关角隧道大变形处理技术

张旭珍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

在隧道工程施工中，由于开挖活动造成应力重新调整分布，围岩压应力使支护体系发生变形，一旦支护抗力难以满足围岩压力时，将会出现初期支护变形后侵入设计的二次衬砌净空限界，简称"变形侵限"。隧道变形侵限不仅严重影响施工工期，提高工程费用，增加安全隐患，同时，若处理措施不当则会遗留重大的质量后患。日本的惠那山、意大利的陶恩、中国的家竹箐、二郎山、乌鞘岭等隧道都出现过不同程度的变形侵限问题。因此，如何控制及处理变形侵限是隧道工程施工中应当十分重视的问题［1］。

1 工程概况

新建关角隧道位于既有铁路天棚至察汗诺车站之间，全长32.645 km(隧道进口高程为3380.75，出口高程为3324.05)，设计为两座平行的单线隧道，设计时速160 km/h，线间距40 m，均位于直线段上。

关角隧道地层岩性极其复杂，沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类均有出露，隧道通过区内断裂构造极为发育，通过大小不等断层共17条，其中二郎洞断层束长达2355 m，对工程建设极其不利。根据对地质钻孔地应力的实测结果分析，位于f17断层附近(F3断裂带内)的DSZ-8孔的最大水平主应力的最大值为22.04 MPa，明显高于其它孔，存在发生较大变形的可能［2］。

9号斜井井身X0+40～X0+25段位于石炭系板岩中，由于该段地层为层状构造，岩体松散破碎，岩质较软，岩块间结合力较差，导致右侧(面向掌子面)边墙出现不同程度的变形，钢架扭曲，混凝土剥落。

10号斜井正洞由于Ⅰ线隧道DK308+000～+115段、Ⅱ线隧道DyK307+820～+940段洞身通过一条小角度的挤压性断层，初期支护在不均匀水平应力作用下发生了大变形。Ⅰ线隧道DK308+115～+060段左侧(面向大里程)最大水平收敛变形达460 mm，Ⅱ线隧道DyK307+940～+893段左侧(面向大里程)最大水平收敛变形达410 mm。过大的变形导致喷射混凝土剥落掉块，拱架严重变形，并发生扭曲。

9号斜井进入正洞后，由于该段位于二郎洞断裂带内，断裂构造发育，局部应力集中，最终破碎围岩在地质构造应力作用下，导致变更范围内长大段落发生不同程度的变形，最为严重的为DyK304+430～+500段，最大变形达到了505 mm。

2 变形原因分析

(1)地质方面的原因。变形段在大地构造上位于新构造活动强烈的青藏高原东北缘，属于祁连加里东褶皱系南祁连褶皱带。在新构造分区上，属于青藏断块北部宗务隆山—祁连山强烈隆起区，岩浆活动、火山活动强烈，地质构造十分复杂，区内断裂构造极为发育。本次变更范围均位于区域性深大断裂带——二郎洞断裂带内，该断裂带是由6条断层组成宽约2355 m的断层束，带内地层岩性复杂多变，构造发育，岩体受构造影响严重，岩体破碎，岩质软弱。其主断裂带——二郎洞断裂(F3)破碎带宽100～500 m;且隧道区地应力较高，最大水平主应力的最大值为22.04 MPa，断层带附近存在应力集中现象，软弱围岩和较高的地应力导致隧道开挖后产生了较大的变形。

(2)施工方面的原因。隧道围岩变形量的大小除受地质条件客观因素影响外，与施工方法及手段有很大的关系。如果施工期间一味的追求施工进度，喷锚支护施做不到位、仰拱和二次衬砌距离掌子面距离过长、开挖后无法及时封闭成环、变形监控量测不规范或不及时、钢架底部悬空或长期积水浸泡等因素都对大变形的发生有直接的影响。

(3)设计方面的原因。设计方面的原因主要表现在对地质认识不够，支护措施不到位。如果设计的锚杆不够长，就无法穿过松动圈，对围岩加固起不到很好的作用。钢架强度不够，或者钢架间距过大，就无法抵抗巨大的围岩压力。预留变形量过小，很容易导致初期支护侵入二次衬砌空间。

