論隧道偏壓段的穩定控制

摘 要：對目標隧道偏壓段出現的病害特點和原因作了具體分析，針對其出現病害的特點和原因對偏壓段的控制和支護方案作了優化研究，提出支護方案，同時對在施工過程中由于地質條件的變化可能會出現的問題提出了應急預案和施工建議，此方案在后面的施工過程中對偏壓段的治理起到了很好的效果。

關鍵詞：隧道偏壓段；穩定；病害；方案

中圖分類號：TU文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）08-0374-02

1 目標隧道病害原因分析

1.1 目標隧道開挖揭示地質情況

（1）頁巖、粉砂質頁巖：深灰色、灰色，層理發育，薄一中厚層狀，泥質結構。頁巖微節理發育，隧道開挖棄渣暴露后，較短時間內發生碎裂，裂隙面一般平直、光滑。屬IV級圍巖。（2）隧道通過區域構造簡單，褶曲不發育，地層單斜，巖層走向與路線走向交角為5°～20°，主要節理有：110°～160°∠57°～72°， 90°∠90°，節理間距1～2m，多呈密閉或微張，延伸性一般。（3）地表橫坡大，地表徑流條件較好，下伏基巖以頁巖為主，透水性較差，故大氣降雨主要以地表徑流的形式向外排泄。地下水不發育，從隧道開挖情況來看，除在隧道進出口淺埋段基巖裂隙水相對較大外，僅局部見基巖裂隙水且水量較小。隧道設計為雙向六車道的分離式隧道，左、右洞之間凈距20m。

1.2 目標隧道開挖后病害特點

（1）隧道開挖時成形好，圍巖完整性較好，施工炮眼痕跡一般殘留70％以上；（2）隧道支護變形量較大，沿隧道右側拱部范圍內出現縱向開裂；（3）施工面不封閉時，幾小時后圍巖會沿微節理面及層理面產生松弛破裂，在拱頂、洞壁及掌子面會出現響聲，且有圍巖剝落掉塊，開挖輪廓逐漸呈不規則狀等現象，之后暴露面呈顯出破碎/較破碎狀態；（4）圍巖應力釋放緩慢，時間長，且具有突然大量釋放的特點。使得錨噴支護變形開始不明顯，繼而突然開裂，變形發展較快；（5）地應力在左、右洞之間，隧道進口段與出口段的表現不盡相同，具有不對稱性、非均勻性，使左右洞、進出口段處理措施效果差異明顯；（6）經松動圈測試結果表明，在隧道A側起拱線部位松動范圍相對較大。

1.3 目標隧道病害致因分析

（1）隧道開挖后隧道周邊形成的二次應力場使巖體發生局部破壞：隧道埋深較大時自重應力也較大，隧道開挖后在洞壁四周出現切向應力集中。隧道通過的巖性以致密塊狀的砂質頁巖為主，其強度介于硬質巖與軟質巖之間，因此其破壞現象表現為巖體的局部破壞，具有一定的松動性巖爆特征。巖體的局部破壞造成了錨噴支護的開裂、變形，洞壁和拱頂掉塊，以及小規模的坍塌。當巖體的局部破壞進一步積累，松動范圍擴大，必將造成大面積的坍方冒頂。（2）順層地層偏壓：由于巖層走向與傾角不利，加之層理發育，形成順層偏壓。隧道開挖后在A側起拱線部位形成應力集中，造成巖體局部破壞，A側邊墻部位切層掉塊，B側邊墻部位順層坍滑，拱頂沿層面跨塌。從地應力測試成果也可以說明這一點，巖體中的最大主應力方向與巖層的傾向基本一致。圍巖接觸壓力測試亦顯示隧道兩側存在壓力差，有偏壓存在。（3）巖體微裂隙發育：單純從掌子面的巖體情況看，巖體完整性較好，但從坍下的巖塊看，巖塊較為規則，說明巖體內部的微裂隙較為發育，這就為巖體的破壞創造了必要的邊界條件，使上述兩種作用的效果更加明顯，病害的程度也更加嚴重。（4）隧道通過地層形成時代較早，受歷次地質構造影響，初始應力具有多期性，加之隨隧道埋深的逐漸變大，隧道的初始應力三維狀態會相應發生改變。（5）由于地應力的多變性，增加幅度過快，使得實驗段制定的支護措施很快就不能適應地應力的增長，施工表現為實驗段措施在開始段有效可行，但后續段卻發生病害；不得不一次次地增加錨噴支護的剛度。（6）根據監測資料，錨桿軸力且B側受壓，A側受拉，說明隧道B側受到擠壓，錨桿在圍巖松動圈以外的錨固長度不足，不能有效地抑制圍巖變形。根據圍巖松動范圍測試結果也可以得以映證。（7）錨桿軸力普遍偏小，最小軸力處的圍巖接觸壓力、鋼架應力偏大，說明錨桿發揮的作用較小，使得圍巖壓力基本由鋼架承擔，在鋼架達到極限強度時，引起噴混凝土開裂、鋼架變形。

