靳宝成

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

杨河隧道的变形控制标准与支护措施的关系

靳宝成

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

杨河隧道地质构造复杂，洞身出现长段落炭质片岩，岩体自身强度弱、稳定性差，遇水化泥，极易坍塌。隧道掘进后，围岩变形严重，导致初期支护钢拱架扭曲、坍塌，安全控制及施工难度大。根据实测变形时态曲线和围岩压力时态曲线，应用蠕变模型反演了岩石流变参数，分析了隧道炭质片岩地段施工大变形的机理和特征;提出了炭质片岩分级标准对应的防治措施。研究取得了复杂炭质片岩条件下软弱围岩大变形控制技术突破，形成了复杂炭质片岩条件下控制隧道大变形的快速施工方法。

隧道;变形;支护

随着我国公路、铁路建设的不断发展，隧道工程已向长大、深埋方向发展，随之而来的穿越地质环境恶劣的工程不断涌现，其中穿越软弱地层一直是困扰建设者的重大难题之一［1］。以往软岩的研究主要集中在对膨胀性软岩、高应力软岩以及节理化软岩的力学机理方面，并且研究侧重于基础理论，而忽视了理论应用于实践的最终环节——施工方面的研究［2］。因此，对软岩条件下的支护形式及施工开挖方式有待做出明确深入的研究。

杨河隧道为襄渝二线重点控制工程之一，笔者从现场的变形监控量测数据着手，分析杨河隧道不同段落内的隧道变形形态以及特征，得出了变形控制标准与支护措施的关系，形成了成套控制炭质片岩软岩大变形的施工技术。

1 工程概况

杨河隧道全长4 480 m，设计时速为160 km/h的单线隧道。除进口187.71 m位于半径为5 000 m的曲线上外，其余地段均位于直线上;线路坡度除出口32 m位于平坡上外，其余地段均位于坡率为4.5‰的单面下坡上［3］，在 DZK 256+300 处设西河湾横洞。洞身通过地层主要为志留系下统片岩，石英云母片岩、炭质片岩、云母片岩互层产出。施工过程中遇到的主要地质问题为:不同段落揭露的炭质片岩，洞内出水主要为基岩裂隙水，主要呈滴水或面状渗水，水量虽然不大，但易造成围岩软化。

2 施工难点

杨河隧道在实际施工时，主要遇到了支护变形、衬砌裂缝及塌方等破坏形态，工程中的主要难点有以下几个方面［4］:

1）地质条件极差，围岩十分软弱，围岩多次受施工的扰动，变形较大，施工极为困难。

2）由于地层软弱，原设计断面形式的稳定性不易控制，支护结构整体变形很大，很难控制围岩的变形及稳定。

3）支护对策以及支护参数较难确定。由于软弱破碎围岩受力机理复杂，以多种变形机理组合出现，因此要对不同的支护对策进行周密的分析对比，从中确定合理而有效的支护措施。同时，由于围岩试验参数的偏差，围岩复杂的变形机理和随时可能变化的地质情况都使相应的支护参数很难确定通用的方案，必须具体情况具体分析，不断根据现场情况进行分析调整［5］。

4）由于开挖引起的时空效应明显，必须选择合理有效的开挖方式，将由于开挖而对围岩引起的二次扰动降到最小，并确定合理的开挖进尺及步距。

5）隧道支护结构变形大是在施工过程中遇到的最主要的破坏形式，为此在施工过程中对隧道的变形需要进行大量的监控量测，并进行详细的分析。

3 隧道变形控制技术

3.1 隧道围岩变形特征

3.1.1 隧道变形形态

对隧道内初期变形较大的典型地段监控量测结果进行分析对比后可知，隧道产生较大水平收敛变形形态主要为初期变形较小、初期变形较大、初期变形大且有明显流变性这3种方式（图1）。

图1 隧道的变形形态特征Fig.1 Deformation characteristics of tunnel

1）初期变形较小

初期变形相对较小〔图1（a）〕，水平变形多数为20 cm左右，普遍小于50 cm，拱顶竖向变形小于水平变形，大约为15～20 cm，当仰拱封闭时，隧道变形趋于稳定（90%最大值），时间约为25 d左右，此种变形主要位于靠近隧道进出口地段，以及围岩相对较好的呈透镜体或薄夹层状存在的石英云母片岩和云母片岩地层，典型断面的水平收敛以及拱顶沉降变化时程曲线见图2。

