兰渝铁路木寨岭隧道软岩大变形分析及针对措施的探讨

王全蒙

（兰渝铁路有限责任公司 甘肃省兰州市 730050）

兰渝铁路木寨岭隧道软岩大变形分析及针对措施的探讨

王全蒙

（兰渝铁路有限责任公司 甘肃省兰州市 730050）

兰渝铁路木寨岭隧道穿过了大段落的高地应力及软弱围岩大变形地段，施工技术条件极为复杂。尤其是厚层状或带状炭质板岩、炭质千枚岩地段，岩体扭曲、揉皱现象明显，节理发育，围岩稳定性很差，受地下水及地应力的影响，施工中易发生不同程度的围岩变形、支护开裂和塌方，施工进度缓慢，施工风险较大。因此，对炭质板岩、炭质千枚岩等软弱围岩的变形控制是本线面临的一大技术难题。如何通过分析及检测，结合现场地质条件，施工特点及监测数据，在实际中指导施工，减少施工中风险，切实处理好隧道软岩大变形，具有重要意义。

木寨岭隧道；软岩大变形；分析；施工措施

1 工程概况

木寨岭特长隧道位于西秦岭中山区，隧道进口位于大草滩车站以南约600m、漳河左岸山前缓坡上，沿途穿越小沟、石咀沟等6条沟谷，为双管单洞隧道。隧道最大埋深约700m，最小埋深约40m。全隧共设置8座辅助坑道，是极高风险隧道，兰渝铁路的重点控制工程。

2 木寨岭隧道软岩特性

炭质板岩、千枚岩等软岩的分布形态和岩性特征，可分为三种类型：①薄夹层状存在于板岩和千枚岩中，灰黑色，片理面发育，片理面较平直，岩层倾角较稳定，对围岩的整体稳定性好。②呈互层状存在于板岩和千枚岩中，单层厚度不大，但连续延伸的段落相对较长，片理面受构造挤压作用的影响，有扭曲现象，节理发育。在地下水、地应力的作用下，炭质板岩等易软化变形，且受地下水、地应力影响时，局部会出现大变形现象。③呈厚层或带状分布于隧道洞身，围岩大部或全部为炭质板岩，受构造等要素的作用，岩体抵抗剪切的水平弱并且对振动反应较强，岩体弯曲、褶皱问题显著，节理发育，且伴随有地下水渗透的问题，结构面和结构面之间的融合不理想，较易分开，在地应力、地下水的影响下，围岩硬度与稳固性大幅减弱。在这种类型的围岩中，较易产生塌方与支护出现裂缝等问题。

3 隧道监控量测变形数据分析

兰渝铁路木寨岭施工后，软岩大变形现象日益凸显，大部分斜井产生程度不同程度的变形现象，大变形重点表现在架构水平出现形状变化，且体现出变化幅度大、变化速度快等特征。以木寨岭隧道大坪有轨斜井主井为例，变形数据分析如下：

大坪有轨斜井主井作业的初始阶段变形有限，一直到6月份26日变形快速增大，不到十个小时的时间内变形在600mm以上，周围20m左右也出现了100～300mm的变形，通过采用有关举措且更换拱架后变形得以平稳。伴随开挖的继续深入，到f14断层时，各个检测点的变形进一步增大，并且体现出显著的突变性，特别是8月22号，斜649处出现严重变形，变形曲线以很大斜率向上发展，当天的收敛变形为440mm，并且在处置过程中依旧不断加大，到当前位置此处变形最突出，为1318mm，另外，斜617处变形曲线产生转弯点，变形迅速增大。变形突变处伴随喷混凝土掉落、刚架歪曲，部分刚架乃至产生拉裂，停止作业增加临时支护，变形才逐渐平稳，见图1。

图1 大坪有轨斜井主井净空收敛群曲线图

4 隧道地质原因分析

当前产生大变形的隧道所使用围岩大多是炭质板岩，并且岩层走势和隧道中心线的夹角很小，大多在20～40°区间内。为此，联系木寨岭隧道项目地质状况和变形情况剖析可知，炭质板岩是出现大变形最关键的地质因素，其岩层走势和隧道中心线夹角的高低也会影响到后续的变形，因为其夹角愈小，岩层膨胀所形成的侧面压力和开挖以后的地应力都比较大，容易出现侧向的大变形。联系地质状况剖析可知，因为受褶曲构造带及f14断层带的作用，结构内力比较大，围岩是压碎岩夹强风化炭质板岩，和水相融会出现不同程度的膨胀现象，节理发育，岩层毁坏，渗透水位置众多，自身的稳定性弱，开挖以后伴随围岩应力的放出，加上有轨斜井坡度很大的影响，斜井支护架构总体受重力与结构内力两种力的影响，已经增强的支护参数比较薄弱，原支护结构顺着水平方向、垂直方向和基地产生很大程度的隆起、开裂，且总体顺着斜井方向向掌子面移动。

