藏噶隧道蚀变花岗岩地层围岩大变形控制措施研究*

彭学军，李一萍，陈 彬，刘飞翔，方星桦

(1.中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117； 2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

1 工程概况

川藏铁路拉(萨)林(芝)段藏噶隧道全长8 775m，为设计列车速度160km/h的客货共线单线隧道，隧址位于山南地区桑日县境内，线位高程3 550.000m左右，隧区地面高程3 550.000～4 400.000m，隧道最大埋深778m[1]。隧道主要穿越第三系始新统花岗岩、闪长岩。地下水以孔隙水、基岩裂隙水为主，水量丰富。隧址区域性断裂构造极为发育，洞身依次穿越拉龙—藏噶张性断裂、正嘎断裂和沃卡—罗布莎断裂(该断裂为沃卡盆地东缘断裂，共发育5处支断裂)，受区域构造影响，岩体较破碎；不良地质有冰碛层、大变形、连续富水断裂等。隧道部分区段纵断面如图1所示[1]。

图1 藏噶隧道部分区段纵断面

本隧道为全线控制工期的重难点工程之一，全隧道设有2座横洞，其中2号横洞全长1 040m，与隧道正洞交于DK169+000处。2号横洞工区正洞施工时，DK169+025—DK169+140段由原设计Ⅲ级围岩、全断面法开挖变更为Ⅴ级围岩、台阶法开挖。该段主要采用Ⅴc型复合式衬砌结构(见图2)[1]，支护参数为：全环设型钢钢架支护，间距0.8m/榀；拱墙、仰拱25cm喷射混凝土；拱部设3.5m长φ42超前小导管，间距2.4m，共22根；拱部设3m长φ22组合中空锚杆，边墙设3m长φ22砂浆锚杆，间距1.2m×1.0m(环×纵)；预留变形量为80～100mm。

图2 Ⅴc型复合式衬砌结构断面(单位：cm)

2 隧道施工围岩与支护结构变形

2.1 现场施工情况

2号横洞辅助坑道于2016年6月自H2DK0+300附近开始发生大变形，其中H2DK0+297—H2DK0+000共计297m由III级围岩变更为V级围岩，变形量最大为320mm。2017年3月28日完成横洞开挖。

2号横洞大里程正洞于2017年4月25日自DK169+025处开始一直受围岩大变形影响，现场变形情况严重，大变形发生在目前掌子面DK169+247。最大变形发生在DK169+122上台阶，断面累计水平收敛3 023mm，主要表现为初支严重开裂、喷射混凝土剥落及钢架扭曲变形、接头直接断裂以及初支变形侵限等情况，如图3所示。

图3 初支破坏典型照片

2.2 大变形段整体变形情况

DK169+025—DK169+140段围岩变形监测统计结果(见图4)表明，该里程段内围岩变形量大，其拱顶沉降平均值为248.32mm，水平收敛平均值为942.73mm，均超出预留变形量(80～100mm)，围岩变形整体呈现出水平收敛大于拱顶沉降的特征。DK169+122断面施工至下台阶时，上台阶支护结构已严重变形侵限，其累计拱顶沉降值为656.0mm，累计水平收敛值为3 023.0mm，该断面进行了拆换拱处理。

图4 DK169+025—DK169+140段围岩累计变形曲线

2.3 典型断面围岩变形特征

选取DK169+055，DK169+070典型断面进行分析，这两个断面均为台阶法施工，采用Ⅴc型复合式衬砌结构，其变形时程曲线分别如图5，6所示。

图5 DK169+055断面围岩变形时程及速率曲线

通过分析图5和图6所示变形时程曲线可得出以下结论。

图6 DK169+070断面围岩变形时程及速率曲线

1)围岩变形量较大 在监测时段内，围岩拱顶沉降、水平收敛变形量大，且呈现出水平收敛大于拱顶沉降的特征。其中，DK169+055断面拱顶沉降累计值为84.5mm，水平收敛累计值为301.5mm，DK169+070断面拱顶沉降累计值为89.0mm，水平收敛累计值为1 073.5mm，两个断面的拱顶沉降累计值和水平收敛累计值均超过设计预留变形量(80～100mm)。