3 处理方案

变形发生后，针对变形的严重程度，对已变形段分别采用了横撑加固、径向注浆、初期支护拆换，对未开挖段分别采用了加强措施后的单层支护、双层支护、调整初期支护轮廓后的单层支护等方案。

3.1 变形发生后的处理方法

(1)径向注浆。引起变形的原因是多方面的，主要的一个原因就是围岩破碎。围岩破碎导致松动圈范围扩大，无形中加大了初期支护的侧压力，过大的侧压力会使初期支护遭到破坏。当围岩变形超过设定警戒值而小于极限值获预留变形值，可采取径向注浆的方法，通过向初期支护背后的破碎围岩内压注水泥浆来固结围岩，使破碎围岩形成一个整体，减小对初期支护的侧压力。注浆可采用Φ42小导管，小导管端部焊成锥形，管体两侧每隔15 cm设置一孔径为6～8 mm的注浆孔。加固厚度可根据围岩破碎情况确定。关角隧道径向注浆加固厚度一般为4 m，浆液扩散半径1.5 m，注浆孔梅花型布置，注浆终孔间距为1.0 m×1.0 m(环向×纵向)。注浆材料采用普通水泥单液浆，浆液配比为水灰比0.6∶1～1∶1，注浆压力1.5～2 MPa，浆液中掺假速凝剂，以控制凝胶时间。

(2)横撑加固。在变形超过设定警戒值并采用径向注浆补强加固后，围岩仍然未稳定，变形量已经到了设计预留变形量的极限，但变形未造成初期支护开裂及未侵入二次衬砌空间，此时可采用横撑加固的方法来控制变形的继续发展，为二次衬砌赢得一定的时间。横撑采用Φ159热轧无缝钢管，钢管两端撑在工字钢起拱部位的连接钢板部位，必要时可在起拱部位延着隧道纵向设置工字钢，横撑直接顶在工字钢上，横撑的设置间距根据初期支护钢架的间距进行调整。横撑安装后应加强观测，如横撑受力后有明显的弯曲现象，可及时的采用竖撑来加固，防止横撑受力过大，遭到突然破坏。

(3)拆换处理。在采用径向注浆补强加固和横撑加固后，变形仍然继续发展，未施作二次模筑混凝土衬砌前，变形已侵入衬砌空间。为保证施工安全，每拆一榀支护一榀，及时锚网喷支护。由于该段已经出现了初期支护变形，因此，补做的初期支护参数较原支护参数强点为好，防止大变形的再次发生。关角隧道9号斜井Ⅰ线DK304+425～DK304+390段拆换处理时将喷混凝土由原设计的23 cm调整为30 cm，预留变形量由原设计的9 cm调整为20 cm，同时将工字钢由原设计的3榀/2 mI16调整为2榀/m I20a。按照调整后的支护参数重新支护后，变形基本趋于稳定，处理段未再出现过大的变形。

3.2 防止发生大变形的处理方法

大变形的发生是由于对地质的认识不够、支护措施过弱造成的。变形发生后，要从各个方面进行分析，找出变形的原因，防止在未开挖段的施工中再次发生变形。

(1)加强初期支护参数。部分变形的发生是由于支护参数过弱造成的，由于地下工程的未知因素太多，支护参数一般都按照工程类比法拟定，这样往往会造成支护参数过弱的现象发生。通过对已变形段的原因分析，如果确实是由于支护参数过弱造成的，就应该立刻加强支护参数。加强支护参数的措施一般为，加厚喷混凝土、采用双层钢筋网、加密钢架间距或者加大钢架型号、加长锚杆或者采用中空注浆锚杆、加大预留变形量等措施。关角隧道9号斜井Ⅰ线DK304+425～DK304+390段拆换后，为防止未开挖段再次发生大变形，将支护参数进行了加强，加强后的支护参数如下:全断面喷混凝土厚30 cm，拱墙设Φ8双层钢筋网(网格间距20 cm×20 cm);预留变形量20 cm;拱部120°范围设Φ25中空锚杆，边墙设Φ22砂浆锚杆，锚杆长5 m，间距1.5 m×0.5 m(环向×纵向);全断面设置2榀/m的I20a型钢钢架。按照此支护参数施工的地段，未再出现过大的变形，施工正常。

