尹奇亮
（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）
摘要：成昆铁路扩能改造工程月直山隧道最大埋深约1810米，隧道地质复杂，存在高地应力区段，导致施工困难，稍有施工措施不当，将会带来一定后果。本文根据现场应力监测、围岩监控量测、支护加固施工等措施，避免因施工措施不当出现安全事故提供了参考依据，为了顺利推进通过高地应力区段提供了技术保障。
关键词：隧道；高地应力；分析；处置
中图分类号：U459.1;U455.49 文献标志码：A 文章编号：
The analysis and disposal of the high ground stress in the tunnel of Yue Zhi Shan
Yin Qiliang
(China Railway 18th Bureau Group Co. Ltd. ,Tianjin 300222,China)
Abstract:The maximum buried depth of Yuezhishan Tunnel in Chengdu-Kunming Railway Capacity Expansion and Reconstruction Project is about 1810 meters. The geology of the tunnel is complex and there are high geostress zones, which lead to difficulties in construction. A little improper construction measures will bring some consequences. According to the measures of on-site stress monitoring, surrounding rock monitoring measurement, support and reinforcement construction, this paper provides a reference basis for avoiding safety accidents due to improper construction measures, and provides a technical guarantee for smoothly advancing through high in-situ stress section.
Keywords:tunnel;high ground stress;analysis;disposal
1 引言
成昆铁路扩能改造工程线路大致分为构造剥蚀中高山、河谷阶地两个地貌单元区。构造剥蚀中高山受川滇经向构造体系和局部受该体系与青藏高原滇缅歹字型北西向构造体系复合的控制，西部和东部分属大雪山系和大凉山系，群山矗立，河流切割剧烈，高差悬殊。月直山隧道为成昆铁路控制性工程之一，全长14085米，属铁路特长隧道，鉴于隧道地形复杂、地质条件差、塌方、大变形、突泥突水、岩爆等安全风险极高，高地应力段落较长，工期风险极高，该隧道纳入Ⅰ级风险管理。隧道属横断山中高山地貌，地形起伏较大，大渡河深切，到处是悬崖绝壁，相对高差500～2700 m，最大埋深约1810 m。在高地应力软岩段落，软岩强度低、自稳差，加之受高地应力作用，隧道开挖后应力重新分布，使隧道周边产生较大的松动圈[1]。为减小初期支护变形，防止侵限，本文鉴于月直山隧道斜井转正洞小里程因初支变形换拱及加固，给现场施工带来诸多安全隐患和不良影响，通过高地应力区段应力应变分析、监控量测分析及加强处置情况，介绍了高地应力作用分析与处理技术。
2 月直山隧道工程概况
月直山隧道地处金口河～新特克区间，全长14085m，进口里程DK239+915，出口里程DK254+000，双线隧道。全隧设计为“人”坡，其中上坡段7935m位于1‰、12‰、3‰的坡段上，下坡段6150m位于-9‰、-12‰的坡段上。全隧除进口DK240+608.872～DK241+664.568段位于半径R=2800m的左偏曲线，出口DK251+808.465～DK254+000段位于半径R=3000m的左偏曲线上外，其余地段均为直线。
月直山隧道斜井转正洞里程DK243+500,小里程段的流纹岩、板岩、千枚岩、片岩地段发生变形坍塌，该段隧道埋深800～1000m，产生岩爆、大变形以及混杂形态的风险极高，大变形概率“4～可能”，大变形的损失为“3～严重”，综合评判该段大变形初始风险为“高度”。
月直山隧道斜井转正洞小里程DK243+448～DK243+485初期支护变形较大，钢架接头连接处初支表面有混凝土剥落掉块和纵向裂缝，多处初支净空侵限，初支混凝土剥落掉块及裂缝情况：DK243+449～DK243+461右侧、DK243+458～DK243+463左侧以及DK243+484～DK243+489右侧拱腰钢架连接处初支表面混凝土出现不同程度的剥落掉块；DK243+470左侧、DK243+474右侧和DK243+485右侧边墙位置出现不同长度的纵向裂缝，最长裂缝约4 m，缝宽约0.5～1 mm。初支侵限情况：DK243+448～DK243+456段右侧拱腰至拱脚侵限较为严重，拱脚最大侵限值22.5 cm。DK243+462～DK243+482以两侧拱腰、拱脚侵限为主，其中左侧拱腰至拱脚较为严重，最大侵限值18.9 cm。已进行换拱及加固处理。
