红桥关隧道洞身段大变形变形破坏机理分析及控制技术

王建兴

【摘 要】本文以红桥关隧道D1K255+794.5～+756段出现的大变形变形破坏为基础，从该段开挖揭示的地质构造、破坏前的施工参数等方面分析其变形破坏的机理和变形破坏后所采取的控制技术。通过现场实际施工总结出一套行之有效的控制技术，为以后类似的隧道工程施工提供了宝贵的借鉴经验。

【关键词】炭质板岩；软岩；大变形；处理措施

引言

近十年来，随着铁路建设的快速发展，穿越地质条件复杂的隧道和隧道施工过程中遇到的隧道大变形问题也越来越多，这给隧道的施工安全、掘进效率带来了极大的困难。针对大变形隧道各国学者开展了许多理论和试验研究，并在施工过程中采取了相应的控制技术措施，这些理论在一定程度上为大变形隧道工程建设提供了理论指导，但由于各地区工程地质差异比较大，针对遇到的突发性、复杂难题也有所差异，针对性的开展隧道大变形课题的研究是十分重要的。

本文以新建铁路成都至兰州线红桥关隧道D1K255+794.5～+756段出现的大变形变形破坏为基础，对隧道大变形产生的变形破坏机理进行了分析，并对其采取的控制技术措施进行了总结，为以后的类似的隧道工程施工提供了宝贵的借鉴经验。

1.工程概况及施工情况

1.1 工程概况

新建铁路成都至兰州线CLZQ-13标D2K255+305.335红桥关隧道地处四川省阿坝州松潘县川主寺镇境内，起讫里程D2K253+710～D1K256+890，其中有一段10.67m断链，全长3169.33m，地面高程2950～3510m，最大埋深410m。红桥关隧道设计时速200Km，预留时速250Km，为客货共线双线电气化高速铁路隧道，建成后将是西出通往兰州历史名城和国际旅游胜地九寨沟、黄龙旅游区唯一的高速铁路通道。

红桥关隧道位于岷江活动断裂带北段，历史上曾发生过1748年61/2级地震和1960年63/4级地震。隧址区地质具有“四极三高”的显著特点：地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、地震效应极为显著；高地应力、高地震烈度、高地质灾害风险。

1.2 施工参数

红桥关隧道D1K255+794.5～+756段预留变形量20cm，拱墙初期支护钢架采用工16工字钢，间距1.2m/榀；钢筋网片采用HPB300Φ6，网格尺寸20cm×20cm；连接筋HRB400Φ22钢筋，环向间距1.0m；系统锚杆拱部采用3.5m长Φ22组合中空锚杆，边墙采用3.5m长Φ22全长粘结型砂浆锚杆，间距1.2×1.2m（环×纵）；锁脚锚管采用4m长Φ42/t=3.5mm热轧无缝钢花管，每拱脚处大、小插角2根；超前支护采用Φ42/t=3.5mm热轧无缝钢花管，每环根数30根，单根长3.5m；该段拱墙初期支护喷射C30耐腐混凝土，最小厚度23cm。

2.变形破坏情况及机理分析

2.1变形破坏情况

D1K255+794.5～+760段初期支护喷射混凝土出现开裂错位、剥离掉块；线路右侧起拱线以上2m左右钢架出现扭曲变形、局部呈“Z”字形；线路左侧拱部初期支护拱墙侵入二衬限界，如图1所示。

图1（a） 初期支护喷射混凝土破坏

图1（b）初期支护钢架扭曲破坏

图1 D1K255+794.5～+760段初期支护变形破坏情况

D1K255+760～+756段上台阶初期支护喷射混凝土出现开裂错位、剥离掉块；线路右侧起拱线以上2m左右钢架出现扭曲变形、局部呈“Z”字形，其中一榀钢架断裂，线路左侧拱部初期支护拱墙侵入二衬限界，如图2所示。

图2（a） 初期支护喷射混凝土破坏

图2（b）初期支护钢架断裂破坏

图2 D1K255+760～+756段初期支护变形破坏情况

D1K255+794.5～+756段采用两台阶法开挖，监控量测采用无接触式测量，测点布设于拱顶和边墙脚以上1m范围内，拱顶下沉及边墙收敛变形监测速率小于5mm/d，拱顶下沉累积为8.35cm，边墙收敛累积小于2cm，后辅以断面扫描仪扫描初期支护断面，断面数据分析线路左侧（进洞右侧）初期支护（主要集中在上台阶钢架A单元）侵入二次衬砌限界5～15cm，根据监控量测数据、隧道断面扫描仪扫描数据以及初期支护的变形破坏形态模拟该段变形破坏特性示意图，如图3所示。