图2 典型断面（DZK256+105）的位移变化时程曲线Fig.2 Displacement-time curve of DZK256+105 section

2）初期变形较大

初期变形相对较大〔图1（b）〕，水平变形多数为50 cm左右，普遍小于100 cm，拱顶竖向变形小于水平变形，大约为30～50 cm，当仰拱封闭一段时间后，隧道变形趋于稳定（90%最大值），时间大于30 d，此种变形主要位于洞身中部，呈互层状存在的石英云母片岩和云母片岩地层。图3为典型断面的水平收敛以及拱顶沉降变化时程曲线。

图3 典型断面（DZK256+425）的位移变化时程曲线Fig.3 Displacement-time curve of DZK256+425 section

3）变形大，且有明显流变性

变形很大，变形趋势表现出明显的流变特性〔图1（c）〕，隧道水平变形在施工工序交替处均有明显的变化以及流动变形，表现出两次，甚至多次空间效应;最终变形值大于100 cm。围岩变形稳定时间超过两个月，隧道此种变形主要发生在呈厚层或带状分布于隧道洞身的炭质片岩夹石英云母片岩，受构造影响较严重的地段。图4为断面DZK256+585处的水平以及竖向变形时程曲线。

图4 DZK256+585典型断面的位移变化时程曲线Fig.4 Displacement-time curve of DZK256+585 section

3.1.2 隧道变形规律

经过对实测数据的分析及回归，隧道变形同时存在以下特征和规律。

现场测试显示，初期位移速率（日增量）与日进尺大小有较大的关联性（图5）。因此控制进尺是解决初期位移速率过大的有效手段。

图5 位移速率与进尺关系Fig.5 Displacement rate-excavation footage curve

3.2 隧道变形控制标准与支护措施的关系分析

通过对隧道内围岩的赋存形式、分布状态以及围岩变形形态及规律的分析，提出了杨河隧道初期支护的3级变形速率管理等级。各级变形管理标准见表1，围岩变形处于一般变形范围（I级）时可按正常进度进行施工;变形处于中等范围（II级）时应及时施作二次衬砌或是加强支护;当变形较为严重（III级）时，施工应马上停止，采取有效的防坍塌和加固措施。

以杨河隧道为例，针对不同的管理等级，选取了对应的支护措施。

表1 杨河隧道变形管理基准Table1 Deformation administration benchmark of Yanghe tunnel

3.2.1 一般变形控制地段

杨河隧道炭质片岩呈透镜体或薄夹层状存在地段，以及隧道进出口地段为一般变形控制地段。炭质片岩呈透镜体或薄夹层状存在于石英云母片岩和云母片岩中时，对围岩的整体稳定性影响不大，通过降低围岩级别、适当加强支护措施、缩短台阶长度等措施即可解决问题。针对Ⅳ、Ⅴ级围岩的具体措施为:

1）对于Ⅳ级围岩，聚丙烯纤维喷混凝土厚18 cm，拱部挂钢筋网，拱墙设1榀/m的H125型钢架，拱墙设系统锚杆，长2.5 m，间距1 m×1 m;二次衬砌采用C25混凝土，拱墙厚35 cm，仰拱厚40 cm。

2）对于Ⅴ级围岩，聚丙烯纤维喷混凝土厚22 cm，全断面挂钢筋网，拱墙设1～1.5榀/m的格栅钢架，拱部必要时设Φ42超前小导管注浆进行超前支护，小导管长3.5 m，间距30 cm;拱墙设系统锚杆，长3.0 m，间距1 m×1 m;二次衬砌采用C25混凝土或C30钢筋混凝土，拱墙及仰拱厚40 cm。

