面时埋设并及时观测。
（1）第一实验段地质及变形情况分析
第一实验里程为DYK187+905~965，期間埋设10条收敛侧线，分别位于DYK187+905、+910、+915、+920、+925、、+935、、+945、+950、+960、+965里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如图1所示。
图1 第一试验段边墙收敛测线变形历时曲线
本段内收敛时间持续了20天左右，从监测结果分析可知，下断面开挖后、边墙受连速率在40~50mm/d左右，在仰拱是做过程中，变形增大，在仰拱施做完成后，变形速率下降至5mm/d以下，二次衬砌施做前，部分地段累计变形已达到了350mm~500mm。
(2)、第二实验段地质及变形情况分析
第二试验段里程为DYK187+895~880，期间设有3条测线，分别位于DYK187+895、+890、+885里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如下图2所示。
图2 第二试验段边墙收敛测线变形历时曲线
从图可知，下断面开挖后，边墙变形速率在10~20mm/d.小于第一试验段下断面边墙的收敛速率40~50mm/d，在全断面初支完成后，侧边墙收敛变形速度基本上在1~3mm/d之间，比第一试验段的要小一些。边墙收敛值在200mm以内，边墙喷混凝土开裂情况较少。两个试验段采用支护参数相同，但变形不同，主要是由于地质原因引起。
(3)、第三实验段地质及变形情况分析
第三试验段里程为DYK187+815~765，期间设有8条测线，分别位于DYK187+815、+805、+800、+795、+790、+780、+770、+765里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如下图3所示。
图3 第三试验段边墙收敛测线变形历时曲线
从图可知，本试验段段变形较小，本段支护参数间距加大100cm，隧道累计变形较小，主要为地质因素影响。
(4)第四实验段地质及变形情况分析
第四试验段里程为DYK187+720~685，期间设有8条测线，分别位于DYK187+720、+715、+710、+705、+700、+695、+690、+685里程。
变形监测分析
各测线历时曲线如下图4所示。
图4 第四试验段边墙收敛测线变形历时曲线
从曲线图可知，下断面开挖后，边墙变形速率在20~40mm/d大于第二、三试验段下断面边墙的收敛速率，在全断面初支完成后，侧边墙收敛变形速度基本上在1~3mm/d之间，比第一试验段的要小一些。边墙喷混凝土开裂情况较多，拱架有扭曲显现，部分地段由于变形侵限，采取换拱措施。
3.3试验段支护系统的效果评估
通过以上四个里程段试验，进行评估，得出以下结论：
（1）对于ⅤB级围岩地段，采用H175型钢拱架、间距50cm，进行单层支护时，隧道边墙喷混凝土出现开裂，部分地段拱架扭曲、甚至断裂，部分地段变形侵限需要换拱处理，对施工影响较大，应进行优化。
（2）对于ⅣB级围岩，通过第二、三段试验，采用H175型钢拱架、间距50cm，进行单层支护时，能够满足支护要求，目前变形也较小，但由于木寨岭隧道存在高地应力，应对支护参数进行优化。
（3）对于ⅣC级围岩，采用H175型钢拱架、间距50cm，进行单层支护时，隧道边墙喷混凝土出现开裂，部分地段拱架扭曲、甚至断裂，部分地段变形侵限需要换拱处理，没有满足变形控制要求。
3.4 正洞建议支护参数的提出
通过对4个试验段的变形、支护、地质结合分析，并结合前期施工经验、正洞模拟试验结果以及斜井总结分析，考虑受高地应力作用，遵循“先强后优化”的原则，提出正洞段支护参数如下表2。
表2木寨岭隧道正洞支护参数建议表
序号 围岩类型 支护原则 正洞建议支护参数
1 ⅣA 弱支护 全环设I16工字钢，间距1.2m，施作φ22全螺纹砂浆锚杆，3.0m，间距1.2m*1.2m(环*纵），喷射砼C25厚度23cm。
2 ⅤA、ⅣB 预留变形量
单层支护 全环设H175型钢拱架，间距0.5m，预留20cm二次支护空间，断面型式采用加大曲率断面，上半断面 C30早高强砼封闭掌子面5cm，设临时支撑、必要时采用临时仰拱。系统锚杆拱部长4.5m、边墙处长6m，锁脚锚杆6×4根，长6m。喷射砼为C30早高强，厚33cm，设双层连接筋钢筋网。变形大于20cm或3天内速率持续变大，边墙增设8m长深孔锚杆，3根/侧。二衬采用钢筋砼。
3 ⅤB、ⅣC 双层支护 设双层初支钢架，第一层采用全环H175型钢，间距0.5m，第二层采用拱墙I16套拱，间距0.8m，断面型式采用加大曲率断面。系统锚杆长4.5m，锁脚锚杆24根，长6m。喷射C30早高强砼，厚33cm，拱墙采用φ42小导管径向注浆、间距1m×1m。大跨上下设两排深孔锚杆，长8m。二衬采用钢筋砼。
4. 结束语
通过前期试验，对木寨岭高地应力软岩地段现阶段变形控制的总体原则为：遵循“先强后优化”的原则，加强支护，及时封闭，初期支护一次到位，减少套拱，杜绝拆换，必要时二次支护适时施作。支护参数的选择与确定应以此为原则，从而达到安全、经济、高效的目的。
目前大戰沟斜井正洞正在进行洞室超前应力释放试验，下阶段结合应力释放效果，探求在应力释放作用下确保结构安全的同时，进一步优化支护参数，以达到“减少套拱、杜绝拆换”的目的，实现针对高地应力软岩隧道从被动补强到主动释放的转化，从而促进高地应力软岩隧道施工技术水平的进一步提高。
参考文献：
[1] 张文强，王庆林，李建伟等.木寨岭隧道大变形控制技术[J].隧道建设，2010（4），157-161.
[2] 邹翀，王超朋，张文新等.兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段应力控制试验研究[J].隧道建设，2010（4），120-124.
[3] 叶慷慨.木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形分析及处理技术[J].隧道建设，2010（4），190-194.
[4] 唐绍武、王庆林.木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩大变形施工技术[J].隧道建设，2010（4），199-201.
[5] 代伟、徐双永等.木寨岭隧道大坪斜井软岩大变形原因分析及施工技术[J].隧道建设，2010（4），169-172.
[6] 姚坤、于德福.小导坑超前掘进施工技术在铁路隧道中的应用[J].铁道标准设计， 2002（9）：64-65.
作者简介：
刘晓翔，男，1971年生，1991年毕业于兰州交通大学土木工程系，目前从事铁路工程施工管理与技术工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。