图3 D1K255+794.5～+756段初期支护的变形破坏特性示意图

2.2 变形破坏机理分析

2.2.1 地质构造方面。

红桥关隧道D1K255+794.5～+756段属于岷江活动断裂北段，该段岩性主要为三叠系上统侏倭组灰黑色板岩、砂岩夹炭质板岩，岩石强-弱风化，岩质较软，围岩较破碎，岩层结构面产状N35°E/46°NW，倾向线路左侧（掌子面右侧），倾角与线路交角约60°； D1K255+785～+783段、D1K255+760～+756段线路右侧起拱线以上2m左右有少量裂隙渗水，与钢架扭曲变形、钢架断裂及喷射混凝土开裂错位、剥离掉块严重部位基本吻合。

该段开挖揭示的地质构造，掌子面中部为强风化炭质板岩，因受多期地震作用，岩体极为破碎，劈裂化效应极为明显，岩体强度较低；两侧为弱风化砂岩夹炭质板岩，岩体结构完整性较好，岩体强度较高。如图4所示。

图4 D1K255+794.5～+756段掌子面开挖揭示的实际围岩地质构造

由图4可知，中部围岩较差，两侧围岩较好，地质构造以及地质岩性分界较为明显，围岩地质偏压较为明显，加之围岩有少量裂隙渗水，加剧了中部强风化炭质板岩的恶化，开挖、初期支护施作后，地质偏压引起应力偏压、集中，应力集中于中部初期支护体系上。

通过该段初期支护的变形破坏形态、测量数据综合分析图3和图4可知，钢架扭曲变形、钢架断裂及喷射混凝土开裂错位、剥离掉块严重部位与地质不利构造基本吻合。

2.2.2 地应力方面。

红桥关隧道D1K255+794.5～+756段埋深约325m，岩体的自重应力随着埋深呈线性增长，岩体的自重应力超过了岩体的弹性限度，在初始应力状态下岩体处于弹性状态，开挖后围岩的二次应力分布，应力状态超过了岩体的强度，因岩体少量裂隙渗水恶化，使围岩产生较大的塑性变形。

2.2.3 初期支护施工参数方面。

由于前期隧道施工过程中对地质构造以及地应力的影响程度认识不明，施工中采取Ⅳ级围岩支护参数，钢架采用的是工16工字钢，间距1.2米/榀；系统锚杆拱部采用3.5m长Φ22组合中空锚杆，边墙采用3.5m长Φ22全长粘结型砂浆锚杆，间距1.2×1.2m（环×纵）；喷射混凝土采用C30耐腐蚀混凝土，最小厚度23cm。

工16工字钢承载力偏弱且间距过大，系统锚杆施作长度未达到岩体结构完整、强度较高的岩体中，其支护效果不明显。初期支护体系不足以承载开挖后作用于其上的围岩二次分布应力。

综上分析可知：红桥关隧道D1K255+794.5～+756段因多期地震作用导致围岩极为破碎、岩质较软、地质不利构造导致应力偏压及集中、地下水软化围岩、地应力和初期支护施工参数偏弱等综合不利因素作用下，以围岩松散性变形为主、挤压性变形为辅的变形特性，导致了该段初期支护体系出现钢架扭曲变形、钢架断裂及喷射混凝土开裂错位、剥离掉块等变形破坏。

3.变形破坏控制技术

3.1变形破坏加固控制技术

D1K255+794.5～+756段变形破坏后立即加设工20b工字钢套拱，于既有初期支护钢架间加设，间距1.2m/榀，如图5所示；连接筋HRB400Φ22钢筋，环向间距1.0m；锁脚锚管采用4.0m长Φ42/t=3.5mm热轧无缝钢花管，于每钢架单元拱脚处设置2根，外插角大、小下插角（20°和40°），每榀共8根；施作5m长Φ42/t=3.5mm径向钢花管注浆加固，钢花管间距1.2m×1.0m（纵×环），注浆采用1：1水泥净浆，注浆压力0.5～1.0MPa，固结洞周一定范围的破碎岩体，使其具有一定的自承载能力和承载能力，如图6所示；套拱喷射C30混凝土，厚度不小于15cm。

图5 工20b工字钢套拱

图6 径向钢花管注浆加固

3.2变形监测技术

（1）监控量测点加密至3m布设一组，并于拱顶，钢架A单元、B单元和C单元拱脚以上1m范围内分别布设，即由两台阶开挖法布设两条水平收敛测线增加为三条水平收敛测线。

（2）监控量测采用绝对坐标量测，并与洞内控制点联测，即独立采集各测点的三维变形数据，对各测点X、Y、Z三个方向的变形数据进行独立分析。

（3）辅以隧道断面扫描仪扫描各断面数据，扫描断面同监控量测断面，对未布设监控量测点的断面加密至1m一组。

（4）监测频率：2次/天，待变形趋于稳定后可1次/天。

通过上述变形监测技术手段，可分析、得出初期支护体系的相对准确的变形时态。经监控量测和断面扫面仪的量测数据进行综合分析、评价，加设套拱以及径向注浆加固后3天内的变形速率4～5mm/d；此后变形速率小于1mm/d；累积变形小于5cm。