2)围岩变形速率较快 在监测时段内，隧道围岩变形先后经历了加速阶段与发展阶段。隧道上台阶开挖至下台阶开挖，围岩变形处于加速阶段，围岩变形速率大，DK169+055断面平均沉降速率和上台阶平均收敛速率分别为2.0，17.7mm/d，DK169+070断面平均沉降速率和上台阶平均收敛速率分别为2.6，31.3mm/d，此阶段围岩变形占总变形的40%～50%；隧道下台阶开挖至仰拱开挖支护，围岩变形处于发展阶段，围岩变形速率有所减小，但仍维持在较高状态，DK169+055断面平均沉降速率和上台阶平均收敛速率分别为2.9，4.6mm/d，DK169+070断面平均沉降速率和上台阶平均收敛速率分别为1.7，19.2mm/d，此阶段围岩变形占总变形的50%～60%。

3)围岩变形速率受施工扰动存在一定影响 DK169+055断面在下台阶左侧开挖时，水平收敛速率由17.2mm/d跃升至30.2mm/d，DK169+070断面在下台阶右侧开挖时，水平收敛速率由9.3mm/d跃升至48.5mm/d，且随后出现变形速率波动变化特征，围岩变形速率受施工扰动影响较大。

4)隧道围岩变形持续时间长 支护封闭成环后围岩变形仍无收敛迹象，2个典型断面在施作仰拱后围岩变形速率逐渐减小但最后仍处于较低水平值，其值约为3.2mm/d，围岩变形仍持续缓慢增长。

3 蚀变花岗岩地层围岩大变形控制措施

3.1 围岩大变形原因分析

综合地质资料、围岩变形特征及相关工程案例分析，藏噶隧道围岩大变形的主要原因如下。

1)围岩条件及地质构造复杂 隧址区位于沃卡地堑东缘断裂影响带中，受多期区域构造影响，隧区岩体结构松散破碎，褶皱及节理、裂隙极发育，层间结合性差，多有分离现象，结构面强度处于残余状态；加之大变形段围岩蚀变特征明显，岩体强度较低，为岩体大变形提供了诱发条件[2]。

2)存在较高地应力 由该区域深孔地应力测试结果可知，隧区最大水平主应力与垂直应力的比值平均为1.29，最大达1.76，表明区内的地应力主要为构造应力，方向为N6oW-N7oE，最大水平地应力达17.72MPa。考虑到藏噶隧道大变形段围岩结构松散破碎，岩体强度较低，围岩在较高地应力作用下易出现大变形[3-4]。

3.2 控制措施

1)开挖方式 结合围岩大变形特征及原因，在后续施工中采用以三台阶法、合理控制台阶长度为主的开挖方法，具体施工工序为：①施作拱部超前支护；②开挖上台阶，施作初期支护，上台阶开挖高度4.4m，台阶开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定为0.6m；③开挖中台阶右侧，施作初期支护，开挖高度1.8m，距上台阶5m，开挖循环进尺根据初期支护钢架间距的2倍确定为1.2m；④开挖中台阶左侧，施作初期支护，距中台阶右侧3m；⑤开挖下台阶右侧，施作初期支护，开挖高度4.2m，距中台阶左侧3m，开挖循环进尺根据初期支护钢架间距的2倍确定为1.2m；⑥开挖下台阶左侧，施作初期支护，距下台阶右侧3m；⑦施作二层支护，下台阶左、右两侧初支完成后，及时对已施工完一层初支段施作二层支护；⑧开挖仰拱，施作初期支护，开挖循环进尺为3m；⑨施作仰拱二次衬砌及仰拱填充，仰拱浇筑长度为12m；⑩进行边墙、拱部模筑混凝土浇筑。施工工序如图7所示。

图7 三台阶法施工工序

2)支护方式 支护方式采用以调整边墙曲率、长短锚杆结合、双层初支支护为主的防抗结合的支护方式，其具体支护措施为：①调整边墙曲率(边墙侧拱矢加大50cm)。②采用双层支护，第1层支护设全环HW175型钢，间距0.6m/榀，喷射25cm厚C30混凝土；第2层支护设全环I20b型钢，间距0.6m/榀，喷射27cm厚C30混凝土。③增加预留变形量，III型严重大变形段预留变形量40cm+20cm，II型中等变形段预留变形量30cm。④长短锚杆结合，拱部6m长φ22中空锚杆，边墙10m长φ32自进式锚杆，仰拱6m长φ32自进式锚杆，顶部15m长φ50钢管。⑤加强二次衬砌刚度，设全环60cm厚C35钢筋混凝土。IIIB型衬砌结构断面如图8所示。

