雁门关隧道破碎围岩施工技术.pdf

・隧道／地下工程・雁门关隧道破碎围岩施工技术张隽（中铁十二局集团第－－Ｔ＿程有限公司太原０３００３２）摘要随着我国铁路、高速公路建设的发展，长大隧道施工逐年增加。隧道开挖施工中不可避免的断层破碎带围岩处理施工也越来越多，结合北同蒲取直线雁门关隧道挤压性高地应力破碎围岩施工处理实际，找出施工面临的技术难题，通过技术方案比选及力学分析，提出合理选择预留核心土长度、超前注浆加固、合理布设系统锚杆、双层支护等关键施工控制技术。介绍了破碎围岩施工方法、步骤，对同类隧道工程施工有一定借鉴和推广意义。关键词隧道高地应力破碎围岩施工控制中图分类号Ｕ４５５．４文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１４）０２００５５０５ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｔｈｅＢｒｏｋｅｎＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＲｏｃｋｏｆＹａｎｍｅｎｇｕａｎＴｕｎｎｅｌＺｈａｎｇＪｕｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１２血ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｉｄ．，Ｔａｉｙｎａｎ，０３００３２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙａｎｄｈｉｇｈｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｙｅａｒｂｙｙｅａｒ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｒｅｃｏｍｅａｒｉｓｉｎｇｎｕｍｂｅｒｏｆｉｎｅｖｉｔａｂｌｅｂｒｏｋｅｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｔｒｅａｔｍｅｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｂｒｏｋｅｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｕｅｔｏｈｉｇｈｇｒｏｕｎｄｓｔｒｅｓｓｏｆＹａｎｍｅｎｇｕａｎＴｕｎｎｅｌｏｎｓｔｍｉｇｈｔｅｎｉｎｇｌｉｎｅｏｆＢｅｉｔｏｎｇｐｕＬｉｎｅ，ｅｆｆｏｒｔｓａ弛ｍａｄｅｔｏｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｃｈｅｍｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｋｅｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｒｅｓｏｉｌｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｌｅｎｇｔｈ，ｐｒｅｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｙｓｔｅｍｂｏｌｔ，ｄｏｕｂｌｅｓｕｐｐｏｒｔａｌｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｂｒｏｋｅｎｒｏｃｋｃｏｎ－ｓｔｍｃｔｉｏｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｂｅｔａｋｅｎｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｂｙｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｕｎｎｅｌ；ｈｉｇｈｇｒｏｕｎｄｓｔｒｅｓｓ；ｆｒａｃｔｕｒｅｄｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ１工程概况北同蒲取直线雁门关铁路隧道位于山西省朔州市山阴县与忻州市代县交界地区，隧道起讫里程为ＤＫｌｌ０＋８５５一ＤＫｌ２４＋９４０，全长１４．