3 月直山隧道斜井转正洞高地应力区段岩石强度试验
2018年1月9日现场进行取样，分别在DK243+420上台阶、DK243+461下台阶右侧、DK243+458下台阶左侧进行采集样品，并委托中铁二院成都工程检测有限责任公司进行岩石相关试验。2018年1月16日～1月24日进行试验检测，勘测期间，取样分析，板岩的天然单轴抗压强度普遍在25～33 MPa，平均值分别为58.3 MPa、62.1 MPa、29.3 MPa，具体试验结果详见表1。
表1：岩石抗压强度试验结果表
|
试验
编号 |
取样地点及里程 |
工程名称 |
取样深度（m） |
野外定名 |
室内定名 |
试件编号 |
抗压强度（MPa） |
|
天然 |
自由浸水
饱 和 |
|
单值 |
平均值 |
单值 |
平均值 |
|
C18成昆峨米岩2 |
DK243+420上台阶 |
月直山隧道斜井工区小里程端 |
800～900 |
板岩 |
非膨胀岩 |
1 |
47.7 |
58.3 |
|
50.2 |
|
2 |
104 |
|
|
3 |
73.3 |
|
|
4 |
53.8 |
|
|
5 |
|
41.4 |
|
6 |
|
65.0 |
|
7 |
|
44.4 |
|
8 |
|
86.2 |
|
C18成昆峨米岩3 |
DK243+461下右 |
月直山隧道斜井工区小里程端 |
800～900 |
板岩 |
非膨胀岩 |
1 |
64.5 |
62.1 |
|
36.6 |
|
2 |
62.7 |
|
|
3 |
|
46.1 |
|
4 |
|
52.0 |
|
5 |
|
34.6 |
|
6 |
39.0 |
|
|
7 |
|
29.2 |
|
8 |
59.1 |
|
|
C18成昆峨米岩4 |
DK243+458下左 |
月直山隧道斜井工区小里程端 |
800～900 |
板岩 |
非膨胀岩 |
1 |
|
29.3 |
15.8 |
18.8 |
|
2 |
53.1 |
|
|
3 |
|
27.8 |
|
4 |
|
20.2 |
|
5 |
35.8 |
|
|
6 |
31.8 |
|
|
7 |
|
20.3 |
|
8 |
20.3 |
|
4 月直山隧道斜井转正洞高地应力区段初期支护应变监测
目前岩体应力测量方法很多，分类也不尽一致，但归纳起来可分为直接测试法和间接测试法两类[1]。直接测试法主要包括应力恢复法、应力解除法、水压致裂法等，间接测试法主要包括钻孔崩落法、定向岩芯非弹性应变恢复法、凯塞尔效应测试法等[2]。通过水压致裂法测量月直山隧道地应力：钻孔DZ-YZS-02在硐身附近的最大水平主应力量值约为31.8 MPa，最小水平主应力约为18.6 MPa左右，估算的垂向主应力约为27.5 MPa。钻孔DZ-YZS-02所测得三向主应力量值关系式为SH>SV>Sh，应力特征以水平应力为主[3]。围岩强度与硐身附近的最大水平主应力比值γ均小于4[4]，具备高地应力状态，尤其隧道左侧拱腰局部尤为严重。
通过在月直山隧道斜井转正洞小里程初期支护后埋设应力计，分别在初期支护钢拱架上埋设振弦式钢筋计和在初期支护混凝土内安装振弦式砼压力盒，通过初始数据采集，进行初期支护应变分析，公式[5]如下：
式中：P-传感器所受的压力或拉力；fi-振弦频率；fo-初始振弦频率；k-应力计标定系数；
根据现场实测数据结果显示：在月直山隧道高地应力区段围岩为灰色中薄层状夹中厚层状板岩，产状为N60°E/75°SE，产状局部扭曲较严重，节理发育，隧道开挖后初期支护钢拱架受强地应力作用，初期支护混凝土存在侧面受压作用强烈，且随着时间推移线路右侧作用力大小及变形基本趋于稳定，线路左侧作用在稳定后呈上升趋势，具体数据及曲线见表2、图1-4。
表2：初期支护受应力试验记录表
|
月直山隧道斜井小里程应力测量 |
|
DK243+407处拱腰部位 |
DK243+407.6GJ-Z |
DK243+407.6GJ-Y |
DK243+410YL-1 |
DK243+410YL-2 |
|
型号：1721 |
型号：1801 |
型号：10311 |
型号：10182 |
|
K压（kN/Hz2） |
温度修正系数
b(kN /℃) |
K压（kN/Hz2） |
温度修正系数b(kN /℃) |
K压（kN/Hz2） |
温度修正系数
b(kN /℃) |
K压（kN/Hz2） |
温度修正系数
b(kN /℃) |
|
-4.39E-04 |
/ |
-4.31E-04 |
/ |
6.89E-07 |
/ |
6.65E-07 |
/ |
|
日期 |
读数(Hz) |
压力(KN) |
读数(Hz) |
压力(KN) |
|
应力(MPa) |
|
应力(MPa) |
|
1993.0 |
/ |
2013.0 |
/ |
1022.0 |
/ |
1013.0 |
/ |
|
2018/8/13 |
1557.3 |
