哈达铺隧道变形的成因分析及对策研究

李满宏

(中铁七局集团有限公司，河南郑州 450016)

兰渝铁路兰广段隧道受地质构造影响，几乎每个隧道施工都不同程度受困于围岩变形困扰，严重影响施工中的安全和进度，加大了施工成本。各个隧道又由于开挖断面、施工工艺和水平的不同，变形成因和处理办法各有不同。本文通过实践对控制哈达铺隧道变形的难题得出一些结论，可为后续施工提供参考，并有待继续研究和完善。

1 工程概况

1.1 工程总体概述

兰渝铁路哈达铺隧道为穿越长江、黄河的分水岭——麻子川的越岭隧道，全长16.59 km，设计为两座单线隧道，线间距40 m。为满足全线工期要求，施工组织设计采用进、出口和5个斜井共7个主要工作面。控制段落为进口—阿坞1号斜井，区段长6 600 m。

1.2 地质岩性及构造

隧道洞身经过地层主要有2种：

第一种为第四系全新统冲洪积淤泥、淤泥质粉质黏土，粉质黏土，砂质黄土，中砂，洪积细(粗)角砾土，这种地层变形比较小。

第二种为下第三系砂岩、砾岩、泥岩及三叠系中统砂岩，板岩局部夹灰岩，板岩夹砂岩，主要分布在隧道里程DK220+496～DK226+000段。板岩主要以直立为主，基本平行于隧道走向，隧道变形主要发生在这种地层，尤其变形严重的为直立、薄层状的板岩局部夹灰岩、板岩夹砂岩(T2ss+s1)。该段地层正好位于青藏“歹”字形构造体系之疏勒南山—日月山—尖扎山断褶皱(合作—岷县断裂带F3至舟曲—金厂—石峡断裂带F4)，形成大花沟背斜，核部里程为DK221+400。受2008年5.12汶川8.0级强烈地震影响，隧道围岩与本条线勘测设计时相比，岩层更破碎，节理更发育，这从兰渝铁路兰广段(夏官营—广元)隧道施工揭示也得到证明。

1.3 水文地质条件

隧道通过区地下水以潜水为主，分为岭南、岭北两个大的水流系统，正好处于隧道里程DK220+485～DK226+000处，局部具有弱承压性。但由于围岩褶皱、断层等影响，节理发育，使含水介质各向异性，使地下水的补给、径流、排泄条件十分复杂，地下水无侵蚀性。隧道断面形式(图1)为鸭蛋形，高宽比为1∶0.82。

图1 隧道断面(单位：cm)

2 变形情况

围岩初期变形速率快、持续时间长、累计变形大，造成喷射混凝土剥落掉块、开裂。初期支护未能达到有效约束，导致边墙收敛大，累计收敛变形达到520 mm，使某些区段隧道净空侵限时有发生。变形范围内支护出现环、纵向裂纹，甚至出现钢架扭曲失稳，造成塌方，施工进度严重受阻。从开工以来，一般水平收敛在200 mm以上，日最大变形速率104 mm/d，开挖后15 d左右收敛变形速率变大的情况较多。

3 变形原因分析及对策

3.1 原勘测对围岩的判定不准确导致的变形和塌方

由于勘测技术手段和技术的限制，加上地质体的复杂多变，期望在施工前完全查明工程岩体的状态、特性是十分困难的。全隧道原设计Ⅲ级围岩有3 500 m，并且全部分布在进口—阿坞1号斜井(DK220+485—DK226+000)之间。但从施工解释的情况看：目前根本没有出现Ⅲ级围岩，造成前期施工盲目乐观，变形和塌方频出。

对策：通过设计及时对围岩级别进行调整。目前在已施工过的区段，基本上都调整成Ⅳ、Ⅴ围岩。

3.2 原设计支护参数的支护强度不足导致变形和塌方

原设计Ⅳ级一般没有拱架，Ⅳ级加强(Ⅳ为φ22 mm格栅，但施工后，格栅扭曲变形严重)，即使后来加强，采用Ⅰ16、Ⅰ18型钢钢架，仍然出现大量变形，侵入二次衬砌限界。

对策：经过与设计单位反复协商，并通过现场施工试验段量测数据分析，最后确定主要采用Ⅵb支护参数，只是根据围岩情况，将拱架间距调整为60～80 cm，有效避免了侵限换拱。

3.3 工程地质特点和隧道断面特有形式共同作用造成收敛变形大

该隧道板岩倾角大部分基本垂直水平面或略带倾斜，走向与线路夹角为9°～11°，经常出现薄层状，节理发育，层间有软弱夹层。根据岩体力学分析，开挖后水平收敛大，拱顶沉降小，如果岩层产状正好向隧道内侧倾斜，更容易造成单侧收敛值偏大，造成侵限，严重的造成单侧滑塌。哈达铺进口初期的3次塌方基本上都是单侧边墙，洞顶则没有出现。而兰渝线为客货共线铁路，隧道要求双层集装箱通过，设计标准断面为鸭蛋形6心圆，边墙曲率较小，承受水平应力差，隧道进口左线4处风机加宽段，每段80 m，断面比普通断面大很多(Ⅳ级围岩开挖断面79.5 m2，风机段109.5 m2)。风机段曲率大，近似圆形，在相同支护参数下，由于要采用特殊的台车衬砌，有些从开挖支护完成到衬砌完成历时1年半，却仍然保持稳定。而标准断面却在20 d内变形，侵限、失稳。

