甘塔斯隧道膨胀岩刚性支护设计与施工

唐晓冬

(中国土木工程集团有限公司，北京 100038)



甘塔斯隧道膨胀岩刚性支护设计与施工

唐晓冬

(中国土木工程集团有限公司，北京 100038)

摘要：详细讨论了阿尔及利亚甘塔斯隧道膨胀岩支护设计与施工所遇到的主要问题，指出初支设计应基于对实际地质情况的真正认识。施工过程发现，及早封闭仰拱、隔离围岩与空气的接触是减少膨胀性的有效措施；多层刚性支护是限制围岩膨胀性、简化施工、提高进度的较好支护形式。

关键词：隧道；膨胀岩；刚性支护；新奥法

1 工程概况

1.1 甘塔斯隧道概况

阿尔及利亚东西铁路干线西段55 km线路改造及复线工程，总长56.7 km，设计速度160 km/h。该项目穿越甘塔斯低山区，是阿尔及利亚北方干线铁路的重要组成部分，其中甘塔斯隧道是本项目的重点控制工程。

甘塔斯隧道为双洞单线隧道(7 346 m+7 335 m)，最大埋深390 m，进口位于直线上，端线间距为35 m；出口位于曲线上，端线间距过渡为24 m(见图1)。隧道最小曲线半径为Rmin=988 m，最大曲线半径为Rmax=3 017.5 m。纵断面设计为人字坡，进口坡度3‰，出口坡度6‰。两洞间设14个横洞，间距500 m。隧道设置斜井一座，长度530 m，与正洞交汇处距进口2 km。

图1 甘塔斯隧道出口左、右洞位置图

1.2 隧道地质特征及横断面设计

根据地质勘探报告[1]，甘塔斯隧道进出口主要地层为第三系泥灰岩，具膨胀性，岩质极软，属V级围岩；洞身主要是第三系泥灰岩夹砂岩、泥灰岩、砂岩夹泥灰岩及白垩系页岩为主。具膨胀性的泥灰岩呈青灰色、深灰色，泥质结构，单轴抗压强度0.75～7.57 kPa，设计提示支护设计应有适当的预留变形量[2]。在出口端大约V1K108+300～108+600之间存在断层。

1.3 不良地质段施工概况

隧道从2011年开始施工，分别从进口、斜井、出口三处掘进，斜井和进口间(V1K102+086～V1K104+114,约2 028 m)为砂质泥灰岩及带有砂岩的粘土泥灰岩地质段，采用新奥法施工，于2013年10月贯通；之后，掘进在斜井和出口处双洞、双向四个工作面同时进行。

从2013年7月起，甘塔斯隧道出口遭遇不良围岩地质段(埋深80～150 m)，采用新奥法施工的初期支护变形严重。虽然在当时已有设计支护类型范围内，通过不断改善施工工艺、加强支护形式，仍然没有明显改善的迹象,并导致进行多次初支换拱施工(V1K108+702～V1K108+584,换拱是国内在膨胀土地层隧道施工的习惯叫法，指机械拆除侵限或者变形失稳的支护，按照新支护类型重新施作初支)，部分地段进行了两次换拱仍不能稳定围岩。换拱不仅导致极大浪费，也拖延了工程进度。

为恢复进度，2014年4月在出口端左洞，通过缩小断面(小导洞，从V1K108+583起小里程方向)，尝试使用原设计的强支护强行通过问题地段，以便待围岩情况好转后，一面向进口方向掘进，一面处理这一段。但在此段施工小导洞开挖支护长度252 m后，遇到掌子面出现较大的股状水流，浸泡了已经完成的后方初期支护段，导致后部仰拱突然向上隆起，仰拱钢拱架断裂，膨胀土填满几乎半个导洞(见图2、图3)，不得不终止掘进。

图2小导洞掌子面出水图3小导洞仰拱隆起(面向掌子面)

2015年4月，斜井左洞围岩出现变化，在V1K106+546～V1K106+591地段，使用格栅拱架的初期支护在仰拱闭合成环以后，出现拱顶开裂、拱架变形、边墙开裂等现象，后使用格栅拱架喷砼做内衬进行加固；在其它地段使用HEB180@100 cm，HEB220@80 cm的地段，在仰拱封闭之后，仍然出现同样的问题。此段初期支护仍然采用新奥法设计。

2 隧道支护设计及效果

甘塔斯隧道围岩分类采用RMR，支护设计采用新奥法，初期支护主要采用喷砼支护，二衬厚度40 cm，施工过程中实施动态监控量测。

喷砼支护根据地质情况，采用格栅拱架，间距1.2 m；型钢拱架HEB180，间距0.8～1.2 m；最重支护采用HEB220，间距0.6～0.8 m。喷砼厚度25～40 cm，强度RN25(法国标准，相当于国内等级强度为C30混凝土)。实际支护形式按照量测结果及支护效果进行动态调整。