679.1 |
1536.7 |
728.7 |
985.8 |
-0.05008 |
939.6 |
-0.09526 |
|
2018/8/14 |
1466.8 |
799.2 |
1443.4 |
848.5 |
996.8 |
-0.03505 |
950.3 |
-0.08192 |
|
2018/8/15 |
1410.6 |
870.2 |
1399.5 |
902.3 |
997.8 |
-0.03368 |
954.6 |
-0.07641 |
|
2018/8/16 |
1355.4 |
937.2 |
1378.6 |
927.4 |
1073.5 |
0.07436 |
978.0 |
-0.04634 |
|
2018/8/17 |
1300.5 |
1001.2 |
1365.9 |
942.4 |
1070.1 |
0.06933 |
987.8 |
-0.03353 |
|
2018/8/18 |
1284.7 |
1019.2 |
1341.5 |
970.8 |
1066.1 |
0.06345 |
986.7 |
-0.03497 |
|
2018/8/19 |
1275.1 |
1030.0 |
1333.3 |
980.3 |
1066.7 |
0.06433 |
983.2 |
-0.03956 |
|
2018/8/20 |
1244.6 |
1063.7 |
1293.1 |
1025.8 |
1066.6 |
0.06418 |
974.0 |
-0.05153 |
|
2018/8/21 |
1187.6 |
1124.6 |
1274.2 |
1046.7 |
1068.2 |
0.06653 |
956.2 |
-0.07438 |
|
2018/8/22 |
1166.1 |
1146.8 |
1252.6 |
1070.2 |
1071.6 |
0.07155 |
955.3 |
-0.07552 |
|
2018/8/23 |
1103.7 |
1209.0 |
1241.3 <, /TD>
|
1082.4 |
1073.0 |
0.07362 |
945.9 |
-0.08741 |
|
2018/8/24 |
1009.9 |
1296.0 |
1280.0 |
1040.3 |
1076.5 |
0.07880 |
928.5 |
-0.10910 |
图1：DK243+407.6右拱腰初支钢拱架应力变化曲线
说明：在观测期间，应力增长曲线呈线性，最末略降后趋于稳定。DK243+407.6右拱腰初支钢拱架经过变形后收敛且稳定。
图2：DK243+407.6左拱腰初支钢拱架应力变化曲线
说明：在观测期间，应力增长曲线呈S形，最后呈上升趋势。DK243+407.6左拱腰初支钢拱架在期间发生位移变形后，仍不能稳定，有侵限可能。
图3：DK243+410右拱脚应力应变曲线
说明：在观测期间，初期支护受应力大至呈线增长，趋稳。DK243+410右拱脚初期支护是有效的。
图4：DK243+410左拱脚应力应变曲线
说明：应力曲线初期支护受应在短时间内力急速增长，而后较长时间内应力增长缓慢，DK243+410左拱脚岩体与初支共同变形较大，产生卸载。
5 月直山隧道斜井转正洞高地应力区段监控量测
现场监控量测布点后进行观测（图5、表3），结果显示：DK243+441～DK243+385监控量测结果表明该段水平收敛值明显大于拱顶沉降值。截止2018年11月20日观测具体情况：DK243+385拱顶沉降累计值9 mm，水平收敛最大累计值74.4 mm；DK243+390拱顶沉降累计值16.8 mm，水平收敛最大累计值125.8 mm；DK243+401拱顶沉降累计值18.07 mm，水平收敛最大累计值58.2 mm；DK243+411拱顶沉降累计值27.2 mm，水平收敛最大累计值77.1 mm；DK243+421拱顶沉降累计值24.9 mm，水平收敛最大累计值29.2 mm；DK243+431拱顶沉降累计值15.8 mm，水平收敛最大累计值49.87 mm；DK243+441拱顶沉降累计值19.7 mm，水平收敛最大累计值28.9 mm；
根据后续监控量测显示，DK243+320断面拱脚收敛变形为97.1 mm/14天，DK243+330断面拱脚收敛变形为160.3 mm/20天。
图5：监控量测布点示意图
表3：DK243+441-DK243+385段监控量测记录表
|
观测日期 |
2018年11月20日 |
仪器名称：TS06 |
|
测点里程 |
测点编号 |
初始值
(m) |
上次量测值
(m) |
本次量测值
(m) |
差值
(mm) |
变形日差值
(mm/d) |
累计值
(mm) |
初测时间 |
备注 |
|
DK243+385 |
DK243+385:GD00 |
923.2672 |
923.2587 |
923.2582 |
0.5 |
0.5 |
9 |
2018-11-12 |
|
|
DK243+385:SL01-SL02 |
11.3508 |
11.2804 |
11.2764 |
4 |
4 |
74.4 |
2018-11-12 |
|
|
