碳质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术.docx

图 1 碳质板岩大断面隧道三台阶法示意（单位：m）fig.1 three-bench excavation of large profile tunnel in carbonaceous slate碳质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术武建广1 刘晓翔2王新文 2（1 中铁隧道集团有限公司，洛阳 471009； 2 兰渝铁路有限责任公司，兰州 730050）摘 要 双线大断面铁路隧道通过碳质板岩地层时，极易发生大变形。 在现场工程实践和试验的基础上，文章从地质条件、地下水、支护参数、施工工艺等方面着重对碳质板岩地段变形演化机理及引发大变形的各类因素进行 了分析，并提出了优化支护参数、加强锚杆对结构变形的控制、注浆纳入工序化管理等控制此类大变形的措施。关键词 碳质板岩 大断面隧道 变形控制中图分类号：u455.41+1文献标识码：a是一种同时具有多种变形的复合变形力学机制。 成功控制软岩隧道大变形的一个关键因素就在于合理 运用各种开挖和支护方案， 将复合变形力学机制转 化为单一力学机制1。概述1兰渝铁路兰广段大草滩至宕昌之间分布有多座软岩隧道，其中马家山隧道、同寨隧道等为双线大断 面隧道，设计最大开挖宽度 14.5 m、高度 12.3 m、开 挖面积 145 m2，主要通过地层为三叠系下统碳质板 岩及板岩夹砂岩，施工过程中极易发生大变形。软岩隧道大变形的失稳是一个渐进的过程，总 要从一个或几个部位首先发生变形破坏， 而逐渐扩 展乃至整座隧道的失稳， 首先破坏的部位称为关键 部位，是发生大变形过程中局部应力、应变和能量不 协调所造成的。 软岩隧道难于支护的一个重要原因 就是在于软岩隧道并非只具单一变形力学机制，而2隧道施工及发生变形情况2.1施工方法双线大断面 隧道内碳质板 岩段主要为 级围 岩，开挖支护采用三台阶法组织施工（图 1）。 上台阶 开挖高度 3.9 m， 长 46 m， 每循环进尺 1.21.3 m； 挖掘机扒碴至中台阶，开挖支护采用自制简易台架。 中台阶开挖高度 4.1 m，长 2025 m，每循环进尺控修改稿返回日期：2011-03-04作者简介： 武建广（1977-），工程师，从事工程技术与施工管理工作，e-mail:.68第 48 卷第 2 期(总第 337 期) 2011 年 4 月出版vol . 48 ， no . 2 ， total . no . 337 apr . 2011图 2 岩层扭曲且层理杂乱fig.2 distorted stratum with disordered stratification图 3 薄层且倾角大fig.3 lamina with large dip angle图 4 初期支护钢架严重扭曲fig.4 seriously distorted steel arch of primary support图 5 初期支护喷混凝土脱落fig.5 concrete spalling of primary support图 6 同寨隧道 dk248+240 断面收敛时程曲线fig.6 convergences vs. time curve of tongzhai tunnel atdk248+240现 代 隧 道 技 术modern tun nelling technology碳质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术制与上断面同步，左右错进；装载机装碴，自卸汽车出碴。 下断面开挖与中上断面相对独立，左右错进，错开距离 6 m 左右。各台阶开挖后及时进行初喷混凝土， 随后进行 钢架、钢筋网片、锚杆等的施作，然后复喷混凝土至 设计厚度，下部与仰拱一次开挖成型，自制栈桥作为 运输通道。 后续仰拱、二次衬砌紧跟，确保满足安全 步距要求。2.2揭示围岩岩性特征隧道施工中实际揭示的围岩为碳质薄层板岩， 层厚为 520 mm，黑褐色，变晶结构，主要成分特性 为砂质、钙质、碳质、铁质等，含石英细粒，微膨胀；节 理裂隙发育， 薄层板岩在节理裂隙切割作用下被分 割成小块，稳定性差，且节理基本为竖向垂直节理， 并与隧道轴线基本平行， 两边侧墙易发生片帮掉块 现象；围岩强度较低，岩片手掰可碎，且两侧面为光 滑面，部分地段有渗水，在地下水的侵蚀下软化并减 弱岩层间粘结力，容易导致围岩失稳（图 2、图 3）。