在1#斜井与进口之间的砂质泥灰岩段，上述新奥法设计适用性较好，初支表现良好，没有观察到大的位移和应力变化情况；但在斜井与出口之间，随着向山体内部掘进所遇地质情况和地应力的变化，原先依据新奥法所设计的初支在不同的部位不断出现开裂，致使在同一里程上不断出现换拱仍然不能阻止破坏的产生；推迟仰拱开挖时机更加重了这些地段上初支的破坏程度。

在出口端，随着掘进向断层带推进，左右洞掌子面均出现岩体被挤进洞内，通常挤入达到1 m以上，开挖进度一度受阻。虽采用设计允许的各种加强支护措施，但都达不到应有的支护效果，喷砼开裂、钢拱架压屈等现象经常出现，侵限造成经常返工，经济和时间损失十分严重。

3 膨胀岩地段的初期支护失效特征及分析

3.1 地质条件的重新认识

甘塔斯隧道在设计初期即已认识到在泥灰岩地段存在膨胀性，在隧道进出口位置的浅部钻探中，已经发现有这种现象，但由于各种原因，并没有相应的针对膨胀性围岩的专门支护设计。

为了证实施工过程中所遇到的各种破坏现象与围岩的膨胀性有关，我方委托当地和国内有关单位进行了岩石膨胀性实验。结果发现，有侧限最大膨胀力介于31～718 kPa，并沿隧道全长呈不均匀分布。极劈理化和劈理化泥灰岩的有侧限膨胀力可达 718 kPa，胶结程度差，干燥饱和吸水率较大，抗剪强度低，单轴抗压强度低，总体上属中等～强烈膨胀性围岩。砂质泥灰岩的有侧限膨胀力可达 277 kPa，胶结程度较差，干燥饱和吸水率53.6%～67.7%，抗剪强度较低，单轴抗压强度低，总体上属中偏强的膨胀性。砂岩夹泥灰岩易沿着既有层理面发生剪切破坏，胶结程度更差，干燥饱和吸水率均较小(30.9%～44.3%)，膨胀力介于31～116 kPa之间，总体上属弱膨胀性(膨胀性分级指标见表1)。基本上可以确定，甘塔斯隧道所穿越的地层是膨胀性地层。只不过，上述斜井到进口之间属于较弱膨胀性的地层。

表1 膨胀性分级指标

掌子面挤入地层也证明了隧道所处地层的低强度、高塑性或者高膨胀性的特征。

3.2 结构失效特征

膨胀性围岩内支护结构的破坏有以下特征：无论是在使用格栅拱架地段还是使用HEB180型钢地段，在仰拱封闭10～15 d之后，初支便开始出现纵向裂缝，从外观来看，这些裂缝应属于压剪破坏(图4)。这样的纵缝，有些地方是单独出现，有些地方则合并其它破坏形式同时出现(图4～图7)，这与膨胀力的分布不均有关。

这些破坏形式与较大的垂直于隧道轴线方向的水平应力有关，但是，也有文献认为[3,4]，这其实是由隧道底部较大的膨胀力造成的。

在隧道内相当多的地段，边墙存在图5和图6的破坏形式。这些破坏一般都在仰拱封闭之后若干天之后才出现。

图4 拱顶破坏以压碎为主要特征的纵缝图5 边墙破坏为压剪破坏状况图6 凿开后边墙压剪破坏图7 仰拱隆起，拱架中心接头被剪断

初支仰拱部分的钢拱架也常被顶起，中心接头部分被剪断，喷砼层断裂被高高抬起(图7)；改变接头位置后情况有所改善，但加剧了边墙部位的破坏程度。

4 膨胀岩地段的支护设计

4.1 膨胀岩的特性及常用处理方法

对于膨胀岩地层，一般认为在没有地下水存在的情况下是不会出现膨胀性的。但在干旱的非洲，有文献指出[5]，某些隧道根本就不存在地下水，却仍然出现较大的膨胀性。甘塔斯隧道的情况就是这样的一个无明显可见地下水但仍然出现膨胀性的例子。当然，膨胀性岩体遇水是一定膨胀的，小导洞即是这样的情况。

对膨胀性围岩的支护设计，欧洲具有丰富的实例可供参考。处理的方法有[6]：①预应力长锚杆加固仰拱部位；②仰拱部位预留较大变形空间；③增加仰拱结构厚度；④新意法，采用刚性支护。

4.2 甘塔斯隧道膨胀岩地段支护设计[7]

由于甘塔斯隧道的情况与新意法所述原理比较接近，并且岩体出现的破坏形式也基本接近，因此，支护形式采用刚性支护，以较大的刚性抵抗地层的膨胀，以避免将来在运营期间出现二衬及仰拱破坏的情况。

支护设计考虑最大膨胀力518 kPa；按照518 kPa，318 kPa，0 kPa膨胀力分别验算，初支承担绝大部分压力，二衬承受小部分膨胀力。

图8～图11基本上确定了采用40 cm厚度、HEB220@60 cm的初支薄弱部位在仰拱中心以上大约1/5隧道高度。这个结果与现场观察到的破坏部位和性质基本一致(图4～图7)。

