丽香铁路黄山哨隧道下穿岩堆段设计施工关键技术

李贵民

(中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司， 云南 昆明 650200)

0 引言

岩堆是指陡峭山坡上经过长时间的物理、化学作用形成的碎石、岩屑等岩体崩塌物质经暴雨冲刷或重力搬运，在山坡坡脚或平缓山坡上堆积的松散堆积体。下穿岩堆隧道的设计与施工一直是隧道工程建设中的难题，在施工中出现了很多地表开裂及洞内初期支护边墙严重变形甚至二次衬砌开裂等事故。目前，国内外许多专家对岩堆隧道修建技术进行了大量研究，并提出了相应观点与解决办法，且大多以定性为主。如： 吴发展[1]对鹰嘴岩隧道岩堆体施工技术进行研究，提出地表喷混凝土封闭并注浆加固处理措施； 刘建红[2]对宝兰客运专线石崖隧道下穿岩堆进行综合设计，提出锚索及抗滑桩加固的处理措施； 蒋向阳[3]对岩堆体特征及其对隧道工程的影响进行研究，提出跟管钻孔及注浆加固的处理措施； 刘新峰等[4]针对开挖进尺对岩堆体隧道施工的影响进行分析，得出岩堆隧道开挖进尺不宜超过1 m的结论； 丁祖德等[5]对考虑空间效应的岩堆体隧道管棚力学模型进行研究，提出管棚加固的处理措施； 石先火等[6]对岩堆体隧道洞口浅埋段开挖进尺进行计算分析，得出预留核心土能明显提高岩堆隧道掌子面稳定性的结论； 黄建国[7]对隧道在松散堆积体下的掘进方案进行研究，得出超前大管棚能有效控制拱部溜坍的结论； 何毅等[8]对隧道洞口段过岩堆体的防坍技术进行研究，提出设置挡墙及预加固的防坍技术； 矫祯宇[9]对浅埋偏压岩堆地质的隧道出洞技术进行研究，提出设置超前管棚及预留核心土的出洞技术； 张闯等[10]对浅埋隧道下穿松散岩堆体进洞技术进行分析，提出弱爆破及地表注浆的处理措施； 张颖[11]对大前石岭隧道进口岩堆体的稳定性进行分析评价，得出明挖放坡+抗滑桩可有效保证稳定的结论。由于地下工程的隐蔽性，使得没有任何一个理论或治理措施能够应对地质复杂多变的实际情况。目前，国内外尚无系统的定量处理岩堆隧道的标准和设计、施工规范。

新建丽江至香格里拉铁路黄山哨隧道DK8+557～+620段岩堆底面位于隧道洞身中—上部位置，分界面角度约27°，隧道埋深38～60 m，洞身岩堆为第四系全新统崩积层碎石土，自稳性极差。现场施工时初期支护变形较大，最大累计水平收敛值为34 cm，最大累计沉降值为13 cm，地表出现贯通裂缝，裂缝最宽约20 cm。为有效控制隧道初期支护变形，防止该段洞身整体失稳，进行地表位移、洞内变形、洞内初期支护及二次衬砌应力等监测，并对岩堆隧道变形控制措施进行研究和工程实践。提出地表岩堆土石接触面处理、衬砌结构及支护参数、隧道边墙轮廓曲率、预留变形量、内净空补强空间等定量优化措施，确保现场施工安全。

1 工程概况

1.1 岩堆段地质情况

黄山哨隧道位于新建铁路丽江至香格里拉线丽江站—拉市海站区间，进口里程为DK8+310，出口里程为DK12+344，全长4 034 m，是设计时速为120 km/h的客货共线电气化铁路单线隧道。现场施工过程中，进口工区DK8+557～+620段岩堆底面位于隧道洞身中—上部位置。隧道施工揭示地层岩性为碎石土、全—强风化玄武岩夹凝灰岩，风化裂隙发育，岩体呈土状，自稳性极差。碎石土呈灰、褐灰色，稍湿—干燥，稍密，局部有胶结现象； 块石质为灰岩，尖棱状，大小不一，直径一般为60～200 mm，局部为块石土状； 碎块石含量85%左右，孔隙为黏土充填，属Ⅳ级软石，B组填料。该段隧道埋深37～60 m，洞身主要穿越碎石土〈1〉及玄武岩夹凝灰岩〈4〉，典型横断面见图1。