3.3变形破坏侵限处理技术

待变形稳定后，对初期支护变形破坏侵入二次衬砌限界的初期支护进行拆除换拱处理。

（1）对D1K255+794.5～+780段已施作仰拱段，拆除矮边墙以上部分拱墙既有初期支护，将既有工16工字钢拆换为HW175型钢钢架，间距1.2m/榀；钢筋网采用HPB300Φ8钢筋，网格尺寸20cm×20cm，设置双层；连接筋采用HRB400Φ22钢筋，环向间距0.5m/根；于A、B单元钢架脚以上50cm范围内施作4根6m长Φ42/t=3.5mm锁脚锚花管注浆，C单元（矮边墙处）钢架脚以上50cm范围内施作8根6m长Φ42/t=3.5mm锁脚锚花管注浆，外插角采用大、小下插角（20°和40°）每榀共12根；系统锚杆拱部采用4m长Φ28自进式锚杆注浆，边墙采用8m长Φ28自进式锚杆注浆， 间距1.2m×1.2m（环×纵）；喷射C30耐腐蚀混凝土，拱墙厚度不小于27cm。

（2）D1K255+780～+756段未施作仰拱段，拆除拱墙既有初期支护，将既有工16工字钢拆换为HW175型钢钢架且仰拱初期支护钢架成环，间距0.8m/榀；钢筋网采用HPB300Φ8钢筋，网格尺寸20cm×20cm，设置单层；连接筋采用HRB400Φ22钢筋，环向间距1.0m/根；于A、B、C单元钢架脚施作4根6m长Φ42/t=3.5mm锁脚锚花管注浆，每榀共12根；系统锚杆拱部采用4m长Φ28自进式锚杆注浆，边墙采用8m长Φ28自进式锚杆注浆， 间距1.2m×0.8m（环×纵）；初期支护喷射C30耐腐蚀混凝土，拱墙厚度不小于27cm，仰拱厚度不小于25cm。

（3）套拱及初期支护拆除采用人工辅助破碎头拆除，且拆除一榀支护一榀。

（4）对D1K255+794.5～+780段已施作仰拱段，拆除时应确保该段矮边墙以上50cm范围内工16工字钢钢架不变形，采用破碎头松动喷射混凝土后人工凿除、清理， 清理后焊接与上部HW175型钢钢架同规格、尺寸的连接钢板并确保焊接质量，使之能与上部HW175型钢钢架连接钢板密贴栓接。

（5）拆除过程中对原施作的系统锚杆和径向注浆管进行保护不切割，只拆除原施作的系统锚杆的垫板及螺母，待换拱后重新安装垫板和螺母，使之能与换拱后的初期支护体系共同工作。

（6）监控量测加密至3m布设一组，并于拱顶，钢架A单元、B单元和C单元拱脚以上1m范围内分别布设，采用三条水平收敛测线且采用绝对坐标量测，并辅以隧道断面扫描仪扫面断面，进行综合分析。

4 .变形破坏控制效果

调整、加强初期支护施工参数后，经监控量测数据和断面扫描数据综合分析、评价，该段初期支护体系安全、稳定，未出现较大的变形和喷射混凝土开裂、剥离掉块以及钢架扭曲等情况。

5.结论

通过红桥关隧道D1K255+794.5～+756段大变形变形机理分析和变形破坏后的施工、实践，得出如下结论：

（1）加强超前地质预报综合判释。采用物探（TSP303、红外探水）、钻探（超前水平地质钻探、加深炮孔）和地质法（开挖面地质素描、地表补充地质调查）等综合评价，正确判释前方地质条件，为正确选择开挖方法、支护参数，优化设计及施工方案提拱参考。

（2）加强监控量测工作。结合超前地质预报对地质条件判释，及时调整监测断面间距和监测测线，测量时与洞内控制点联测且采用绝对坐标监测，独立采集各测点的三维变形数据，对各测点X、Y、Z三个方向的变形数据进行独立分析；并结合隧道断面扫描仪扫描数据对监控量测数据进行综合分析，及时调整支护参数、开挖预留变形量。

（3）当遇到不利地质构造时，应采用径向注浆或施作长锚杆，固结洞周破碎岩体使松动圈形成一个固结体，充分利用围岩的自承能力。

（4）对围岩极为破碎、岩质较软、地质偏压段应采取“先强后优化” “以抗为主”的原则，支护一次到位，利用强支护及时封闭围岩，抑制松动圈扩大，避免初期支护体系的变形破坏。

参考文献：

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