昔格达地层隧道围岩及初期支护变形规律研究

舒东利， 杨建民， 朱麟晨

(中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

昔格达地层隧道围岩及初期支护变形规律研究

舒东利， 杨建民， 朱麟晨

(中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

为探明昔格达地层隧道开挖过程中初期支护背后空隙注浆的时机以及预留变形量的大小，以成昆复线铁路昔格达地层隧道为背景，采用现场实测与统计分析的方法对昔格达地层隧道围岩和初期支护的变形规律以及预留变形量进行深入分析。研究结果表明： 1)昔格达地层隧道上台阶开挖后初期支护与围岩间存在初始空隙，拱顶围岩与初期支护间的差异沉降为1～2 mm，受地质、埋深及施工等因素影响，中台阶开挖较易引起隧道塌方，建议中台阶开挖前对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填。2)昔格达地层隧道预留变形量可根据掌子面施工揭示围岩情况调整，若施工揭示的昔格达组以页岩为主，建议预留变形量设置为24～30 mm； 若施工揭示的昔格达组以砂岩为主，建议预留变形量设置为118～123 mm。

昔格达地层； 隧道围岩； 初期支护； 差异沉降； 注浆回填； 预留变形量

0 引言

第三系昔格达地层主要分布于四川南部金沙江、雅砻江和大渡河等河谷中，典型昔格达地层主要集中在攀枝花和西昌等地。昔格达地层主要由灰黑色泥岩、页岩和灰黄色砂岩组成，岩层产状平缓，节理多为陡倾。中—微风化昔格达地层基本承载力可达到250～350 kPa，强风化昔格达地层基本承载力仅180～200 kPa。昔格达地层具有强度低、胶结弱、变形大及遇水易崩解软化的特点。隧道施工中遇到昔格达地层，特别是地下水较丰富的地段，如果不进行处理往往会造成初期支护侵限、掌子面塌方和洞口滑坡等危害。昔格达地层运营隧道多出现拱部空洞、掉块和基础翻浆冒泥等病害。

目前关于昔格达地层的研究较多，曾强等[1]通过三轴试验对昔格达组粉砂和黏土剪模阻特性进行了研究； 汪杰等[2]对昔格达加筋灰土抗剪强度的影响因素进行了试验分析； 赵东平等[3]和菅磊等[4]等对软弱围岩大断面隧道预留变形量的设置进行了研究； 文献[5-7]对软弱围岩隧道的变形及控制技术进行了研究； 黄绍槟等[8]对西攀路昔格达地层滑坡特性及成因进行了分析； 孙长升[9]和吴磊[10]分别通过室内试验和模型试验对昔格达地层隧道围岩的稳定性进行了分析； 刘强[11]对昔格达地层隧道的施工及结构问题进行了研究； 卢爱民[12]对丽攀高速华坪隧道的昔格达地层工程特性进行了试验研究； 王志杰等[13]、孟祥磊[14]和许瑞宁[15]对成昆线昔格达地层隧道的变形规律及支护结构进行了研究。另外，四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院联合四川攀西高速公路公司、西南交通大学、成都理工大学和四川大学组成“昔格达地层公路修建技术研究”课题组，以西攀公路为依托，针对昔格达地层的工程特性进行了一系列的研究。

目前在开挖面积超过110 m2的大断面昔格达地层隧道修建技术方面的研究还是空白。本研究依托成昆复线铁路隧道工程，采用现场实测与统计分析的方法，对隧道拱顶围岩与初期支护的差异沉降以及预留变形量进行研究分析，以期为昔格达地层隧道的设计和施工提供参考。

1 工程概况

1.1 线路概况

成昆复线为设计车速160 km/h的客货共线双线电力牵引铁路。成昆复线米易至攀枝花段共18座隧道，其中，10座隧道穿越昔格达地层，昔格达地层长度总计约10.4 km。成昆复线米攀段昔格达地层隧道分布情况见表1。

1.2 工程地质和水文地质情况

隧区穿越的昔格达地层主要为〈11-1〉页岩夹砂岩、〈11-2〉砂岩夹页岩、〈11-3〉砾岩。页岩呈灰黑、灰、灰白色；砂岩呈灰黄、深灰色，泥质、粉砂质结构，薄—中层状，泥质胶结，仅存在少量钙质胶结，陡倾节理发育，质软，手捏易呈土状或粉砂状，为半成岩，易风化剥落，遇水易软化崩解；砾岩呈浅灰、灰褐、兰灰色，成岩作用差，泥质胶结。