形，变形处初期支护表面开裂、拱架扭曲、局部侵限，均采用注浆加固、套拱及拆换等措施进行了处理（图4、图 5）。 尤其是同寨隧道进、出口变形尤为严重，有 多处地段变形侵限，变形处理致使工期滞后。以同寨隧道进口为例， 施工进入板岩和碳质板岩段后，变形活动剧烈，自 dk247+960 开始断续出 现支护结构较大变形。根据监控量测结果，最大日沉 降量为 64 mm，最大日收敛量为 154 mm，累计最大 沉降为 520 mm，累计最大收敛为 735 mm。同寨隧道 dk248+240、dk248+270 断面收敛曲线如图 6、 图 7 所示。2.3施工中出现变形情况同寨隧道和马家山隧道施工期间先后出现大变第 48 卷第 2 期(总第 337 期) 2011 年 4 月出版69vol . 48 ， no . 2 ， total . no . 337 apr . 2011图 7 同寨隧道 dk248+270 断面收敛时程曲线 fig.7 convergences vs. time curve of tongzhai tunnel at dk248+270现 代 隧 道 技 术modern tu nnelling technology碳质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术3.2.1 地质条件变形段的围岩一般是三叠系下统碳质板岩或原 岩为碳质板岩的压碎岩，岩层破碎程度高，风化程度 一般为弱强风化；变形段均处于节理发育地段，具 备两组及以上的节理， 且以密闭型节理和微张型节 理为主，节理间距的变化范围为 320 cm；变形段的 岩层产状走向多与隧道走向夹角较小。3.2.2 地下水的影响由于地下水在碳质板岩地层中的出露会加速岩 体的崩解，迅速降低其承载力，因此地下水发育的软 岩地段变形速率和变形量都较大， 地下水对变形影 响显著。3.2.3 支护参数的影响现场实践证明，在符合大变形岩性特征地段，采 用常规支护参数的结构大都发生了大变形现象，经 现场试验采用加大刚架型号、 增设锚杆等加强措施 后，变形控制情况有较大改善，部分地段由于变形持 续发展突破限值， 经采取套拱或拆换拱架等措施后 大多趋于稳定。3.2.4 施工工艺的影响施工过程中， 初期支护施工工艺也是变形控制 的影响因素之一。 拱架安设不平顺、连接不牢固、超 挖及锚杆长度不足、 喷混凝土厚度不够等都会对变 形发展起到推波助澜的作用。综上所述， 碳质板岩地层中大变形产生的原因 由多种因素组成，软岩、有水是挤压性变形的内因， 施工扰动是挤压性变形的外因，支护强度不足、施工 工艺控制不力是产生挤压大变形的直接原因。3变形演化机理及原因分析变形演化机理碳质板岩隧 道的变形破 坏首先取决 于围岩性 质，包括围岩的岩性、结构条件，其次受到围岩的环 境条件，即地应力的大小、地下水的发育分布状况的 影响，同时也与围岩的支护条件密切相关。通过对己 发生软岩隧道大变形典型实例的研究分析， 碳质板 岩地层围岩大变形演化机理总体上可以归结为下述 几方面。3.1.1 板岩的塑流 隧道开挖导致围岩应力的调整，应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移，并使围岩 岩体进一步碎裂化；在改变岩体应力状态和强度的同时， 围岩中地下水沿张开裂隙渗流并起到软化作用，导致塑性流动，使围岩产生较大的收敛位移。3.1.2 板梁的弯曲变形对于层状（特别是薄层状）的碳质板岩，其变形 破坏可以用弯曲来加以解释。 尤其在高地应力区的 卸荷条件下，岩体更易发生弯曲变形以致破坏。由于 围岩的径向应力降低而切向力增大， 层状岩体以板 的方式在横弯或纵弯作用下发生挠曲变形。 由于洞 室开挖和应力重新分布，层状岩体发生弯曲，引起围 岩侧向变形；而在底板和拱顶，则可在水平应力作用 下发生垂直方向的弯曲，引起拱顶下沉和底鼓。3.1变形控制措施在双线大断 面隧道碳质 板岩地段发 生的大变 形，对生产安全及施工进度造成了较大影响，必须采 取强有力的措施，防控大变形发生，以达到避免拆换 拱架和杜绝隧道坍塌的目的。