０８５ｋｍ，设置３座施工斜井，隧道最大埋深约８３０ｍ，Ｖ级围岩开挖尺寸宽１３．６６ｍ、高１１．７１ｍ，断面面积大。隧道采用人字坡形式，ＤＫｌｌ０＋８５５一ＤＫｌ２０＋９８０为‰上坡，坡度为７；ＤＫｌ２０＋９８０一ＤＫｌ２４＋９４０为下坡，坡度为３％ｏ。隧道为单洞双线隧道，正洞穿越第四系地层、斜长片麻岩、斜长角砾岩及斜长角闪岩等多种岩性，遭遇到１９条断层破碎带，区域内岩体——收稿日期：２０１３０９１６破碎，围岩质量差，水平构造应力值较大。沿线水文地质发育。施工中易发生围岩挤压大变形、突水涌泥、坍塌等地质灾害。２施工面临的技术难题２．１严重的围岩挤压大变形由于隧道埋深大，构造地应力水平高，经现场试验最大水平主应力达１５．５ＭＰａ，在软弱破碎围岩下进行开挖极易诱发围岩大变形。因此如何综合控制围岩大变形，成为摆在施工技术人员面前的难题。２．２大变形位移管理基准挤压性大变形给隧道位移管理增加难度，如何铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｃ２）ＳＳ万方数据・隧道／地下工程・确定合理的预留变形量，如何根据变形量和变形速率进行位移管理成为隧道施工过程中必须要解决的问题。２．３断层破碎带突泥涌水风险隧道断层带岩体破碎，地下水储量丰富，隧道开挖极易引起突泥涌水事故，施工过程中发生多次突泥涌水，其中较大的突泥事故３次，严重影响施工进度和生产安全。如何预防和治理断层破碎带处的突水涌泥成为确保隧道安全施工的关键问题。针对雁门关隧道长度大、开挖断面大、地质条件复杂（围岩破碎、地应力水平高）、工期要求紧迫等特点，为实现安全、优质施工的目的，对挤压性高地应力破碎围岩施工关键技术进行研究。３技术方案比选及力学分析３．１隧道挤压大变形围岩段开挖方法比选雁门关隧道岩石强度属挤压性高地应力破碎围岩，地下水发育，地应力水平较高，隧道开挖断面尺寸大（开挖最大跨度１３．６６ｍ，高度１１．７１ｍ），施工中引起大变形，需对隧道开挖方法进行了研究。在此对大断面软弱围岩常用的三台阶预留核心土开挖方法、弧形导坑三台阶七步流水作业法和中隔壁法（ＣＤ法）下隧道围岩变形和结构受力进行分析、比较。比较３种开挖方法下围岩变形，拱顶下沉由大到小的顺序为：１２７ｍｌｎ（三台阶预留核心土）＞１０８ｍｍ（弧形导坑三台阶七步流水开挖）＞９０ｍｍ（中隔壁法）；最大水平收敛变形由大到小顺序为：３１６ｍｍ（三台阶预留核心土）＞２８８ｍｍ（弧形导坑三台阶七步流水开挖）＞２５４ｍｍ（中隔壁法）。可以看出，中隔壁法控制围岩变形最佳，其次分别为弧形导坑三台阶七步流水开挖、三台阶预留核心土法，经计算分析得出，初支最小主应力从大到小的顺序为：２９．５ＭＰａ（中隔壁法）＞２６．０ＭＰａ（弧形导坑三台阶七步流水开挖法）＞２５．５ＭＰａ（三台阶预留核心土），皆为压应力，且大于混凝土极限强度，但后２种方法下应力差值较小；最大主应力由大到小的顺序为：＋０．８７ＭＰａ（拉应力，弧形导坑三台阶七步流水开挖法）＞一０．０９７ＭＰａ（压应力，中隔壁法）＞一０．１２ＭＰａ（压应力，三台阶预留核心土）。综合三种开挖方法下围岩变形情况以及施工的便利性和开挖效率，选择弧形导坑三台阶七步流水开挖方法较合理。弧形导坑三台阶七步流水开挖方法施工力学效应见图ｌ～３；三种开挖方法围岩变形见表１，支护结构受力比较见表２。