隧区内地表水总体不发育，多以季节性沟水为主，主要分布于五马箐沟、回箐沟及白沙沟等地，水量随季节变化较大，旱季水流较小，雨季流量骤增，受大气降水补给，主要以蒸发、下渗及地表径流等形式排泄。地下水主要为基岩裂隙水、断层带水及岩溶水，多以渗流形式由隧道左侧向隧道右侧安宁河河谷低洼地带排泄，主要受大气降水和地表水补给。

1.3 隧道支护结构

根据地质判别，昔格达地层为Ⅴ级围岩，采用Vb型复合式衬砌支护，开挖面积为124.67 m2，设计断面如图1所示。

图1 隧道断面设计图(单位： cm)

Vb型衬砌初期支护拱墙喷射混凝土厚度为27 cm，仰拱喷射混凝土厚度为25 cm，锚杆长度为3.5 m，间距为1.2 m×1.1 m(环向×纵向)； 二次衬砌采用钢筋混凝土，厚度为50 cm。

2 隧道拱顶围岩与初期支护差异沉降分析

为探明昔格达地层隧道初期支护与围岩之间空隙的变化规律、围岩与初期支护是否共同变形、初期支护受力条件等问题，在隧道拱顶围岩和初期支护位置布置沉降观测点，现场实测围岩与初期支护的沉降。定义差异沉降为围岩沉降与初期支护沉降差值的绝对值。

2.1 监测点布设

在初期支护拱顶钢架焊接钢管，锚杆通过钢管深入围岩，在锚杆端头部位贴反光膜片(WY-1—WY-3)，采用全站仪测得拱顶围岩的沉降。在初期支护喷射混凝土与围岩测点相近的位置贴反光膜片(CZ-1—CZ-3)，采用全站仪测得拱顶初期支护的沉降。测点布设示意图如图2所示。测点布设的现场照片如图3所示。

图2 测点布设示意图

图3 测点布设的现场照片

采用高精度的净空三维非接触观测方法量测拱顶沉降。观测系统由高精度的全站仪、便携式微机和回复式反光测点(徕卡反射膜片)组成，量测精度控制为0.1 mm。

2.2 监测结果

拱顶测点共3组，2个对称测点的拱顶沉降规律较为类似，以小红山隧道D1K535+555断面和朱家隧道D1K533+381断面为例，测得拱顶围岩和初期支护的沉降，沉降时程曲线如图4所示。

由图4可知： 上台阶开挖期间围岩与初期支护的沉降变化趋势相同，上台阶开挖后急速下沉5～10 mm；中台阶开挖期间，沉降继续增大，围岩与初期支护沉降开始出现差异，围岩下沉较初期支护多1～2 mm；下台阶开挖至仰拱闭合，围岩与初期支护沉降差变化不大，直至沉降稳定。

上台阶开挖时围岩与初期支护沉降速率一致，中台阶开挖时围岩与初期支护出现差异沉降，说明上台阶开挖支护完成后初期支护与围岩之间仍存在1～2 mm的空隙。中台阶开挖过程中围岩比初期支护下沉大，此时围岩下沉填补空隙，并逐渐与初期支护紧贴，此时极易引起隧道塌方，因此建议在中台阶开挖前对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填。

(a) 小红山隧道D1K535+555断面WY-1(CZ-1)测点

(b) 小红山隧道D1K535+555断面WY-2(CZ-2)测点

(c) 朱家隧道D1K533+381断面WY-1(CZ-1)测点

(d) 朱家隧道D1K533+381断面WY-2(CZ-2)测点

Fig. 4 Time-history curves of differential settlement of tunnel crown top(in 2015)

在小红山隧道与朱家隧道共布设了6个监测断面，拱顶围岩与初期支护的绝对沉降和差异沉降取监测结果的平均值，如表2所示。

表2拱顶围岩与初期支护的绝对沉降和差异沉降

Table 2 Absolute settlement and differential settlement between surrounding rock and primary support of tunnel crown top

mm

由表2可知： 围岩拱顶沉降的最大平均值为22.67 mm，最小平均值为13.67 mm； 初期支护拱顶沉降的最大平均值为20.67 mm，最小平均值为13.00 mm； 围岩与初期支护差异沉降的最大平均值为2 mm，最小平均值为0.67 mm。

