地下水作用下的炭质板岩隧道变形控制技术探讨

张涛，王彦东，陈锡武

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

地下水作用下的炭质板岩隧道变形控制技术探讨

张涛，王彦东，陈锡武

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

以在建成兰铁路松潘隧道为工程实例，探讨研究地下水和构造应力共同作用下炭质板岩隧道变形特征。通过变形原因分析，采取设置长锚杆、注浆加固松散围岩、加强钢拱架锁脚等措施，能够有效控制变形。将软岩变形控制措施纳入动态设计是一种较为经济合理的手段。通过工程试验，动态调整工程措施，优化变形控制方案，对成兰铁路隧道建设具有较好的指导意义和工程借鉴。

地下水；炭质板岩；隧道；变形

炭质板岩隧道一直是隧道修建技术中变形控制的重点和难点，国内对炭质板岩隧道的变形控制技术也有大量的研究文献，最典型的为兰渝铁路木寨岭隧道，文献中多从隧道施工变形情况、高地应力分析等方面研究提出变形控制措施。但对地下水和构造应力公共作用下的松散炭质板岩隧道变形研究相对缺乏，尚需更进一步的研究和探讨。本文结合在建成兰铁路松潘隧道在地下水和构造应力共同作用下的变形特征，通过工程试验，动态调整工程措施，确定变形控制方案，对成兰铁路隧道建设具有较好的指导意义和工程借鉴。

1 工程概况

松潘隧道位于四川省松潘县城东侧，岷江河谷左岸，为傍山隧道，全长8 048 m，其走向与岷江河流基本平行，距岷江约150～700 m，隧道开挖断面约130 m2以上，最大埋深270 m。该隧道处于岷江活动断裂南段右侧170～600 m(图1)，岷江断裂南段全长约110 km，具有明显的全新世活动性，发生过1713年叠溪7级地震和1933年叠溪7.5级地震。隧道位于岷江断裂的下盘(被动盘)，地层岩性主要为三叠系上统新都桥组(T3x)炭质板岩夹板岩、砂岩(图2)，受岷江断裂影响，岩体破碎，次生小断层及柔皱较发育，层理产状变化较快，层间挤压严重。由于受构造影响岩体较破碎，砂岩、板岩等节理、裂隙发育，局部贯通性好，贮存了较丰的裂隙水，预测隧道最大涌水量1.5×104m3/d。软质岩在构造应力及地下水作用下极易发生大变形，施工图设计中预测该隧道发生轻微-中等软岩大变形段长共计990 m，可能发生变形段长1 500 m。

图1 松潘隧道与岷江活动断裂位置关系

图2 松潘隧道地层岩性分布情况

2 隧道变形情况及特征分析

2.1 隧道变形情况

松潘隧道斜井工区正洞D3K244+200～+247段为V级围岩，预测可能发生大变形，设计采用Ⅴ级复合衬砌，初期支护拱墙设φ22组合中空锚杆及砂浆锚杆，拱墙设φ8钢筋网片，喷射混凝土厚27 cm；加强支护设置全环I20b型钢钢架；超前支护拱部设置φ42注浆小导管。2014年9月27日起，该段右侧拱腰发生初支开裂、掉块，部分拱架扭曲，其中D3K244+225～D3K244+235段拱墙初期支护变形侵限,最大收敛变形达38.8 cm(图3、4、5)。

图3 松潘隧道变形位置

图4 隧道初支变形开裂

图5 隧道变形钢架扭曲

2.2 变形特征分析

松潘隧道D3K244+200～+247段变形特征主要表现在以下方面：

(1) 隧道变形以水平收敛为主

隧道变形水平收敛大，拱顶沉降相对较小(图6、7)，变形导致初支开裂、钢架扭曲均发生在靠山侧拱腰位置，中台阶钢架接头上50 cm左右。

图6 D3K244+248断面水平收敛曲线

图7 D3K244+248断面拱顶沉降曲线

(2) 中台阶及仰拱施作时变形大

因隧道上台阶掌子面开挖时，监控量测点未能及时布置，无法测得监控量测数据。中台阶开挖后初支施作前变形大，水平收敛和拱顶沉降变形速率均呈跳跃性突变，最大水平收敛速率为39.0 mm/d，累计为241.6 mm，最大拱顶沉降速率达7.6 mm/d；初支钢架施作后隧道变形趋于稳定，仰拱施作时变形又再次呈现增大趋势，初支钢架封闭成环后，变形基本趋于稳定(见图6、7)。