—一２５－２０，１５一１０５０５ｌＯ１５２０２５３０３５４０４５５（测点距掌子面距离衲图１弧形导坑三台阶七步流水作业法开挖下围岩变形曲线●………“６㈣■…“…■ｍ，ｘｍ■……ｂ】，ｄＤ嘶■∞∞㈨ｍ１＿……●’●口ｎｍｈ■¨…㈣Ｉ，４ｍ■………ｎ７・坑三台阶开挖时初支结构云图（单位：Ｐａ）Ｉ；ｉ｛裁蠢ｉｊ黧暴巴黜嚣＝：。：躲：器Ｉｊ嚣２：怒：：；搿：：器图３弧形导坑三台阶开挖时初支结构最大主应力云图（单位：Ｐａ）表１围岩变形三台阶弧形导坑三台阶项目中隔壁法预留核心土七步流水开挖拱顶沉Ｉ牵／ｍｍ１２７１０８９０水平收敛／ｒａｍ３１６２８８２５４５６铁道建篱技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｆ２Ｊ万方数据・隧道／地下工程・表２支护结构受力比较三台阶弧形导坑三台阶项目中隔壁法预留核心土七步流水开挖最小主应力／ＭＰａ一２５．５—２６．０—２９．５最小主应力／ＭＰａ一０．１２＋０．８７—０．０９７３．２挤压性破碎围岩施工力学效应３．２．１特殊围岩段施工力学效应雁门关隧道ＤＫｌｌ８＋６４５～ＤＫｌｌ８＋７４０段岩性以黑云母变粒岩为主，围岩主要由两类岩体交互成似“”层状产出，呈现出左软右硬特点，为了揭示其施工力学效应，选取ＤＫｌｌ８＋６７２～ＤＫｌｌ８＋７２０（４８ｍＶ级）围岩段为研究对象，采用三维数值模拟隧道施工过程，并结合围岩变形现场实测数据，分析隧道开挖、支护过程中支护结构的受力及围岩空间变形特征。数值计算隧道变形测点布置见图４，掌子面挤出位移见图５，掌子面最大挤出变形与开挖面距测点距离关系曲线见图６，基于数值计算的隧道围岩累计变形值见表３，围岩变形的数值计算与现场实测结果比较见表４。ＤＦ图４数值计算隧道变形测点布置图表３基于数值计算的隧道围岩累计变形值ｍｍ测点ＡＶＢＨＣＨＤＨＥＨＦＨＧＨ变形点７７．５１２７５２．４１３７５７．８１１５４９．３测点ＢＶＣＶＤＶＥＶＦｖＧＶ变形点６５．２３０．２３５．８１４．５３８．６１．３ｌ变形特点：（１）变形非对称性；（２）变形量大。数值计算和现场实测皆显示出隧道拱顶沉降、边墙收敛值较大；（３）拱脚、墙脚沉降量大。计算和实测表明，软弱围岩的拱脚与墙脚处沉降值较大，主要是由于高地应力、拱脚或墙脚处软弱围岩易发生较铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣ丁ｆＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ大变形引起的，因此要强化拱脚、墙脚处锁脚锚杆（管）作用；（４）计算与实测结果有一定差异。ＬｅｖｅｌＺＤＩＳＰ（ｍ）９０．０２８８０．０２６７Ｏ．０２４６０．０２２５０．０２４０．０１８３Ｏ．０１６２Ｏ．０１４１０．０１２图５掌子面挤出位移开挖面距测点距离／ｍ图６掌子面最大挤出变形与开挖面距测点距离关系曲线表４围岩变形的数值计算与现场实测结果比较ｍｍ测点ＡＶＢＨＣＨ—ＢＨＣＨＤＨＥＨ—ＤＨＥＨ数值７７．５１２７５２．４１７９．４１３７５７．８１９４．８计算现场１０４１３９５７１９６１２６６９１９５实测测点ＢＶＣＶＤＶＥＶ数值６２．５３０．２３５．８１４．５计算现场２４５１２２８３５５实测３．２．２支护结构受力特点（见图７、图８）初支结构受力呈现出偏压特性，结构左侧的压应力大于右侧压应力；初支结构的最小主应力（压应力）为１９．１ＭＰａ，出现在拱顶及偏左位置，最大主应力（拉应力）为０．６２ＭＰａ，出现在右侧墙腰位置．２０１４ｆ２Ｊ—●‘ＪｆＥ（．．ｔＤ．ｔ．・口ｏ■■■●■■■●■●－－＇㈣ｐ＇一㈣¨●Ⅻ∞∞＾＾ｔ】●●■Ｃ－—Ｒ…∞‘Ⅺｔｔ，，＾●■■…ｖ＇ｐ，㈣●∞ｊ－＇，Ｏｐ＇７∞ｏａ●●●∞■叫ｉ．＾Ｏ¨∞ＢｈＨＭｑ”∞＾ｑＯ■●Ⅷ＿＇＇３■Ｉ＇口ｍ■■Ｂｈ【、，口＿＿ｎｆｈＩｌｎｈ¨・Ｓ’●●●■’’∞ｌ冀时幅＇＾ｌ明一７●■‘Ｉ聃ｄ啊Ｈ＇时岫＇艄＿舯，■●●∞Ｉｔ＾日＿舶，ａ＇呻Ｏｐ，●●Ⅸｌｂｐｏ时・ｏ＇】呻ｏｐ佣，Ⅲ∞’Ｉ＇ａａｐｍ’∞∞口＿ｍ，¨∞ｍｐｏ＿■■■∞■∞■‘∞●＾－ｂ４肿曲ｒ■■∞＾ａｐｍ＿㈣●…“。。