现场施工效果表明，在采取以上工程措施以后，炭质片岩地段的变形和塌方得到控制，施工顺利通过。

3.2.2 中等变形控制地段

杨河隧道围岩多数以炭质片岩呈互层状存在地段，以及隧道洞身中部的局部地段为中等变形控制地段。炭质片岩呈互层状存在于石英云母片岩和云母片岩中，片理面有扭曲现象，节理发育，一般地下水较为发育，在地下水的作用下，炭质片岩易软化变形，强度和稳定性降低，对围岩的整体稳定性有较大影响。因此，当围岩判定为Ⅴ级后，通过进一步的加强措施、超短台阶开挖、及时封闭、及早衬砌等措施来解决。

具体措施为:聚丙烯纤维喷混凝土厚22～25 cm，全断面挂钢筋网，拱墙设1.5～2榀/m的I 16或I 18型钢钢架，拱部设Φ42超前小导管注浆加固围岩，小导管长3.5 m，间距30 cm;拱墙设系统锚杆，长3.0 m，间距1 m×1 m;有炭质片岩夹层侧必要时采用小导管进行径向注浆，以改善塑性区地层条件，小导管长4～5 m，间距1 m×1 m;二次衬砌采用C30钢筋混凝土，拱墙及仰拱厚40～50 cm。

现场施工效果表明，炭质片岩呈互层状存地段通过加强措施以后，围岩变形和坍塌得到了有效控制，保证了施工的正常进行。

3.2.3 严重变形控制地段

此地段即为杨河隧道厚层状或带状炭质片岩地段以及受构造影响较为严重的地段。分析可以看出，处于此地段的隧道变形是最为严重，并且由于围岩表现出明显的流变特性，因此能否有效地控制此地段的隧道变形是决定杨河隧道能否安全、顺利完工的控制地段［6］。有鉴于此，对此种地段的变形控制提出了长锚杆加固、刚性支护以及分层加强支护3种支护方式（图6）。

图6 不同支护措施示意Fig.6 Schematic diagram of different supporting measures

1）长锚杆加固塑性圈〔图6（a）〕的锚杆长度根据塑性区范围及软质片岩厚度分别设置为8～12 m不等，锚杆采用R32N自进式锚杆，间距为1～1.2 m，结合锚杆向围岩中压注水泥浆液。

2）刚性支护措施〔图6（b）〕是在隧道开挖后采用喷混凝土封闭岩面，随后及时施作模筑混凝土支护，模筑混凝土中设格栅钢架，共同形成钢筋混凝土的刚性支护结构，以抑止围岩塑性变形。

3）双层支护措施〔图6（c）〕的支护结构形式为“第1层初期支护 +第2层加强支护+模筑衬砌”，第1层初期支护为喷、锚、网及钢架组成的联合柔性支护，在加固围岩的同时允许部分释放围岩变形产生的能量;第2层支护为钢格栅喷混凝土结构，以加强初期支护，进一步抑制围岩变形，并为二次衬砌的安全施作提供条件［7］。模筑衬砌为C30钢筋混凝土结构，在两层支护加固后围岩基本稳定的情况下施作。

以上3种支护方式都能有效的控制围岩的变形，但是长锚杆加固塑性圈和刚性支护措施相比双层支护措施存在着一些的缺点。长锚杆加固塑性圈施工难度大、周期长、工序干扰大、费用高;刚性支护不利于围岩开挖后变形能量的瞬时释放，导致结构承受较大的围岩压力，在地应力水平高、塑性变形大的情况下容易开裂。

双层支护虽然也存在施工繁琐的弊病，但是工序间的施工干扰小，并且杨河隧道前期软岩地段内的支护措施以及施工证明，隧道采用一次支护来维护围岩一般是难以成功的，因为它不适应隧道初期变形量大、变形速度快的特点。一次支护主要是加固围岩，提高其残余强度，使围岩不产生过度膨胀和剪胀变形。二次支护要在围岩变形稳定后适时完成，给隧道围岩提供最终支护强度和刚度，以保持隧道较长时间的稳定性和安全储备。并且实际施工时的监测数据也印证了这种支护方式能提供较高的支护效果。因此，综合分析后提出杨河隧道厚层状软岩地段内的支护方式采用分层加强支护措施，施工方法采用三台阶开挖［8］，最大程度的减小围岩临空面面积，主要工序以及台阶长度、高度见图7。