3)辅助施工措施 为更好地控制围岩变形，还采取了其他辅助措施[5]，主要有：①加强超前支护措施，提高围岩承载力，减小围岩松动发展，试验段的超前支护措施为：方案1，10m长φ89管棚，29根/环，0.4m×6.6m(环×纵)；方案2，3.5m长φ42小导管，0.4m× 1.8m(环×纵)，29根/环；方案3，3.5m长φ42小导管，0.4m× 2.4m(环×纵)，29根/环。②提高喷射混凝土强度等级。③必要时增设上台阶临时仰拱与中台阶锁脚锚管。④必要时进行径向注浆。⑤进行围岩变形监测和初期支护应力监测，将相关信息及时反馈到施工中，保证施工安全，为调整掘进进尺和施工方法及二层支护、二次衬砌施作提供信息依据。

4 实施效果分析

DK169+025—DK169+140段大变形现象突出，因此选取DK169+140—DK169+263段(共123m)作为大变形试验段，采取针对性措施进行大变形控制试验，该段围岩以Ⅴ级围岩为主，节理、裂隙发育，岩体呈碎裂散体结构，强度较低，遇水易崩解，与DK169+025—DK169+140段围岩无明显差异。

4.1 试验段围岩变形监测结果

试验段各监测断面变形监测结果如图9所示。从图9中可分析得到：①大变形试验段拱顶沉降和上台阶收敛平均值分别为117.18，743.69mm，拱顶沉降平均值较大变形段减小52.8%，水平收敛平均值较大变形段减小21.1%，各断面水平收敛基本上在安全范围内，变形得到有效控制；②DK169+200—DK169+263段在IIIB型衬砌支护参数的基础上进一步加强后，变形控制效果有了明显提高，尤其是上台阶收敛，有了显著下降。

4.2 试验段典型断面变形特征

选取DK169+224断面作为典型断面进行分析，其变形时程曲线如图10所示。

图10 DK169+224断面围岩变形时程及速率曲线

通过分析图10所示变形时程曲线可得出以下结论。

1)围岩变形量得到控制 该断面拱顶沉降累计值为102.3mm，上台阶水平收敛和下台阶水平收敛累计值分别为523.6，95.1mm，均在设计预留变形量(拱顶沉降600mm、水平收敛1 200mm)范围内，也呈现出水平收敛大于拱顶沉降的特征。

2)围岩变形速率降低 该断面上台阶开挖至下台阶开挖时间段内，拱顶沉降平均值与上台阶收敛平均值分别为3.4，17.9mm/d，下台阶开挖至仰拱开挖支护时间段内，拱顶沉降平均值与上台阶收敛平均值分别为1.3，6.4mm/d，变形速率相对于大变形段围岩有所下降，围岩变形发展减缓。

3)围岩变形持续时间缩短 自上台阶开挖44d后施作仰拱封闭支护成环，围岩变形趋于收敛，在仰拱施作完成4d后围岩变形速率降低至0，围岩变形达到稳定，相比于大变形段变形持续时间明显缩短。

综上可知，采取以三台阶法开挖，调整边墙曲率、长短锚杆结合、双层支护为主的防抗结合变形控制措施，结合临时仰拱、拱脚锁脚锚管等辅助措施后，围岩变形量、变形速率、变形持续时间得到较好控制，施工过程中支护效果良好，未出现大变形、塌方等异常现象，控制效果较好。

4.3 施工进度

DK169+025—DK169+140大变形段2017年4月7日起施工，2018年5月22日完成全段二衬混凝土浇筑，总共历经410d，日开挖速率0.28m/d；DK169+200—DK169+263试验段2017年10月27日起施工，2018年10月15日完成全段二衬混凝土浇筑，总共历经353d，日开挖速率0.35 m/d。试验段的日开挖速率较大变形段提高25%，提高了施工效率，在加快施工进度方面效果明显。

5 结语

1)藏噶隧道穿越多条断裂带，受区域构造影响，地应力以构造应力为主，岩体松散破碎，整体性差，花岗岩蚀变特征明显，强度较低，不利于控制隧道变形，支护结构破坏严重，发生大变形。

2)藏噶隧道围岩大变形呈现出变形量大、变形速率快、变形持续时间长、收敛明显大于沉降的特征。通过采取三台阶法开挖，调整边墙曲率、长短锚杆结合、双层支护为主的防抗结合变形控制措施，结合临时仰拱、拱脚锁脚锚管等辅助措施，使得围岩最大变形量、速率得以控制，施工效果良好。