(3) 地下水发育段隧道变形大

变形过程中，靠山侧有多处渗水，钻孔取芯探测时，钻进约8 m出现大股水流从孔内喷出，炭质板岩遇水后膨胀崩解，岩体强度迅速下降，造成溜坍、掉块，形成更大的松动圈。

3 隧道变形原因分析

3.1 构造应力突出

松潘隧道处于岷江活动断裂南段右侧170～600 m，受断裂构造多期地震的强烈影响，小型褶曲发育，岩体扭曲较严重，部分地段挤压揉皱变形明显，围岩岩体破碎，节理裂隙发育(图8、9)。

图8 围岩挤压揉皱

图9 岩体扭曲

3.2 岩质软、层间结合差

开挖揭示变形段岩性为炭质板岩、板岩互层，局部含炭质千枚岩，岩质较软，岩性变化较快且无规律，靠山侧岩层陡倾，呈薄层状，层面基本平行于隧道轴线，层间无胶结物或为泥质胶结，结合性差，易产生沿结构面向隧道内的压溃变形。

3.3 局部地下水发育

隧道开挖掌子面基本呈浸润潮湿状，局部地下水发育段呈股状流出，炭质板岩受地下水浸泡而膨胀崩解，呈浆糊状溜坍，造成围岩松动，出现较大围岩松动圈，在地下水和构造应力共同作用下，松散围岩应力作用于钢架之上，极易造成初支开裂、钢架扭曲变形。

3.4 初支闭合时间长

由于特殊的施工作业环境，隧道施工速度缓慢，加之软弱围岩的蠕变特性使其变形持续时间长，隧道开挖后因长时间围岩暴露，不能及时封闭， 容易产生较大变形。

4 变形控制措施

通过对松潘隧道变形原因分析，并通过工程试验，动态调整工程措施。

4.1 发生变形段补强加固措施

(1) 加强锁脚

上台阶与中台阶每榀钢架接头处增设10 m长φ32自进式锚杆进行锁脚，每榀钢架增设8根。

(2) 增设φ32自进式长锚杆

拱部90°外两侧边墙增设径向φ32自进式锚杆进行加固，针对隧道初支开裂变形主要发生在靠山侧拱腰位置，靠山侧锚杆长12 m，山外侧锚杆长8 m。

(3) 增设径向φ42注浆管

为固结围岩，提高其物理力学性能指标，同时兼顾地下水的封堵，拱部90°外两侧边墙增设径向5 m长φ42注浆管，固结围岩松动圈。

通过对变形段采取补强措施，变形基本得以控制，监控量测数据不超过5 mm/d。由于补强加固措施偏强，施工中还有待进一步优化。

4.2 工程试验

成兰铁路隧道受岷江活动断裂影响范围长，围岩以软岩为主，后续施工中遇到地下水和构造应力共同作用下的松散围岩变形会较多。为确保施工安全，制定行之有效的工程措施，选取 D3K244+247～D3K244+287段进行工程试验，进一步优化工程措施，试验措施除采用D3K244+200～D3K244+247段设计措施外，主要有以下调整：