图8初支剪力分布图图9初支弯矩分布图图10初支截面压应力分布图图11初支截面拉应力分布图

考虑膨胀力沿隧道中线方向的不均匀性，初支考虑采用1层40 cm、HEB220支护，2层同样参数的初支支护，以及极端情况下采用相同参数的3层支护。

5 膨胀岩地段的支护效果检测

按照以上多层支护设计以及业主、监理和承包商现场共同对围岩地质情况的判断，2014年9月份先采用3层支护设计做了15 m试验段，经过实际量测，初支内应力及位移和地层压力都得到了很好的抑制，没有出现之前的边墙破坏及仰拱隆起现象；2015年2月份在左洞做了两层支护的试验段，结果也比较令人满意；接着，根据岩层变化情况，逐渐减轻支护，在某些地段上采用单层支护，从观测结果来看，支护效果非常理想(图12、图13)。

图123层支护施工效果图13两层支护的施工效果

目前整个隧道没有再出现初支破坏的情况，施工进度正常。

6 结论

(1)国际工程中要捋顺经验与理论的关系。国内有一套自成体系隧道施工经验，这对于我国隧道的快速施工非常有效，特别是近年来大型数值分析工具的引进，经验与理论的结合使得隧道的施工少了很多盲目性。但是，这些经验和工具在国际工程环境下往往很难发挥其应有作用，即使在具有国际影响的数值分析工具使用上，也会受到合同环境、监理因素的影响不被认可而不使用。因此，有志于国际化经营的设计企业，应当深入地了解理论分析在国际工程中的真实地位。

(2)准确确定地质条件是调整支护的前提，正确的支护形式决定于对地质情况的透彻了解。甘塔斯隧道地质围岩已经证实了具有膨胀性，但没有采用相应针对膨胀性地层的设计，是出现隧道反复换拱的真正原因。

(3)支护的破坏与隧道断面的大小关系不大。就膨胀性而言，在有水的情况下，缩小施工断面似乎并没有减弱地层的膨胀性，破坏的特征与大断面没有太大的区别。

(4)在同一个地点反复出现同一问题并且没有减弱的趋势，在没有试验资料的情况下，应当首先考虑膨胀力，而不是高地应力。

(5)膨胀性的出现不一定必须出现地下水。一般认为，没有地下水位的改变，膨胀性地层一般不会有显著的膨胀力[8]。然而，甘塔斯隧道的膨胀性恰恰是在没有肉眼可见的地下水的情况下出现的，说明没有水而出现膨胀性是可能的。在甘塔斯隧道多层支护施工中，采用及早封闭仰拱，将围岩与空气隔离的措施，被证明是减弱膨胀性的有效措施。

(6)刚性支护限制岩体膨胀性的持续发展。普通隧道施工一般采用柔性支护[9]，为此需要通过位移尽可能地释放地应力，在膨胀性地层中采用让压锚杆以及可伸缩拱架等；但甘塔斯的经验说明，在不阻断输水通道的情况下，这些柔性支护的最大能力往往不能抵偿膨胀性所引起的大位移，加上工期因素，其实际效果不如直接采用刚性支护。

参考文献

[1]任文华.甘塔斯隧道地质勘探[J].山西建筑，2011(18):166-167

[2]曹 峰，范春林.综合地质勘察方法在甘塔斯隧道的应用实例[J].铁道工程学报，2011(8):31-37

[3]张永平.安康膨胀土隧道的设计和施工[J].铁道工程学报,2013,30(10):77-80

[4]黄建华.膨胀岩的特性以及对隧道稳定性的影响[J].铁道工程学报,2004(1):56-57

[5]史彦文,丁小军,韩常领.极软岩隧道沉降变形的控制措施[J].中外公路,2009,29(4):397-400

[6]温利强.软弱围岩大跨隧道施工技术[J].山西建筑,2009,35(13):298-299

[7]莫勋涛.阿尔及利亚甘塔斯隧道FGP支护类型计算报告[R].石家庄：石家庄铁道大学,2014

[8]黄 强.中强膨胀性围岩隧道施工技术[J].公路隧道,2013，39(1):52-54

[9]中华人民共和国铁道部.TB10204—2002 铁路隧道施工规范[S].北京：中国铁道出版社，2002

On the Design and Construction of the Primary Rigid Supportsfor Ganntas Tunnel in Swelling Ground

Tang Xiaodong

(China Civil Engineering Group Co. Ltd.,Beijing 100038,China )

Abstract:Main difficulties and problems encountered in the design of the primary supports for and construction of the Ganntas Tunnel in the swelling rock stratum in Algeria are talked about in detail in the paper,with an important point of view dealt with that the primary supports should be based on the real understanding of the true geological conditions.In the course of construction,to find the swelling rock,to perform the early closure of the inverted arch and to prevent the surrounding rock from contacting the air are effective measures to keep the surrounding rock from swelling. And the multi-course rigid supports are good supporting forms to counter swelling,simplify construction and accelerate the progress.

Key words:tunnel;swelling rock;rigid support;NATM

收稿日期：2015-12-25

作者简介：唐晓冬(1971—)，男，高级工程师，主要从事海外工程项目管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.008

中图分类号：U455.49

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0031-04