4.1优化支护参数（表 1）针对碳质板岩及板岩等软弱地层， 支护参数优 化的原则是：（1） 加强碳质板岩及板岩段的初期支护刚度，主要采用全断面布设 i20b 或 h175 型钢钢架，间距0.50.8 m/榀。（2） 根据量测数据，开挖后若短期收敛变形速 率较快，则增设临时仰拱及时封闭成环，并增设边墙43.1.3塑性楔体节理化岩体塑性变形导致既有结构面形成的滑移面， 在隧道围岩空间内组成了塑性楔体并向洞内 剪切滑移。随着主应力方向以及侧压力系数的不同，塑性楔体可出现在隧道周围不同的部位，这些部位围岩及支护结构的破坏。3.2变形原因分析从而引起70第 48 卷第 2 期(总第 337 期) 2011 年 4 月出版vol . 48 ， no . 2 ， total . no . 337 apr . 2011现 代 隧 道 技 术modern tun nelling technology碳质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术表 1 双线大断面隧道软岩段优化后支护参数table 1 support parameters for soft ground sections of the double-track large profile tunnel after optimization部位自进式锚杆。（3） 加强钢架的纵向连接，采用 22 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 42 锁脚锚 管（长为 46 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做二次支护。（6） 根据围岩量测数据分析，适当加大预留变 形量至 3540 cm。4.2加强锚杆对结构变形的控制锚杆对围岩的加固作用机理较为复杂，一方面锚 杆与岩体粘结在一起，提高了岩体的整体刚度，增强 了岩体的抗变形能力； 另一方面由于锚杆的抗拉作 用，当锚杆穿越破碎岩层深入稳定岩层时，对不稳定 岩层起着悬吊作用；另外，对于板岩及碳质板岩这类 层状岩体，由于锚杆的作用，对岩层产生离层有着一 定的阻碍作用，并增大了岩层的摩擦力，与锚杆本身 的抗剪作用结合，阻止岩层间产生相对滑动，从而将 各个岩层夹紧形成组合梁，提高了岩层的承载能力。针对大变形产生时初期支护拱架破坏点多产生 在各节拱架联结处的特点， 施工中应严格控制锁脚 锚杆距离拱架联结板的距离，不得大于 30 cm；除按 原设计要求在拱架联结板附近设锁脚锚杆之外，在应力集中效应，同时也起到系统锚杆的作用。锚杆长度及锚固剂用量必须严格按要求确定， 加强其施工 工艺控制。4.3注浆纳入工序化管理隧道围岩压力注浆可以起到加固围岩、 增强稳 定能力的作用，同时也可填塞裂隙、阻断地下水渗流 的通道，起到堵水的作用。 反复实践表明，径向注浆 对控制碳质板岩隧道变形作用明显。 施工中应将注 浆工序化，开挖后及时对周边围岩径向预注浆，同时 要合理把握二次注浆时机， 在不影响施工进度的情 况下，将变形控制在合理范围内。注浆小导管应在开挖支护工序完成后即进行施 作，与开挖、支护作业同步推进。 注浆作业选择在开 挖施钻过程中, 施钻时对上一循环打设的小导管注 浆, 且在中台阶开挖前完成上台阶注浆； 中台阶开 挖两榀距离后即进行中台阶边墙注浆。 注浆小导管 采用 42 钢管加工，前端为花管（花管溢浆孔孔径 为 6 8 mm， 孔 间 距 1020 cm， 梅 花 形 布 置)， 后 端0.5 m 为实管； 小导管前端做成尖锥形, 尾部焊接8 mm 钢筋加劲箍3。 注浆范围以两侧边墙及拱顶 为主，拱顶处注浆管长度以 1.52 m 为宜，边墙处为3.54 m，浆液以水泥浆为主。为了有效遏制大变形持续发展、 合理把握二次 注浆作业时机、提高变形控制效果，需要确定合理的 变形控制标准， 通过变形控制标准适时实施相应措 施，提高变形控制的主动性。结合前期变形规律分析 及工程实践， 确定在碳质板岩地层大断面隧道中变 形控制标准为：拱顶沉降 8 cm，边墙收敛 15 cm，即每 榀 拱 架 联 结 板 之 间 增 设 锚 杆（ 环 向 间 距 1 1.5m）， 通过锚固点的分散使支护结构的受力更趋均匀，增强结构的联合支护作用，减少拱架联结板处的第 48 卷第 2 期(总第 337 期) 2011 年 4 月出版71vol . 