2 目標隧道偏壓段的穩定支護方案設計

2.1 錨桿的設置

（1）按測試的地應力實測資料，采用2D-Sigma數值分析軟件進行數值模擬分析。（2）根據監測數據，在實驗段設置的4個圍巖接觸壓力測試斷面，根據監測斷面數據分析，大致可以看出一般拱腰位置的圍巖壓力較其它位置大。（3）根據監控量測結果和現場實際情況，由于施工臺車的結構限制，無法按設計方向設置長錨桿，部分錨桿特別是拱頂附近以傾斜的角度打入地層，監測的錨桿軸力出現壓應力或受力很小，故設計無法根據監測資料準確了解錨桿的受力情況，僅能按監測資料定性分析，并結合計算機數值分析了解錨桿的受力規律。

2.2 鋼架形式確定

由實驗段格柵鋼架支護效果可以看出，格柵可以較好的與初噴面密貼，整體受力均勻，但在隧道埋深達600m時，由于地應力較大，格柵的正截面剛度不足，使得格柵外側鋼筋外鼓變形。筆者設計選擇了正截面剛度較大的20號工字鋼，以解決正截面的承載力問題，但由于工字鋼縱向剛度不足，在地應力進一步增大的情況下，正截面還未達到承載極限時，以縱向失穩，使得工字鋼扭曲變形。

2.3 鋼架間距確定

采用20號工字鋼鋼架縱向間距0.8m有一定的適應性，但縱向剛度不足，正截面的承載力略有不足，故選擇18型鋼，提高正截面剛度0.8倍，提高縱向剛度為3.3倍，縱向間距0.5～0.8m，環向成環，從實驗段的效果看，隧道的初支變形得到了很好的抑制，后續段施工可根據量測資料，對鋼架的間距進行優化。

2.4 預留變形量的確定

根據監測資料統計，目標實驗段中最大水平收斂為64.57mm，最大拱頂下沉值為48.7mm，根據監測數據的分析，后續施工段預留變形量取值10cm是合理可行的。

2.5 噴射混凝土

混凝土采用濕噴工藝施工，提高噴射混凝土質量；混凝土強度等級不低于C20，摻入鋼纖維，鋼纖維拉拉強度不低于308MPa，摻量為混合料質量的3%~6%。鋼筋網宜采用φ8鋼筋制作，鋼筋網隨受噴面起伏鋪設，并與鋼架、錨桿連接牢固。

混凝土原材料質量主要控制：砂采用潔凈的中砂或粗砂，細度模數宜大于2.5；碎石粒徑不大于15mm；水泥強度等級不小于42.5；速凝劑使用前做速效果試驗，初凝時間不超過5min，終凝時間不超過10min。

2.6 二次襯砌

二次襯砌的施作時間應控制在圍巖和錨桿支護變形基本穩定后進行，應滿足以下要求：①各測試項目的位移速率收斂，圍巖基本穩定；②已產生的各項位移預計總位移量80%~90%；③周邊位移速率小于0.1~0.2mm/d，或拱項下沉速率小于0.07~0.15mm/d。圍巖變形大或流變性明顯時，應采取加強噴錨支護并及時施作仰拱和二次襯砌。