图1 黄山哨隧道岩堆段典型横断面 (单位： m)

Fig. 1 Typical cross-section of rockpile section of Huangshanshao Tunnel (unit: m)

1.2 岩堆段变形情况

黄山哨隧道DK8+557～+620段原设计采用V级B型复合式衬砌，初期支护采用全环I18钢架，间距0.8 m/榀。拱部设置φ42小导管超前支护，纵向间距1.6 m/环，每根长3 m，环向间距0.4 m，每环23根； 拱部系统锚杆采用φ25组合中空锚杆，边墙系统锚杆采用φ22砂浆锚杆，每根长3 m，间距1 m，梅花型布置； 拱墙设置φ8钢筋网片，间距20 cm×20 cm。按原设计施工后初期支护变形较大，严重侵限，最大累计水平收敛值为34 cm，最大累计沉降值为13 cm，初期支护局部开裂，左侧边墙处最大侵限约20 cm，右侧边墙处最大侵限约10 cm。初期支护变形情况见图2。线路左侧地表岩堆体后缘与灰岩接触面产生了纵向裂缝，裂缝位于DK8+520～+600段线路左侧50～70 m处，裂缝长度约80 m，裂缝最宽处约20 cm、最窄处约5 cm，钢尺测量最大深度约1.8 m。地表开裂情况见图3。

图2 DK8+557～+620段洞内左侧边墙初期支护变形情况

Fig. 2 Deformation of primary support of left sidewall at DK8+557～+620 section

图3 DK8+520～+600段地表岩堆体与基岩接触面开裂情况

Fig. 3 Cracking condition of interface between surface rockpile and bedrock at DK8+520～+600 section

2 岩堆段变形原因

隧道在区域上处于我国著名的南北向地震带南段之滇西地震带，隧道进口端发育一区域性大断裂(大具—丽江断裂)，经多期构造作用影响，该段地层结构复杂，地层相变大，节理裂隙发育，岩体极破碎，围岩岩性均匀性差。

该段岩堆体与灰岩接触面变化大，根据补充勘察资料及现场开挖揭示情况显示，隧道洞身DK8+540～+650段，岩堆体底面与隧道小角度相交，位于洞身中—上部位置。由于隧道埋深较浅、地形偏压及隧道开挖后围岩应力调整等不利因素的影响，该段施工后初期支护变形较大，并牵引左侧岩堆体沿破裂角及土石界线产生位移，导致岩堆体段洞内外出现了变形开裂。

3 岩堆段施工方案

3.1 增设地表截水沟及封闭面板

为防止地表水沿岩堆体与基岩接触面下渗润滑岩堆体底面，降低接触面力学指标，引起土压力增大，于岩堆体后缘与既有山体接触处设置截水沟及封闭面板，地表施作对应起讫里程为DK8+510～+625。截水沟采用Ⅵ式天沟，40 cm×60 cm(宽×高)。铺砌面板采用C35钢筋混凝土，宽5 m，厚0.5 m，铺砌面板底部设置HRB400的φ18钢筋网片，钢筋间距20 cm×20 cm，净保护层厚55 mm。铺砌面板下施作内外2排φ42钢花管，交错布置，注水泥砂浆，内排管长3 m(距裂缝水平距离1 m)，外排管长4 m，间距3 m×1 m(纵×横)，嵌入基岩深度不小于50 cm。地表增设截水沟及封闭面板典型断面如图4所示。

图4 地表增设截水沟及封闭面板典型断面 (单位： cm)

Fig. 4 Typical cross-section of adding cut-off gully and closed plate on surface (unit: cm)