ｋ－ｏｒ图７初支结构最小主应力云图（单位：Ｐａ）万方数据・隧道／地下工程・，～。。。．。收敛变形（或先行位移）占全程位移的１／５左右，掌“鬣＝。荽麓子面挤出变形约８ｃｍ。较大范围的掌子面前方的‰鸶量§。巍扰动范围和挤出变形对掌子面的稳定带来不利影…坠。。。。．。。。。。响，因此有必要采取预留核心土措施来稳定掌子！；篓蒜；；贬黧面，减小掌子面的挤出变形。为了研究核心土长度…“’…～。对掌子面稳定的效应，对雁门关隧道软弱围岩段设……１ｔ１８燃训靴叫孝王黑篙蒜赫，削・２。４＿６、３・２－３一般软弱围岩段施工力学效应４．１．２围岩超前注浆加固效果数值计算和现场变形、围岩压力监测表明，雁拱部设置超前支护（４ｍ）与未进行超前支护时门关隧道一般软弱围岩段的变形量与变形速率大，隧道变形对比有如下特点：拱部设置超前支护对减实测拱顶沉降最大值达１４７ｍｍ，最大沉降速率达小隧道变形有一定的效果；进行超前支护对拱顶沉４０ｍｍ／ｄ，边墙收敛最大值为４０５ｍｍ，最大收敛速降的控制效果要好于对水平收敛控制效果，ｌｇ对Ｉ－＿率为３４ｍｍ／ｄ，掌子面挤出变形为７６．７ｍｍ（数隹ｔｉ－Ｉ＂台阶收敛变形的影响要大于对下台阶的影响，即随算）；实测围岩压力较大，达０・５～１・９ＭＰａ，初支结着与拱顶距离增大，超前支护的效果逐渐减弱。构的最大压应力为２６ＭＰａ，表明现有支护条件下，４．１．３系统锚杆的合理设置支护结构不安全¨ｑ。。通过对隧道开挖后围岩塑性区厚度和形状分析，３．３挤压性破碎围岩位移管理基准优化了锚杆设置参数，即拱部６０。范围内采用３ｍ长３．３．１挤压性破碎围岩极限位移锚杆，其余部位采用４ｍ长锚杆，并和原设计锚杆支计算软件采用Ｐｈａｓｅ２有限元软件，按平面应变护效果进行了对比，证实了锚杆优化的正确性。计算，围岩采用Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ非线形屈服准则。确定４．１．４双层支护结构二次支护时机了隧道Ｖ级软弱围岩的极限变形量Ｈ娟１。雁门关隧道软弱围岩埋深大、地应力水平高、３．３．２挤压性破碎围岩预留变形量及位移管理基准围岩相对软弱，在一层初支难以保证隧道安全性的根据数值计算结果台阶开挖后变形量，可确定情况下，研究双层支护效应及二次支护施作时机的预留变形量应大于１２０ｍｍ；实测隧道开挖后拱顶下问题显得很有必要性。从变形控制角度出发，可以沉均值在９４～１２６ｍｉｌｌ之间，水平位移均值在１５５一适当提前施作二次支护；从改善二次支护结构的受１８３ｍｍ之间，隧道预留变形量可取１８０ｍｍ。力状态来讲，在变形满足位移管理基准条件下，可考虑到地质、现场施工因素的复杂性和不确定适当推迟二次支护施作时间。从理论上讲，雁门关性，在设计支护强度下，雁门关隧道软弱围岩（Ｖ级）隧道二次支护与仰拱同时施作是最佳时机。预留变形量可取１８０ｔｏｎｉ。４．１．５雁门关隧道软弱破碎围岩变形综合控制４关键施工控制技术驯。、围岩变形综合控制效果分析隧道施工过程中４．１挤压性破碎围岩变形控制技术围岩内空变形计算结果。采用变形综合控制技术雁门关隧道挤压性高地应力破碎围岩，施工过（超前加固＋双层支护＋预留核心土）后，隧道的拱程中，曾先后多次发生初期支护开裂、变形、掉块、顶沉降及水平收敛变形明显减小，洞室稳定性改善。侵限现象，二衬开裂和掉块现象，进展缓慢，隧道变４．２变形综合控制技术现场施工形破坏严重。（１）掌子面稳定措施，主要采用了上台阶预留４．１．１确定预留核心土长度核心土和超前预支护手段来维持掌子面稳定性。雁门关隧道采用三台阶七步法开挖，上台阶预（２）采用双层支护，ＤＫｌｌ８＋６４５一ＤＫｌｌ８＋６７５５８铁道建笳技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｆ２Ｊｏ万方数据・隧道／地下工程・段采用单层Ｈ１７５型钢钢架支护（间距０．