2.7 監測方案

（1）為了及時了解施工過程中圍巖及支護結構的受力狀態，確保施工的安全，為實驗段設計和調整支護參數提供參考依據，并與理論計算結果相比較，完善計算理論，為以后類似工程積累數據，結合前階段監測成果，后續段采用以下監測方案。（2）為查明隧道松動圈動態變化情況，應選取典型斷面設置多點位移計，測試從開挖開始至二襯完成時為止的圍巖松動圈變化情況，用以核實地質雷達的測試數據，相互映證。（3）為查明隧道錨桿軸力的動態變化情況，應選與多點位移計同一斷面，于拱頂、拱腰、邊墻中部及下部設置壓力盒，測試從初支設置開始至二襯完成時為止的圍巖壓力變化情況。

2.8 應急預案

（1）加大監測頻率，監測數據及分析結果馬上反饋給施工隊，動態指導施工，一旦發現變形速率持續大于1.0mm/d，或總變形量大于預留變形量的2/3時，與設計單位共同研究實施加強措施；（2）掌子面停止開挖，噴混凝土臨時封閉；（3）對變形過大部位，施作8米長預應力長錨桿，預加約70～75KN預應力。錨桿尾部與鋼架聯接，縱向間距與鋼架相同，環向間距1米，以抑制初支過大變形；（4）對過大變形部位，實施初支背后及圍巖內部小導管注漿，小導管每根長3縱向間距與鋼架相同，環向間距1米，加固松弛的圍巖。

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3 隧道偏壓段穩定控制的方案建議

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第一，根據量測資料，下臺階開挖對圍巖的二次擾動，會引起上臺階已施作的錨噴支護急劇變形，一般可達2～3mm/d，個別可達8mm/d，為控制下臺階開挖的影響，下臺階分左右兩側交錯開挖，側開挖長度控制在0.5~0.8m以內，開挖后及時施作錨噴支護，減少對上臺階的擾動，同時下臺階的鋼架基礎不得懸空，對于基礎超挖部分用與噴錨混凝土同等級的混凝土填充。

第二，控制爆破振動速度，按量測資料，左、右洞開挖爆破影響顯著，左洞開挖引起右洞變形迅速增大，口變形速率可達9.11mm/d。為減少開挖對隧道圍巖的擾動，抑制松動圈的擴大，提高圍巖的自承能力，應減少炮眼間距，減少一次裝藥量，并減少循環進尺，應控制爆破振動速度。

第三，采用光面爆破，多布置周邊眼，減少超挖量，使初噴混凝土與鋼架盡量密貼，使鋼架均勻受力減少鋼架的應力集中。

第四，對于左右洞施工的先后順序，不論先施工左洞還是右洞，最終兩洞的圍巖變形或是圍巖應力相差不大。調整左右洞施工順序，左洞超前右洞不小于50m，以減少兩洞間爆破振動的影響，改善右洞受力。

第五，針對隧道圍巖特點，隧道開挖后，如錨噴支護不及時施作，圍巖將會很快變形松動，使得圍巖松動圈快速變大，圍巖壓力急劇增加，圍巖自承能力顯著降低，此時再上錨噴支護，支護強度需很大才能抵抗圍巖的變形。為此，錨噴支護應在開挖后及時施作并封閉，防止圍巖過大變形而降低圍巖的強度及自承能力。

第六，改善施工工藝，施工臺車應以保證長錨桿的施作重新制作。提高錨桿施作質量，錨桿設置方向應盡量徑向，尾端加設墊板；鋼架應盡量與初噴面密貼，空隙處應用混泥土楔緊，鋼架背后不應有空洞。噴砼采用濕噴工藝。

第七，對于洞口段埋深較淺，隧道洞口存在偏壓情況，可采用抗滑樁的形式加固巖體，阻擋巖體產生滑動。

參考文獻

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