3.2 加强衬砌结构及支护措施

根据施工揭示地质条件、围岩变化情况、专家会意见及结构计算结果，为保证施工安全及运营安全，对衬砌结构及支护措施予以调整。

变更设计采用Ⅴ级浅埋偏压加强复合式衬砌，初期支护采用全环I22b钢架，间距0.5 m/榀。拱部设置φ42超前小导管，纵向间距1.5 m/环，每根长3 m，搭接1.5 m，环向间距0.4 m，每环31根。左侧边墙系统锚杆采用φ76钢花管，每根长9 m； 拱部及右侧边墙系统锚杆采用φ42径向钢花管，每根长5 m，间距1 m，梅花型布置。二次衬砌采用ANSYS进行结构检算，检算时二次衬砌纵向长度取1 m，根据洞内外变形监测情况及初期支护受力结果分析，地表靠山侧岩堆体裂缝与隧道是贯通的，隧道顶部上方楔形土体整体上是稳定的，隧道承受拱顶楔形土体全部荷载，楔形土体接触面摩擦因数取tanφ(φ为接触面摩擦角)。计算结果显示二次衬砌最大变形5.7 mm，最大弯矩820 kN·m，二次衬砌采用70～107 cm厚钢筋混凝土是可以满足要求的。岩堆段衬砌支护参数如表1所示。

岩堆段衬砌断面如图5所示。

3.3 加大边墙轮廓曲率并优化二次衬砌型式

岩堆段衬砌加大二次衬砌内轮廓曲率，两侧边墙各加大30 cm。

岩堆段二次衬砌施作前7 d初期支护变形速率为2～4 mm/d，未达到规范要求(0.2～0.25 mm/d)。岩堆段地表已开裂，隧道上覆荷载较大，且变形持续时间相对较长，无法达到规范要求的稳定标准后施作二次衬砌。为避免二次衬砌混凝土承受过大荷载，造成后期开裂，二次衬砌型式采用圆顺连接较为合适。本次岩堆段二次衬砌边墙脚由马蹄型断面优化为圆顺型，且加大二次衬砌厚度至0.7～1.07 m(厚度渐变)及加强主筋(主筋全环采用φ25@200，拱墙范围加配φ25@200)。

图5 岩堆段衬砌断面 (单位： cm)

3.4 加大预留变形量

由于地表裂缝已与洞内变形相关联，岩堆段后期蠕变量较大，在很长一段时间内都无法收敛稳定。根据现场实测变形断面显示，边墙单侧最大变形可达40 cm，适当增大预留变形量是必要的。虽然岩堆段结构及支护措施已加强，但考虑按原设计开挖后侵限换拱严重，且地表岩土分界面产生贯通裂缝，洞内外变形已产生联动效应，为避免预留量不足导致二次换拱及再次扰动岩堆体，本次隧道初期支护预留变形量按30 cm设置。

3.5 内净空预留补强空间

根据洞内外监控量测显示，地表裂缝已与洞内变形相关联，为避免运营期间隧道开裂凿除既有二次衬砌的风险，隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间。

3.6 加强拱部超前支护

根据掌子面围岩揭示，洞身岩堆为第四系全新统崩积层碎石土，自稳性极差。为保证掌子面开挖安全，隧道拱部设置φ42超前小导管，纵向间距1.5 m/环，每根长3 m，搭接1.5 m，环向间距0.4 m，每环31根。超前小导管注水泥浆固结拱部围岩，水泥浆水灰质量比为0.5∶1，注浆压力1 MPa，小导管尾部设置止浆段及止浆阀保证注浆加固效果。

4 岩堆段施工效果

4.1 洞内收敛变形情况

黄山哨隧道DK8+557～+620岩堆段于2016年6月1日开始施作，2017年1月7日完成。

试验段收敛变形在可控范围内，典型变形曲线如图6所示。两侧边墙合计预留变形量为600 mm，两侧边墙实际最大变形约为210 mm。

图6 岩堆段初期支护变形曲线(2016年)

Fig. 6 Deformation curves of primary support of rock pile section (in 2016)

原设计V级B型衬砌初期支护为直边墙，初期支护采用全环I18钢架不利于承受岩堆水平荷载。按原设计开挖后侵限换拱严重，且地表岩土分界面产生贯通裂缝，洞内外变形已产生联动效应。变更设计Ⅴ级浅埋偏压加强衬砌，初期支护采用全环I22b钢架，且两侧边墙各加大边墙轮廓曲率30 cm，结构受力合理，监控量测数据显示边墙变形在可控范围内。