48 ， no . 2 ， total . no . 337 apr . 2011围岩级别预留变 形量/cm初期支护混凝土锚杆8 钢筋网钢架施作部位厚度/cm设置部位长度/m间距环纵/m设置部位网格间距/cm设置部位钢架类型纵向间距/m锁脚级(软岩一般)25拱墙仰拱2525拱墙61.00.8拱墙2020全断面i180.842 锚 管，长 4 m级(软岩加强)3540拱墙仰拱3030拱墙61.00.8拱墙2020全断面h1750.60.842 锚管，长 4.5 m级(软岩一般)35拱墙仰拱3030拱墙61.00.8双层拱墙2020全断面i20b0.542 锚管，长 6 m级(软岩加强)40拱墙仰拱3030拱墙681.00.8双层拱墙2020全断面h1750.642 锚管，长 6 m现 代 隧 道 技 术modern tu nnelling technology碳质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术在累计变形数据达到此标准时， 进行边墙及拱顶的二次注浆加固作业，并严格控制注浆压力，确保注浆 期间结构的安全稳定。4.4加强监控量测作业对拱顶沉降和边墙收敛数据进行对比分析， 并合理调整预留变形量，在确保变形不侵限的前提下，控制 二次衬砌厚度，降低施工成本。结语5在碳质板岩大断面隧道施工过程中，由于变形兰渝铁路同寨隧道、 马家山隧道等均为长大隧道，安全、快速进行碳质板岩段施工是保证工期的关 键所在。施工过程中应正确认识碳质板岩的特性、变 形演化机理及大变形发生的原因， 积极采取工程实 践中总结出的控制变形措施， 并加强现场施工技术 管理和施工工艺控制， 确保碳质板岩地层大断面隧 道施工中变形的有效控制。持续发生， 监控量测作业更显得尤为重要。 施作人员在规范监测作业的同时， 必须根据变形发展情况 及施工实践调整测点间距、 观测频率及数据分析等 工作，并建立大变形隧道变形报告制度，现场主要管 理人员必须及时掌握大变形数据及发展态势。同时，根据监控量测数据分析结果，适时调整预 留变形量，隧道大变形段应放大预留变形量。 每 10 m参考文献references1 黄林伟 软岩隧道大变形力学行为及控制技术的研究d重庆：重庆大学，2008huang linwei. study on mechanical behaviors and controlling technology of large deformation in soft rock tunnel d. chongqing: chongqing university, 20082 何满潮,景海河,孙晓明 软岩工程地质力学研究进展j工程地质学报，2000， 8 (1)：4662he manchao, jing haihe, sun xiaoming. research progress of soft rock engineering geomechanics in china coal mine j. journal of engineering geology, 2000, 8(1): 46623 魏 立 大断面隧道软弱围岩单侧变形控制施工技术j山西建筑，2010，36（35）：333335wei li. unilateral deformation controlling construction technology for soft -weak surrounding rock of large cross -sectiontunnel in soft rockj. shanxi architecture, 2010, 36(35): 3333354 陈庆广 坞石隧道扩大断面软岩段变形控制技术j铁道建筑技术，2007，(增)：105107chen qingguang. deformation control technology of enlarged setion of wushi tunnel j. railway construction 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