(2)采用双层支护。双层支护也是控制变形常用的方法之一。双层支护的原理为先施做第一层初期支护，允许初期支护发生一定数量的收敛，根据监控量测数据，待第一层初期支护变形到规定的要求时，立刻施做第二道初期支护来抑制变形的发展速度。双层支护对变形的控制很有效，但由于变形的不均匀性，往往增加了第二道初期支护钢架的安装难度。9号斜井刚进入正洞时，考虑到斜井与正洞交叉口受力比较复杂，同时考虑到模板台车一时不能安装就位，故将交叉口采用双层支护，对控制变形取得了成功。但在后续施工中，由于第二道初期支护未及时施做，导致DyK304+487～DyK304+474.2段出现了大变形，最大变形量达到了505 mm，初期支护完全破坏。双层支护虽然对控制变形效果明显，但在施做第二道初期支护时对掌子面的施工干扰比较大，对施工进度影响比较大，所以在后续的控制变形中未再采用。

(3)调整初期支护曲率。在构造地应力作用下，开挖断面越接近圆形，抑制变形的效果就越好。因此，控制变形的最有效的方法就是调整开挖断面的曲率，使其尽量接近圆形。9号斜井Ⅱ线西宁方向DyK304+556～DyK304+440段为了控制变形，采用了双层支护，DyK304+556～DyK304+500段由于第二道初期支护施做及时，最大变形量为100 mm，初期支护未遭到破坏。DyK304+500～DyK304+440段由于一味的抢进度，第二道支护未及时施做，变形加剧，导致DyK304+487～DyK304+474段初期支护破坏，不得不进行拆换。虽然双层支护对控制变形的效果十分明显，但由于施做第二道初期支护时对掌子面的正常掘进影响很大，在施工单位追求进度的情况下，第二道初期支护往往不能及时施做，导致大变形的发生。因此，为了加快施工进度，同时为了防止大变形的发生，在DyK304+440～DyK304+420(断面一，如图1)及DyK304+420～DyK304+350(断面二，如图2)段分别采用两种不同的调整曲率断面进行试验，试验断面支护参数见表1。试验证明，断面二的抗变形效果明显优于断面一，如图3所示。

图1 调整曲率断面一(单位:cm)

图2 调整曲率断面二(单位:cm)

表1 两种断面支护参数对比

4 结论

(1)设计初期就应该根据地质资料对极有可能出现大变形的地段进行预案设计，减小大变形突然发生后的盲目性，提高变形处理的及时性。

(2)通过加强喷混凝土、加长锚杆、加大钢架型号或缩小钢架间距、加大预留变形量、调整初期支护轮廓等手段来预防变形的发生。

(3)在隧道开挖前要对围岩大变形进行判断和预测预报，及时调整施工工法，通过设置临时仰拱或横撑，及时将初期支护封闭成环，减少初期支护的变形值。

(4)对于裂隙发育，或断层破碎带围岩，应选用径向小导管超前注浆，并打锚杆进行支护，加固围岩，防止隧道发生大变形。

(5)软弱围岩类等隧道开挖时，如果大变形一旦发生，松动圈会很快扩展，有时会产生坍塌等地质灾害，从而使得支护工作量或工程整治费用急剧增大。因此，在隧道开挖前要对围岩大变形进行判断和预测预报，在大变形发生之前采取相应的支护措施，保证施工的安全和减低造价。

图3 两种断面时间-位移曲线

［1］曾蔚，张民庆.宜万铁路隧道变形侵限原因分析与治理［J］.铁道工程学报，2008(3):42-49.

［2］中铁第一勘察设计院集团有限公司.改建铁路青藏线西宁至格尔木段增建第二线关角隧道预设计［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2008.

［3］铁道第二勘察设计院.TB10003—2005/J449—2005铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］铁道专业设计院.TB10108—2002/J159—2002铁路隧道喷锚构筑法技术规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.