炭質(zhì)片巖地質(zhì)隧道施工變形控制

董 杰 蔡亞麗

1 工程概況

新蜀河隧道全長 8 989m，是新建鐵路襄渝二線胡安段的重點控制工程。設(shè)計采用帶仰拱的曲墻復(fù)合式襯砌、除進出口 39m為碎石道床外其余均鋪設(shè)彈性整體道床。整個隧道設(shè) 2座斜井和1座橫洞，其中:漁王溝斜井長849.64m，險灘溝斜井長992.14m，沙溝橫洞長263.16m。

隧道原設(shè)計Ⅲ級圍巖 6 780 m，Ⅳ級圍巖 1 852 m，Ⅴ級圍巖357m，變更設(shè)計后Ⅲ級圍巖 2 621m，Ⅳ級圍巖4 317m，Ⅴ級圍巖2 051m。地層巖性主要為石英云母片巖及云母石英片巖，呈互層狀，局部呈夾層狀，礦物成分主要為絹云母和石英等，片狀及塊狀構(gòu)造，變晶結(jié)構(gòu)，巖層軟硬互層，片理發(fā)育，片理面具絲絹光澤，受構(gòu)造影響嚴重，褶曲發(fā)育，片理產(chǎn)狀變化較大，巖體全風(fēng)化～弱風(fēng)化。

2 地質(zhì)特點

隧道洞身通過地層主要以志留系下統(tǒng)云母片巖為主，受區(qū)域構(gòu)造的影響，巖體中構(gòu)造和小褶曲發(fā)育，巖體受應(yīng)力和變質(zhì)作用的影響，使區(qū)域范圍產(chǎn)生大的褶曲構(gòu)造，而且使巖層自身形成了局部的褶曲、揉皺，造成產(chǎn)狀的多變。施工過程中洞身開始大量出現(xiàn)炭質(zhì)片巖地質(zhì)及部分零散段落。炭質(zhì)片巖巖體的抗剪強度低且對振動影響很敏感，巖體扭曲、揉皺現(xiàn)象明顯，節(jié)理發(fā)育，巖體節(jié)理面光滑亮澤，往往夾雜有石英巖脈侵入體，并伴有地下水滲流。施工過程中出現(xiàn)了不同程度的初期支護變形、侵限、拆換和危及施工安全現(xiàn)象。

3 炭質(zhì)片巖特性和大變形特點分析

3.1 炭質(zhì)片巖特性

經(jīng)過近四年的現(xiàn)場施工情況分析，新蜀河隧道炭質(zhì)片巖是一種具有沿片理面蠕滑、軟質(zhì)巖流變和構(gòu)造破碎綜合特性的特殊劣質(zhì)巖。炭質(zhì)片巖強度低、具有變形長時段發(fā)展的流變性質(zhì)，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用下，地層強烈扭曲揉皺，產(chǎn)生大量密集的節(jié)理和順層摩擦鏡面，巖體的整體性遭到嚴重破壞，由于富含炭質(zhì)滑膜的作用，巖體抗剪強度c值、內(nèi)摩擦角φ值極低，是導(dǎo)致初期支護開裂、變形、侵限的基本地質(zhì)原因。

3.2 大變形特點分析

1)日變形量和累計變形量大:施工過程中圍巖日水平收斂達30mm～50mm，隨著隧道的掘進，變形也隨之加快，洞身開挖支護完成后，導(dǎo)致初期支護在很短時間內(nèi)變形侵限。2)蠕變加突變:開挖支護后，圍巖蠕變持續(xù)時間長，拆換侵限初期支護時易發(fā)生突變，造成圍巖失穩(wěn)坍塌。3)工序轉(zhuǎn)換易導(dǎo)致圍巖變形加劇:工序轉(zhuǎn)換時對圍巖變形收斂影響大，比如掌子面爆破，下臺階落底及仰拱開挖時圍巖均有明顯的變形加劇現(xiàn)象(見圖 1)。