图7 三台阶开挖法施工工序示意Fig.7 Schematic diagram of three-step tunneling method

图8为典型断面利用一次支护采用长台阶法施工，与二次支护（双层支护）采用三台阶法施工时拱脚水平收敛与拱顶沉降时态变化曲线。

图8 一次支护、长台阶法与二次支护、三台阶法施工位移变化对比Fig.8 Displacement change contrast curve between once supporting long step，twice supporting and three steps method

4 结论

通过对杨河隧道变形的监测、研究与分析，得到如下结论:

1）隧道开挖后出现具有流变特征的塑性变形，具有变形大、持续时间长，变形过程可分为阻尼、匀速变形和加速变形3个阶段，水平位移大于拱顶下沉，变形难以收敛等4个特征。

2）施工工序是控制软岩变形的关键环节，施工中应突出“快”字，严格贯彻“短开挖、强支护、早封闭、快成环”的原则，合理确定台阶长度和高度，及早形成环状受力结构。地层极破碎地段可通过预留核心土、设临时仰拱等措施来抑制围岩变形。

3）炭质片岩分布具有较大的不确定性，难以准确查清其具体分段里程及流变特性，只能根据现场开挖过程中揭示的地质情况确定，结合动态调整进行优化设计。

（References）:

［1］ TZ 204—2008铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

TZ 204—2008 Railway Tunnel Engineering Technology Guide for Construction［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2008.

［2］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

Wang Mengsu.Tunnel and Underground Engineering Technology in China［M］.Beijing:China Communications Press，2010.

［3］ TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

TB 10003—2005 Code for Design on Tunnel of Railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2005.

［4］ 黄双林.襄渝二线炭质片岩隧道变形控制技术初步探讨［J］.铁道标准设计，2007（增刊1）:33-36.

Huang Shuanglin.Discussion on technology for deformation control ofcarbonaceous schisttunnelin second line ofXiangfan—Chongqing railway［J］.Railway Standard Design，2007（supp1）:33-36.

［5］ 关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2011.

Guan Baoshu，Zhao Yong.Construction Technique of Soft Rock Tunnel［M］.Beijing:China Communications Press，2011.

［6］ 铁道部工程管理中心.乌鞘岭特长铁路隧道修建技术与工程管理［M］.成都:西南交通大学出版社，2009.

Ministry of Railways Engineering Management Center.Wushaoling Railway Tunnel Construction Technology and Project Management［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University Press，2009.

［7］ 关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2011.

Guan Baoshu.Tunnel Engineering Construction［M］.Beijing:China Communications Press，2011.

［8］ TB 10204—2002铁路隧道施工规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

TB 10204—2002 Code for Construction on Tunnel of Railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2002.

Relationship between Deformation Control Standard and Supporting Measures of Yanghe Tunnel

Jin Baocheng
（China Railway First Survey ＆ Design Institute Group Co.Ltd.，Xi’an 710043，Shannxi，China）

Yanghe tunnel has the particularities of complex.Hole body of Yanghe tunnel appears long paragraphs carbonaceous schist，weak rock strength，poor stability and it is easy to melt into mud with water and vulnerable to collapse.Tunnel boring and serious deformation of surrounding rock result in severe deformation and collapse of initial supporting steel arch，which means that the security control and construction is of difficulty.According to the deformation time curve and time curve of surrounding rock pressure measured in field test，creep model inversion theological parameters are adopted，to analyze the mechanisms and characteristics of the tunnel carbonaceous schist lot of construction of large deformation.Control measures corresponding with carbonaceous schist grading standards are proposed，which is the technology breakthrough of deformation control of complex carbonaceous schist condition weak wall rock.Fast construction method for large deformation control of the tunnel under complex carbonaceous schist conditions is obtained.

tunnel;deformation;supporting

U455.4

A

1674-0696（2013）02-0224-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.12

2012-05-20;

2012-10-15

靳宝成（1976—），男，甘肃会宁人，高级工程师，主要从事隧道工程方面的工作。E-mail:jbcwlq@126.com。