2.3 塌方案例分析

垭口双线隧道全长12 447 m，进口0～850 m段位于昔格达〈11-1〉页岩夹砂岩及〈11-2〉砂岩夹页岩地层中，进口处最大埋深为65 m。

2014年11月6日，垭口隧道进口D2K540+283处发生塌方，初期支护破坏，掌子面挤出，地表塌陷。塌方段隧道拱顶位于〈11-2〉砂岩夹页岩中，埋深20 m，地表陷坑深7 m。隧道塌方及地表陷坑现场照片如图5所示。

(a) 隧道塌方

(b) 地表陷坑

塌方断面处地表及拱顶沉降曲线如图6所示。上台阶开挖后地表及拱顶沉降均较小，不超过10 mm。中台阶开挖过程中地表沉降与拱顶沉降均迅速发展，拱顶沉降增至87 mm左右，地表沉降增至28 mm左右。由于沉降过大，沉降速率过快，现场停止施工，2014年11月6日D2K540+283断面发生塌方及地表沉陷。

图6 塌方断面处地表及拱顶沉降曲线(2014年)

Fig. 6 Settlement curves of ground surface and tunnel crown top at collapse section(in 2014)

塌方段位于条件较差的砂岩夹页岩地层中，埋深较浅，且由于地表水下渗，导致围岩恶化，塌落拱高度增大。塌方正是发生于中台阶开挖过程中，塌方荷载增大，加之围岩与初期支护之间存在空隙，且未及时对空隙进行注浆回填，围岩不能自承而迅速下沉，初期支护承担荷载增大且受到围岩下沉的冲击力，最终导致初期支护出现过大的变形，进而引起塌方。因此，在中台阶开挖前及时对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填是保证隧道结构稳定的良策。

3 昔格达地层隧道预留变形量分析

在TZ 204—2008《铁路隧道工程施工技术指南》[16]中，预留变形量的定义为针对围岩预计变形量而将设计隧道开挖断面适当扩大的预留量。预留变形量过小，容易造成初期支护侵限，不能满足隧道净空要求； 预留变形量过大，则会造成超挖严重，影响投资以及施工进度。因此，合理设置预留变形量对隧道施工至关重要。满足概率的定义为初期支护变形量小于等于给定值的统计监测点个数占总统计监测点个数的百分比。

3.1 昔格达地层隧道预留变形量

成昆复线米攀段昔格达地层隧道共10座，本次统计的昔格达隧道共7座，分别是米易隧道、朱家隧道、小红山隧道、坡脚底隧道、桐梓林隧道、那招隧道和垭口隧道，共148个测点。监测隧道的测点统计见表3。

统计隧道的拱顶沉降时同样采取高精度的净空三维非接触观测方法，量测精度控制为0.1 mm。

表3 监测隧道测点统计

以7座隧道的拱顶沉降监测数据为依据，给定不同的预留变形量，其满足概率如图7所示。

图7 昔格达地层隧道的预留变形量及满足概率

Fig. 7 Reserved deformation and satisfaction ratio of tunnel in Xigeda Formation

由图7可知: 预留变形量分别取80、90、120 mm时，满足概率分别为86%、91%、99%。考虑到现场数据具有一定的离散型，并兼顾较高的满足概率，建议昔格达地层隧道预留变形量设置为90～120 mm。此建议值与TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[17]中Ⅴ级围岩双线隧道的预留变形量80～120 mm较为接近。

3.2 页岩夹砂岩昔格达地层隧道预留变形量

米易、朱家、小红山和坡脚底4座隧道的昔格达组以〈11-1〉页岩夹砂岩为主，页岩成分较高，为隔水层。以米易、朱家、小红山和坡脚底4座隧道的拱顶沉降监测数据为依据，给定不同的预留变形量，其满足概率如图8所示。

图8 页岩夹砂岩昔格达地层隧道预留变形量及满足概率

Fig. 8 Reserved deformation and satisfaction ratio of tunnel in Xigeda Formation with shale and little sandstone