4.2 洞内应力测试结果

为了解岩堆段二次衬砌施作后，洞内围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力等变化情况，于DK8+560～+680段进行围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、锚杆轴力量测，共布置3个断面。洞内应力测试典型横断面如图7所示。

DK8+560断面监测结果显示： 隧道左侧围岩压力明显大于右侧，隧道在左拱45°最大压力为1.197 MPa，左拱90°最大压力为0.819 MPa，左边墙底最大压力为0.914 MPa。从锚杆轴力监测数据来看，隧道围岩左拱45°锚杆轴力最大为117.01 kN，左边墙底最大轴力为110.09 kN。拱架应变最大值也出现在左拱45°。隧道二次衬砌混凝土左侧应力大于右侧，其中左侧最大水平应力为0.248 MPa(远远小于C35混凝土弯压容许应力13 MPa，目前二次衬砌混凝土表面无开裂剥落，根据二次衬砌混凝土监测结果显示应力在安全范围内)。根据以上监测结果可以判断，岩堆体中有1条潜在滑动面穿过了隧道左拱45°和左边仰拱位置。

图7 洞内应力测试典型横断面

4.3 地表测斜结果

为了解岩堆体变形情况，于DK8+500、DK8+540、DK8+580、DK8+630线路左侧各布置1根测斜管，距线路中线15.37 m(距隧道二次衬砌净距11 m，可避免与隧道左侧9 m长注浆钢花管相互干扰)，测斜管底部与隧道轨面齐平(标高2 437.4 m)，顶部至原地表； DK8+540、DK8+580线路右侧各布置1根测斜管，距线路中线11.37 m(距隧道二次衬砌净距7 m，可避免与隧道右侧5 m长注浆钢花管相互干扰)，测斜管底部至轨面以下5 m(标高2 432.4 m)。测斜管典型横断面如图8所示。

图8 地表测斜管典型横断面 (单位： cm)

根据测斜孔资料显示， 4号孔(DK8+610左16.83 m)水平累计位移15 cm，2号孔(DK8+552.7左9.479 m)和3号孔(DK8+566.56左36.77 m)水平累计位移1.1 cm，1号孔(DK8+580右侧11.347 m)水平累计位移3 cm，5号孔(DK8+649.5右侧6.08 m)水平累计位移2.6 cm。洞内初期支护封闭成环后地表测斜管基本停止变形，已趋于稳定。

5 结论与建议

通过阐述黄山哨隧道下穿岩堆段的变形原因，系统分析了地表位移监测、洞内初期支护及二次衬砌应力监测结果，并结合数值计算结果判定岩堆段土体整体上是稳定的，隧道拱顶埋深37～60 m，无地表加固措施的必要性和可行性(设计考虑了洞内加固后二次失稳的洞内外锚固桩预案，根据监测结果，洞内加固后隧道已变形稳定，未启动锚固桩预案)，并总结出采取以下措施可有效控制隧道岩堆段变形。

1)地表岩堆土石接触面开裂处增设截水沟及封闭面板，并对地表裂缝进行注浆加固。

2)加大隧道初期支护钢架型号为全环I22b，并加长岩堆侧边墙径向系统锚杆至9 m，以便穿过岩堆体锚固于稳定岩体。

3)加大隧道两侧边墙轮廓曲率各30 cm，优化隧道二次衬砌型式为圆顺型，并加大二次衬砌厚度至0.7～1.07 m(厚度渐变)及加强主筋(主筋全环采用φ25@200，拱墙范围加配φ25@200)。

4)为避免预留量不足导致二次换拱及再次扰动岩堆体，隧道初期支护预留变形量按30 cm设置。

5)隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间。

6)隧道拱部设置φ42小导管超前支护。

现场岩堆段采取以上措施后，已顺利施工通过，根据洞内外监测结果显示，结构在安全可控范围内，可为类似工点制定处置措施提供参考。但本文主要是针对岩堆隧道洞内初期支护及二次衬砌加强进行的研究，建议今后针对浅埋岩堆隧道洞外地表加固施工控制技术作进一步的分析和研究。