６ｍ），初期支护开裂变形严重，初期支护侵入二次衬砌净空。采用双层钢架处理，第一层钢架采用Ｈ１７５钢架支护，间距６０ｃｍ，第二层钢架采用１２５ｂ工字钢架，间距６０ｃｍ，控制了隧道变形。（３）拱脚变形控制。在施工现场，采用锁脚锚管来控制支护端部的变形，锁脚锚杆一方面可以为支护结构端头提供较大的竖向约束，提高竖向约束刚度Ｋ，另一方面可以通过锁脚锚杆水平拉拽支护结构，抑制结构端头向洞内发生变形，所以锁脚锚管较好地控制了隧道拱脚、墙脚处结构的竖向及水平变形，其施工质量成为控制围岩变形的一个关键环节。雁门关隧道采用４ｍ长、，ｔ，４２ｎｌｌｎ的锁脚锚管，拱脚处在钢架两侧各打设３根，打设角度为向下２５０一３５０，左右锚管紧贴钢架外部用钢筋堆焊连接。而后进行锚管注浆，增强承载效果。４．３隧道断层破碎带突泥处治技术雁门关隧道掘进到ＤＫｌｌ８＋６４５～ＤＫｌｌ８＋７４０曾先后多次出现破碎断层突泥现象，使初期支护开裂、变形、掉块、侵限现象，二次衬砌局部开裂、压碎，给隧道结构稳定及安全施工造成极大困难。创新使用了一种大断面断层破碎带隧道突泥处理结构。锚管用环形连接件连接并堆焊加固，更好地限制钢拱架位移，更好承受压力和约束变形。创新锁脚锚管打入施工新工艺，工艺简单，质量有保证。（５）在钢拱架背后预埋排水盲管，在合适地方预埋砼回喷管，使初期支护形成坚固的硬壳，预埋泵送砂浆管及时回填坍穴。（６）劳动强度低，安全可靠，易掌握，经济效益明显。５结束语北同蒲取直线雁门关隧道挤压性高地应力破碎围岩施工，通过数值计算，对挤压性高地应力破碎围岩隧道三维空间变形和支护结构受力进行分析，结合工程实践总结了破碎围岩隧道的施工变形控制工艺和施工参数，采用钢拱架锁脚锚管加固连接新技术，大断面隧道断层破碎带突泥处治技术，双层拱架快速支换技术，变形综合控制技术等，创新了挤压性高地应力破碎围岩施工方法，有效地降低了隧道施工成本，解决了挤压性高地应力破碎围岩施工安全难题，实现了快挖、快支、快封闭，保证了隧道施工安全，对类似隧道工程施工有很好的借鉴和推广意义。参考文献（１）用ＹＴ－２８风枪对突泥段掌子面施做密排［１］孙钧，潘晓明．隧道软弱围岩挤压大变形非线形流变，１，５０ｍｉｌｌ超前小导管，方法简单易行，操作方便，且力学特性研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２，３１便于排水。比大管棚方案施工进度快，效果明显。—（１０）：１９５７１９６８．（２）断层泥带，注浆扩散困难，超前注浆效果不［２］王成虎，沙鹏。胡远芳等．隧道围岩挤压变形问题探究大，甚至由于注浆水加剧突泥。在坍穴口处用—［Ｊ］．岩土力学，２０１１，３２（ｓ２）：１４３１４７・４，８０ｍｍ钢管或，ｔ，５０咖小导管预埋做临时引排水［３］王建宇，胡元芳，刘志强・高地应力软弱围岩隧道挤压管道，使断层泥适量排出，能够减轻初期支护的压型变形和可让性支护原理［Ｊ］・现代隧道技术，２０１２，力，目．具有易操作的特点。—４９（３）：９１７・奠，亭李篓磐堕苎已墼２耋享芝地玄苎Ｈ１淼篙嚣警鬻嬲时套拱，以免发生突泥时，瞬间力量把已施工地段［５］磊三；：某泵薹，；妄孟：蕃．。；压性高善矗釜大变形初期支护冲垮。套拱施工工艺简单，质量有保证，机理及分级标准研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００８，３０造价较低，用工少。—（５）：６９０６９７．（４）为不使支护钢拱架下沉，拱架锁脚锚管采用［６］孙钧，潘晓明．隧道软弱围岩挤压大变形非线形流变创新工艺，拱架靠贴围岩侧绑焊４５０ｍｉｌｌ×２５０ｍｍｘ力学特性研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２，３１１６ｍｍ钢板，预割锁脚锚管打人定位孔，打人后外露—（１０）：１９５７１９６８．万方数据