由图8知: 预留变形量分别取20、24、30 mm时，满足概率分别为84%、91%、96%。页岩夹砂岩为隔水层，没有水的软化作用，昔格达组的承载力较高，因此可以减小预留变形量的设置值。考虑到现场数据具有一定的离散型，并兼顾较高的满足概率，建议页岩夹砂岩昔格达地层隧道预留变形量设置为24～30 mm。

3.3 砂岩夹页岩昔格达地层隧道预留变形量

桐梓林和垭口隧道昔格达组以〈11-2〉砂岩夹页岩为主，砂岩成分较大，为透水层。那招隧道监测断面昔格达组为〈11-1〉页岩夹砂岩，但距监测断面15 m处为〈11-2〉砂岩夹页岩，对隧道拱顶沉降有一定的影响。

以桐梓林、垭口和那招3座隧道的拱顶沉降监测数据为依据，给定不同的预留变形量，其满足概率如图9所示。

图9 砂岩夹页岩昔格达地层隧道预留变形量及满足概率

Fig. 9 Reserved deformation and satisfaction ratio of tunnel in Xigeda Formation with sandstone and little shale

由图9知: 预留变形量分别取115、118、123 mm时，其满足概率分别为87%、92%、97%。砂岩夹页岩为透水层，昔格达组遇水软化，承载力降低，因此应提高预留变形量设置值。考虑到现场数据具有一定的离散型，并兼顾较高的满足概率，建议砂岩夹页岩昔格达地层隧道预留变形量设置为118～123 mm。

4 结论与建议

本文依托成昆复线铁路昔格达隧道工程，通过现场实测与统计分析，得出以下结论：

1)昔格达地层隧道拱顶围岩与初期支护差异沉降为 1～2 mm，中台阶开挖时围岩比初期支护下沉大，极易引起隧道塌方。

2)通过垭口隧道进口塌方原因分析并结合拱顶的沉降规律，可知昔格达地层隧道中台阶开挖过程中极易引起隧道塌方，因此建议在中台阶开挖前对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填。

3)昔格达地层隧道预留变形量可根据掌子面施工揭示情况进行调整。如果施工揭示昔格达组以页岩为主，建议预留变形量设置为24～30 mm； 如果施工揭示昔格达组以砂岩为主，建议预留变形量设置为118～123 mm； 隧道设计中按围岩级别考虑时，建议预留变形量设置为90～120 mm。

本文的研究结论是基于攀西地区昔格达地层隧道的监测结果得出的，不同地区的昔格达组成分具有一定的差异性，围岩与初期支护的变形量会稍有不同，但可为其他地区昔格达地层隧道的沉降变形规律及预留变形量的设置提供一定的参考。因此，建议后续对其他地区的昔格达地层隧道做进一步的研究。

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StudyofDeformationLawofTunnelSurroundingRockandPrimarySupportinXigedaFormation

SHU Dongli, YANG Jianmin, ZHU Linchen

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

The backfill grouting time of hollow behind primary support of tunnel on Chengdu-Kunming Double-track Railway of Xigeda Formation and the reserved deformation need to be cleared. As a result, the deformation law of tunnel surrounding rock and primary support and reserved deformation in Xigeda Formation are further studied by site monitoring and statistical analysis method. The study results show that: 1) There is initial gaps between surrounding rock and primary support after top heading excavation; the differential settlement between surrounding rock and primary support of tunnel crown top is 1-2 mm; as a result of geological conditions, tunnel buried depth and construction conditions, middle bench excavation induced tunnel collapse should be paid attention to and backfill grouting should be carried out for hollow behind arch primary support before middle bench excavation. 2) The reserved deformation can be appropriately adjusted based on construction situation of tunnel face; the reserved deformation should be 24-30 mm when the shale takes the main component of Xigeda Formation, and that should be 118-123 mm when the sandstone takes the main component of Xigeda Formation.

Xigeda Formation; tunnel surrounding rock; primary support; differential settlement; backfill grouting; reserved deformation

2017-04-19;

2017-08-03

舒东利(1989—)，男，四川资阳人，2016年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，硕士，助理工程师，主要从事隧道及地下工程的设计研究工作。 E-mail： donglishu02@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.006

U 456.3+1

A

2096-4498(2017)12-1544-06