(1) 增大预留变形量

根据已开挖施工段隧道变形情况，试验段隧道开挖预留变形量调整为30 cm。

(2) 取消边墙φ22砂浆锚杆

取消边墙φ22砂浆锚杆，拱部90°范围外两侧边墙设置φ42径向注浆管，注浆管长5 m/根，注浆压力0.5～1.0 MPa。

(3) 拱部90°范围外两侧边墙设径向φ32自进式锚杆，单根长8 m，自进式锚杆与注浆小导管交错布置。

(4) 埋设应力测试元器件

为控制围岩变形，采取有效的变形控制措施，对该段埋设压力测试元器件，测定围岩压力、钢架应力等数据(图10、11)。

图10 断面埋设元器件布置

图11 元器件埋设现场

4.3 试验结果

(1) 对D3K244+247～D3K244+287段采取以上工程试验措施后，变形基本得以控制，监控量测数据不超过5 mm/d。

(2) 元器件测试结果

试验段共埋设3组初支应力监测断面，分别为D3K244+252、D3K244+262、D3K244+266断面，应力最大发生在 D3K244+262处，钢架拉应力最大为176.9 MPa，压应力最大为433.3 MPa；围岩压力最大为0.879 MPa，山外侧拱腰围岩位移最大为16.34 mm，靠山侧拱腰围岩位移最大为15.81 mm；锚杆轴力最大在山外侧拱腰处，最大值为117.9 kN。

钢架最大拉应力发生在D3K244+262断面，钢拱架右拱腰(靠山侧)内侧受拉，最大值发生在12月15日，其值为176.9 MPa，稍小于其钢拱架抗拉强度设计值(188 MPa)(表1)。

表1 D3K244+262断面钢架内力监测结果(单位：MPa)

钢架最大压应力发生在D3K244+266断面，右拱腰(靠山侧)内侧受最大压应力，其最大值发生于12月19日，其值为-433.3 MPa，超过其钢拱架抗压极限强度计算值(260 MPa)(表2)。

表2 D3K244+266断面钢架内力监测结果(单位：MPa)

4.4 动态调整工程措施

根据试验结果，隧道变形能够较好得以控制。钢拱架最大压应力超过其抗压极限强度计算值，为此动态调整I20b型钢钢架为I22b钢架。

5 结语

(1) 松潘隧道通过设置长锚杆、注浆加固松散围岩、加强钢拱架锁脚等措施，对地下水和构造应力共同作用下的松散软弱围岩变形，具有较好的控制效果，为成兰铁路隧道工程建设提供借鉴。

(2) 隧道掌子面前方变形具有不可预见性，难以准确预判，施工中结合开挖情况、超前地质预报以及监控量测数据，进行工程试验，动态调整施工措施是一种较为经济合理的控制变形手段。

(3) 软岩变形隧道快速、高效施工的机械化设备有待进一步研发，机械化水平有待进一步提高，以实现快速封闭，初支闭合，对控制隧道变形有较好的效果。

[1] 中国中铁二院工程集团有限责任公司.松潘隧道设计图[Z].成都：中国中铁二院工程集团有限责任公司，2012:1-9.

[2] 杨新房.炭质板岩隧道变形加固方案及施工工艺探讨[J].交通建设与管理，2015,(4):255-258.

[3] 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.

[4] 王维富.炭质板岩地层隧道施工要点及大变形防治措施[J].隧道建设，2010,30(6)：697-700.

THE DISCUSSION OF CARBONACEOUS SLATE TUNNEL DEFORMATION CONTROL TECHNOLOGY UNDER THE GROUNDWATER CONDITION

ZHANG Tao,WANG Yan-dong,CHEN Xi-wu

(China Railway Eryuan Engineering Group CO.LTD. Chengdu 610031,China)

The discussion of carbonaceous slate tunnel deformation control technology under the groundwater conditionIt takes under construction Song-pan tunnel engineering of Chengdu-Lanzhou railway as an example in this paper, for studying the deformation characteristics of carbonaceous slate tunnel under the groundwater and the tectonic stress combining action. To set up long bolt and grout loose surrounding rock for reinforcing and strengthen lock foot of the steel arch frame, through analyzing the reason of the deformation, those methods can control the deformation effectively. It is a more economic and reasonable method that taking soft rock deformation control measures into the dynamic design. Dynamic adjustment of engineering measures and optimization the scheme of deformation control which provide a good guiding significance and engineering reference for Chengdu-Lanzhou railway tunnel construction, through the engineering test.

groundwater; carbonaceous slate; tunnel; deformation

1006-4362(2017)01-0106-05

2016-12-20 改回日期： 2017-01-17

P642;U25

A

张涛(1979- )，男，中铁二院工程集团有限责任公司，工程师，主要从事遂道设计方面工作。E-mail:275619384@qq.com