談炭質片巖隧道變形原理及三臺階錯位施工法

陳永建

炭質片巖是滬漢蓉通道武漢—安康增建第二線工程漢江峽谷段遇到的主要地質問題,而該類圍巖隧道的開挖施工方法在目前國內外隧道施工中仍是一道難題。主要原因是該類圍巖的穩定性差,在地下水作用下,炭質片巖易軟化變形,導致圍巖出現變形或坍塌。根據施工現場情況和圍巖量測結果分析顯示,該類圍巖開挖后的變形具有不收斂性,特別是在開挖完成后15 d左右圍巖易發生突變產生塌方。因此研究炭質片巖的圍巖特性和變形規律,解決該類圍巖的開挖施工方法勢在必行。

1 圍巖變形機理分析

1.1 圍巖特征及分類

根據現場施工揭示的炭質片巖,按分布形態和巖性特征可分為透鏡體或薄夾層狀、互層狀和呈厚層或帶狀分布等不同類型,當炭質片巖以透鏡體、薄夾層狀或互層狀存在于石英云母片巖或云母石英片巖中時,一般情況下對圍巖的整體穩定性影響不大,但在地下水的作用下,炭質片巖易軟化變形,強度和穩定性降低,局部可能出現變形或坍塌。厚層或帶狀分布的炭質片巖,從工作面看圍巖大部分或全部分為炭質片巖,連續出現長度數十米至數百米。受構造等因素的影響,巖體的抗剪強度低,巖體扭曲、褶皺現象明顯,節理發育,巖體節理面光滑亮澤,多為曲面,往往夾雜有石英巖脈侵入體,并伴有地下水滲流,結構面之間結合差,易分離剝落,在地下水的作用下,圍巖強度和穩定性進一步降低,容易出現初期支護的開裂變形和塌方。

1.2 圍巖監控量測及分析

1.2.1 測點布置

根據實際情況,在隧道每個測量斷面各布置一個拱頂下沉觀測點D和三條凈空水平收斂量測線C,B,A,共7個測點,布置見圖1,測點選用、頻次及要求參照相關規范執行。

1.2.2 監控量測結果分析

根據現場量測結果繪制分析圖,見圖2。

根據繪制的數據分析圖,我們可以得出如下結論:

1)圍巖變形量大,且在個別時段變形加劇:施工過程中工序轉化時對圍巖收斂變形影響較大,從圖2我們可以看出在掌子面爆破、下臺階落底及仰拱開挖等施工時,由于施工的干擾,破壞了圍巖的受力均衡性,從而加劇了圍巖的變形。圍巖最大變形量達到1 440 mm(水平收斂)。

2)變形持續時間長:圍巖蠕變比較嚴重,持續時間較長,二襯施工之后依然存在變形。如DZK256+475～DZK256+505共30 m段二襯拱頂和拱腰均出現較大的裂紋,很多地方甚至出現混凝土塊剝落,可見該類圍巖的變形持續時間很長。

3)變形分布不均勻,主要表現在以下兩方面:a.水平收斂明顯大于拱頂下沉:水平收斂的速度和累計變形量均明顯大于拱頂下沉,拱頂下沉一般累計變形在100 mm左右,水平收斂累計變形一般達到500 mm以上。局部段落最大變形量達到1 440 mm。b.隧道圍巖變形主要分布在初期支護鋼架的連接處、拱腳和墻角位置。初期支護完成后,由于受圍巖變形作用力的影響,圍巖應力繼續重新分布,導致初期支護受力薄弱處或者圍巖壓力較大處開始開裂掉塊,侵入二襯空間;嚴重部位會出現鋼架扭曲變形,甚至被剪斷。

2 三臺階錯位施工法

由于施工掌子面圍巖為炭質片巖,屬軟弱圍巖,施工方法選用三臺階六部錯位法進行掘進施工。臺階長度根據實際情況,留出施工平臺,放置小臺架即可,一般為3 m～5 m,仰拱與下臺階的距離以方便出碴即可,一般為10 m～15 m,二襯緊跟仰拱施作。在開挖過程中,三臺階同時起爆,其不同于其他施工方法處有:1)工作面多,循環作業時間短;2)支護及時、穩定;3)施工安全。

2.1 三臺階施工法布置形式

上臺階長度控制在4.5 m,根據高度必須滿足矢跨比h/L＞0.3,因此上臺階高度按3.6 m控制;中臺階長度控制在6 m,高度為2.8 m;下臺階長度為5 m,高度為3.1 m;仰拱與下臺階的長度控制在10 m～14 m(保證澆筑完仰拱后距下臺階的長度在10 m),具體見圖3。

2.2 施工工藝及流程

1)在上臺階按照設計要求設置φ42的超前支護(超前小導管),小導管長度 3.5 m,環向間距0.3 m,小導管的縱向搭接長度必須大于1.0 m,并按照要求在導管上設置注漿孔并及時注水泥漿,尾部與鋼拱架焊接牢固。

2)在上、中、下三個臺階同時進行鉆眼施工,根據Ⅴ級加強圍巖(炭質片巖)確定每次爆破掘進進尺在0.5 m～1.0 m,開挖的輪廓線根據圍巖量測分析資料預留變形量40 mm～50 mm(設計預留變形量為25 mm)。開挖后立即進行噴、錨、網系統支護,設立型鋼鋼架并復噴至設計厚度,形成較穩定的承載拱墻。施工中應在上臺階的左側中部設置超前探孔(可在施工超前小導管時設置),深度為5 m,及時了解前方施工圍巖情況和有無重大險情。

3)待所有鉆孔全部施工完畢后,立即進行裝藥爆破,施工順序如下:上臺階、中臺階和下臺階同時爆破(利用雷管的段數可以調整爆破時間和順序)后,首先挖掘機開到下臺階,將中臺階第2,3部分的碴扒到下臺階;然后將挖掘機開到中臺階第2部分的位置(該部分寬度比第3部分寬,方便挖掘機作業),將上臺階碴扒下來;最后挖掘機下到下臺階,開始裝碴,運出洞外。待碴基本出完后,立即同時對三個臺階進行初期支護。

3 取得成果

自2006年8月開始,滬漢蓉通道武漢—安康增建第二線工程楊河隧道西河灣橫洞正洞施工遇到了大段落的炭質片巖段,由于起先對該類圍巖的變形情況不了解,圍巖發生多次變形及塌方,施工進度非常緩慢。根據現場施工統計,2006年8月～2007年4月的8個月時間內總掘進不到50 m,嚴重制約了襄渝二線總工期目標的實現。2007年5月16日,我局根據現場實際情況調整開挖施工方案,針對該類炭質片巖采用三臺階六部錯位法施工后,每月掘進施工進度約40 m～50 m,確保了楊河隧道西河灣橫洞于2008年12月30日順利貫通,也為襄渝二線旬陽—蜀河段2009年“8.30”開通奠定了堅實的基礎。