DK243+385:SL03-SL04 |
12.5677 |
12.4994 |
12.4956 |
3.8 |
3.8 |
72.1 |
2018-11-12 |
|
|
DK243+390 |
DK243+390:GD00 |
923.1687 |
923.1531 |
923.1519 |
1.2 |
1.2 |
16.8 |
2018-10-12 |
|
|
DK243+390:SL01-SL02 |
10.8864 |
10.7638 |
10.7606 |
3.2 |
3.2 |
125.8 |
2018-10-27 |
|
|
DK243+390:SL03-SL04 |
12.4548 |
12.3361 |
12.3328 |
3.3 |
3.3 |
122 |
2018-11-08 |
|
|
DK243+401 |
DK243+401:GD00 |
923.0646 |
923.04783 |
923.04653 |
1.3 |
1.3 |
18.07 |
2018-10-12 |
|
|
DK243+401:SL09-SL10 |
12.1843 |
12.1268 |
12.1261 |
0.7 |
0.7 |
58.2 |
2018-11-08 |
|
|
DK243+411 |
DK243+411:GD00 |
923.0835 |
923.0566 |
923.0563 |
0.30 |
0.3 |
27.2 |
2018-08-31 |
|
|
DK243+411:SL05-SL06 |
7.8896 |
7.8123 |
7.8125 |
-0.20 |
-0.2 |
77.1 |
2018-10-30 |
|
|
DK243+421 |
DK243+421:GD00 |
923.3823 |
923.3579 |
923.3574 |
0.50 |
0.5 |
24.9 |
2018-08-31 |
|
|
DK243+421:SL03-SL04 |
11.5823 |
11.5573 |
11.5531 |
4.20 |
4.2 |
29.2 |
2018-11-08 |
|
|
DK243+431 |
DK243+431:GD00 |
923.3899 |
923.3737 |
923.3741 |
-0.40 |
-0.4 |
15.8 |
2018-08-31 |
|
|
DK243+431:SL03-SL04 |
11.5219 |
11.47253 |
11.47203 |
0.5 |
0.5 |
49.87 |
2018-10-27 |
|
|
DK243+441 |
DK243+441:GD00 |
923.3867 |
923.3677 |
923.367 |
0.7 |
0.7 |
19.7 |
2018-08-31 |
|
|
DK243+441:SL01-SL02 |
11.3134 |
11.2857 |
11.2845 |
1.2 |
1.2 |
28.9 |
2018-08-31 |
|
|
注：“+”为下沉，“-”为上升 |
6 月直山隧道高地应力作用下施工处置措施
⑴组织设计变更，该高地应力区段按照Ⅰ级大变形进行处理，原设计情况：设计预留变形量5～8 cm，台阶法开挖，支护结构为Ⅲb1型非绝缘一般锚段复合式衬砌，初期支护采用拱部格栅钢架，间距1.5 m/榀；变更后处理措施[6]：该段预留变形量由5 cm调整35 cm设置；支护结构由调整为Ⅴb型非绝缘一般锚段复合式衬砌，并加强支护采用全环I20b型钢钢架，间距0.8 m/榀；增加超前支护采用拱部Φ42小导管，环向间距0.4 m，每环48根，单根长度4.5 m，纵向间距3.2 m；拱顶至左侧边墙范围内的系统锚杆调整为Φ32普通中空锚杆，锚杆长8 m/根；拱部及左侧边墙增加径向Φ42钢花管注浆。
⑵加强监控量测及超前地质预报工作，并及时对收集的资料、数据等进行整理分析，用以指导后续施工，确保施工安全[7]。
⑶强洞内监控量测并分析反馈监测数据，若发现地质变化、地下水变化、监控量测超标等异常情况，及时上报[8]。
⑷严格按照设计及有关规范进行，遵循“短进尺、弱爆破、勤量测、早封闭”的原则进行开挖作业，及时施做初期支护[9][10]。
7 结束语
月直山隧道在高地应力区段，通过岩石抗压试验、应力应变分析、监控量测分析，落实高地应力作用下施工处置措施，通过月直山隧道高地应力作用分析，为月直山隧道斜井转正洞小里程DK243+387-DK244+970段申请Ⅰ级大变形处理做基础支撑，并得到业主单位、设计院现场确认，同意按照Ⅰ级大变形处理变更后组织施工，经现场实施，隧道左侧未发生初期支护侵限，顺利通过了此段高地应力区段，大变形隧道不发生侵限拆换拱就是对工期、进度最大的保证[9]。为其他类似隧道在高地应力作用下施工提供一定技术基础。
参考文献
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[2] 王志杰，许瑞宁，袁晔，等. 高地应力条件下隧道施工方法研究[J]. 铁道建筑技术，2015（9）：50-52.
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