5 软岩隧道施工现场变形处理方法

以上分析结果证明，隧道地质状况比如岩石产状、断层、岩石性质等是产生大变形的主要因素，地层所具有的高地应力是变形产生的另一个重要原因，而支护相对较弱、岩层破碎、地下水、施工工艺控制等因素则是大变形产生的诱因。各斜井大变形均体现出比较明显的突变性，依据变形实际因素，现场运用了加设套拱、整合断面、及早封闭、回填注浆、更换拱架等举措，通过实际测量，变形都被有效控制。经过前面阶段大变形控制项目实践，当前效果比较理想的大变形管控举措可总结为下述几点：①增大支护程度，通常采用套拱或拆换拱架方式。②改进断面型式，也就是增大断面曲率。③增强纵向连接、变形处用注浆回填等。④运用早高强湿喷混凝土技术。

6 软岩隧道大变形工程施工技术、应对措施

（1）由上文的剖析可知，软岩的变形和时长、工序有很大关系，为此，处理软岩变形的问题，作业过程中应当以“快”为准则，也就是尽快支护、尽快封闭。“尽快支护”要求开挖以后用最短的时间将岩面封闭，用最短的时间做喷锚网等支护举措，避免软岩在裸露时间长、变形幅度过大的状况下深入恶化围岩条件，大大减弱围岩硬度，出现幅度更显著的塑性范围和更明显的变形。“尽快封闭”则需要支护架构尽快起到自身职能，而要实现此要求，唯有支护尽早完成。施工要贯彻“快”的要求，软岩中最佳的施工方法是超短台阶开挖，工序平行推进。超短台阶法可以做到开挖早落底、支护早成环、仰拱早封闭，必要的时候上台阶可以临时封闭，以抑制变形速率。

（2）结合兰渝铁路炭质板岩等软岩特点，施工技术及参数如下：①炭质板岩、炭质千枚岩呈厚层状，对围岩的整体稳定性影响大时，宜采用大拱脚临时仰拱法，必要时采用CRD法，各级台阶应采用超短台阶施工；②隧道开挖后应立即进行初喷，及时封闭岩面，防止风化恶化围岩条件；③加大预留变形量，预留围岩变形及初支补强的空间，根据监控量测资料对变形加速的段落适时采取补强措施；④二次衬砌宜提前施做，但作为立即承受荷载的结构，应保证拆模时有足够的强度，原则上拆模强度应达到设计强度的100％，以防止二衬开裂；⑤对于较难控制大变形的产生和发展的围岩地段，可考虑对地应力的主强方向，凿洞导流或开挖较小断面的平导加强应力释放，以减少地应力对主隧道围岩的地应力作用。

（3）软岩隧道的变形应对措施，对于具有大变形围岩特征的木寨岭隧道，在施工中应遵循“早封闭、强支护”原则，并提出以下要求进行实施：①优化断面曲率，结构型式统一采用圆形或近圆形，单侧大跨处至拱底水平距离有轨斜井≮40cm，无轨斜井≮50cm。开挖轮廓在满足限界和投资允许的情况下尽量圆顺，以保证有良好的受力条件；②大变形发生后，必须及时进行临时支撑，并在支撑加固后对两侧进行初支后回填注浆，以增大初支结构与地层的联结力；③易产生较大变形段斜井开挖时预留变形量按单侧15cm进行控制，同时，再预留20cm作为二次支护空间，以保证施工所需隧道净空要求；④严格按照台阶法施工，开挖后应及时进行初喷。变形达10cm时，边墙及拱脚施作6m长深孔锚杆（管），有轨斜井需考虑仰拱加固，达15～20cm时采用二次套拱，套拱型号暂按I12，根据监测数据可进一步优化，其它加固措施待与设计沟通后实施。

综上所述，兰渝铁路的软岩大变形大多为厚层状或带状炭质板岩、炭质千枚岩地段，岩体扭曲、揉皱现象明显，节理发育，围岩稳定性很差，受地下水及地应力的影响，施工中易发生不同程度的围岩变形、支护开裂和塌方，施工进度缓慢，施工风险较大。结合变形特点，坚持“早封闭、强支护”原则，加强施工辅助措施，加大变形段支护强度。通过采取湿喷和早高强混凝土等技术的应用，并在施工中严格现场技术管理，规范施工工艺控制，减小变形处理对施工安全及进度造成的影响。通过施工中各项管理措施，实践表明，兰渝铁路的软岩大变形已经初有成效，并为后期工程施工和以后类似工程施工积累了资料和经验。在实际中指导施工，减少施工中风险，切实处理好隧道软岩大变形，具有重要意义。

U451.2

A

1004-7344（2016）36-0207-02

2016-9-15