对策：①增大变形预留量，将原设计预留量从10～15 cm，先调整到30 cm，但部分边墙仍有少量侵限；②改变隧道断面形式，根据量测数据，拱顶沉降小，边墙收敛大的特点，拱顶预留变形量调整为15 cm，变更边墙曲率，这样边墙实际预留量达到60 cm；③根据实际揭示的围岩节理走向，增加增长单侧边墙锚杆和注浆小导管、锁脚锚管；④将原来设计的素混凝土变更为钢筋混凝土；⑤再根据量测数据优化曲率，使边墙实际预留量调整到35 cm，减少混凝土回填量。

3.4 工程地质特点和施工中不可避免的震动造成收敛变形

隧道板岩倾角大部分基本垂直水平面或略带倾斜走向与线路夹角为9°～11°，薄层状，节理发育，层间有软弱夹层。这种围岩爆破开挖后，拱顶围岩层间没有形成临空面，但边墙围岩形成临空面，层与层之间裂缝扩大，最内侧初期支护剥落，造成超挖。初期支护后，松动圈内的外侧围岩层间在裂隙水的作用下不断软化，逐渐失去自稳能力，锚杆、锚管的抗拉能力也减弱，几乎全部荷载都集中到拱架和喷射混凝土上。从边墙塌方的情况揭示：根据围岩的不同，松动圈宽度为50～150 cm，再往外侧，因为没有受到爆破的影响，层间填充致密，围岩完好，不连续塌方，只要重新尽快喷混凝土封闭，然后重新立拱架支护，不会出现大的变形。

对策：①控制每循环进尺，减少对围岩的扰动范围，拱架间距60～80 cm，不得大于2榀进尺。②严格控制装药量，多打眼，少装药，边墙范围内的抵抗线大于拱顶的爆破抵抗线，边墙周边眼间距小于拱顶周边眼间距(拱顶周边眼抵抗线45 cm，周边眼间距45 cm，边墙为60 cm和35 cm)，这样会造成边墙少量欠挖；爆破后，围岩层间已松动，通过机械修整满足轮廓要求。③及时封闭，快支护，缩短水侵入和风化时间，防止剥落超挖进一步加重。④加长边墙的锚杆和锚管长度，原设计的锚杆、锚管长度为3.0 m，变更为4.5 m，后又经过工程试验，取消φ25 mm中空锚杆，采用φ42 mm锚管，以利注浆加固。

3.5 施工中注浆不到位不及时造成变形

通过以上设计和施工变更及优化，基本消除了换拱拆换，但仍有个别点和区段变形较大，初期支护开裂。经过认真分析认为：主要是中空锚杆注浆只能加固杆体周围围岩的强度，对改善围岩整体承载力作用不大，锚管的注浆不到位、不饱满，或者根本没注浆，待量测发现已出现大的变形，才开始补注浆，这时初期支护围岩已在裂隙水的作用下，成为粉末状或泥状，失去本身的强度和自稳力，无形中增大了初期支护的压力。

对策：①取消φ25 mm中空锚杆，采用φ42 mm锚管，锚管上设置间距20 cm出浆孔，孔径6～8 mm，梅花形布置。②每2个循环进尺3.2～3.6 m，无论变形与否，必须停止开挖，集中注浆，充填围岩震动裂隙，提高围岩自稳能力。③注浆时由技术人员旁站记录，并编号注浆顺序，防止出现漏注；做好注浆记录(包括浆液配比，注浆顺序，每孔注浆量，总注浆量等)，为后续相似围岩提供数据参考，不断优化，提高工效。

3.6 变形持续时间长有突变现象

通过对监控量测的分析，即使采取以上施工措施，哈达铺隧道直立板岩变形很长时间也不收敛。并且表现在刚开挖支护完成3～5 d内变形较大，然后度过一段时间稳定期，20 d左右，收敛变形会增大，边墙初期支护局部出现小裂纹，拱顶表面喷射混凝土有小的剥落和掉块。

对策：①对局部进行复喷或二次注浆；②及时施工二次衬砌，根据目前的施工进度，衬砌距工作面的距离控制在70 m之内，基本保证了在20 d之内完成二次衬砌。

4 结论

通过设计、施工的不断优化，积极采取工程实践中总结出的控制措施，并加强现场施工技术管理和工序工艺的控制，经过近3年的探索和经验总结，哈达铺隧道变形基本在可控范围内，施工也基本正常，最主要的是消除了拆换拱这种极高安全风险的作业。目前哈达铺隧道关键线路进口—阿坞区段开挖还剩余2 800 m，前方施工地质情况千差万别，工期压力很大，仍需在以下几个方面进行技术攻关：

①采取以上施工控制，每月单口掘进50～60 m，还要研究在保证每道工序工艺质量的情况下，提高工效，缩短工序时间，加快施工进度。

②铁建设[2010]120号文要求仰拱每循环开挖进尺不得大于3 m，即使目前月掘进60 m，仰拱施工进度也制约前方掘进，是否可以采取其他加固措施加大循环进尺，也要通过施工总结后报有关部门修正。

参考文献

[1] 关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011

[2] 朱建明，徐金海，张宏涛.围岩大变形机理及控制技术研究[M].北京：科学出版社，2010

[3] 赵少强，林安宁，闫小军.哈达铺隧道直立板岩大变形分析及控制施工技术[J].现代隧道技术，2011(2)：73-77

[4] 夏润禾.软弱围岩大断面铁路隧道大拱脚台阶法施工技术研究[J].铁道标准设计，2010(4)：78-81

[5] 宋学伦.兰渝铁路首阳山隧道浅埋富水Ⅵ级围岩段施工技术[J].铁道标准设计，2010(S1)：120-123

[6] 汶文钊.宜万铁路云雾山隧道溶洞施工技术[J].铁道标准设计，2010(5)：87-90