4 方案選擇

4.1 三臺階法施工

隧道上臺階開挖后，首先進行圍巖封閉，接著進行上臺階翻碴、打設(shè)錨桿、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、架立Ⅰ20鋼架和施作噴射混凝土，同時進行中、下臺階出碴作業(yè)。出碴結(jié)束后即進行施作中、下臺階的初期支護，同時上臺階進行打設(shè)超前小導(dǎo)管和隧道開挖工作。小導(dǎo)管采用φ42無縫鋼管，長3.5m，循環(huán)長度2.0m，環(huán)向間距30 cm，外插角5°～10°。中部和下部施工時，采用兩側(cè)錯開開挖，縱向錯開距離不小于 2m，單側(cè)開挖長度不大于 1m。

4.2 正臺階法施工

采用長臺階加臨時仰拱施工方案。正臺階增加臨時仰拱采用Ⅰ20型鋼，并澆筑C20普通混凝土。先對掌子面進行工序轉(zhuǎn)換，進行上臺階施工，掌子面初噴混凝土封閉，上臺階底部增設(shè)臨時仰拱，必要時預(yù)留核心土，下臺階分左右斷面錯開，仰拱及二襯混凝土根據(jù)步長控制要求穿插進行，及時跟進。開挖采用弱爆破，上臺階出碴采用小型挖掘機、裝載機配合小型運輸機械出碴，下臺階采用裝載機、挖掘機配合自卸汽車出碴。上臺階開挖高度5.2m，臺階長50m。下臺階開挖高度4.03m，分左右斷面開挖，斷面錯開 3m，仰拱開挖應(yīng)超前臨時仰拱拆除 2m。上臺階開挖循環(huán)進尺1m，下臺階左右斷面開挖循環(huán)進尺均不超過1.5m，仰拱開挖循環(huán)進尺不超過4m。上臺階采用φ42超前小導(dǎo)管進行超前支護;初期支護采用Ⅰ20型鋼拱架、φ25中空錨桿，φ8鋼筋網(wǎng)及C20噴射混凝土;臨時仰拱采用Ⅰ20型鋼，并澆筑C 20普通混凝土。

4.3 方案確定

根據(jù)炭質(zhì)片巖的變形特點，三臺階法不能有效控制初期支護的變形，導(dǎo)致初支大量變形拆換，正臺階法加臨時仰拱，在臨時仰拱的橫向支撐下，能有效的阻止圍巖的水平收斂，防止初支變形坍塌，確保了施工安全，加快了施工進度。經(jīng)綜合考慮，最終確定采用正臺階加臨時仰拱的施工方法。

5 施工工藝

1)超前支護:開挖前，采用φ42超前小導(dǎo)管注漿對隧道拱部進行超前支護。鋼管采用外徑42mm，壁厚3.5mm，長3.5m熱軋無縫鋼管。循環(huán)長度2m，環(huán)向間距30 cm，縱向搭接長度 1m，外插角 5°～10°，全環(huán) 36根。漿液采用水泥砂漿(加速凝劑)，小導(dǎo)管與鋼拱架牢固焊接。

2)上臺階開挖:嚴格控制打眼深度及裝藥量，盡量減少對圍巖的擾動，根據(jù)圍巖變化情況調(diào)整爆破參數(shù)。

3)支護及施作臨時仰拱:上臺階開挖后，初期支護與臨時仰拱同步施作。臨時仰拱采用 φ22螺紋鋼縱向連接，間距 100 cm。鋼架下設(shè)φ8單層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔間距20 cm×20 cm，并與型鋼點焊連接，現(xiàn)澆C20混凝土(加速凝劑)，搗固密實。

4)下臺階開挖:采用兩側(cè)錯開開挖，縱向錯開距離不小于 2m，單側(cè)開挖長度不大于 1m。

5)下臺階支護:下臺階開挖完成后，及時按設(shè)計施作初期支護。

6)仰拱施工:采用弱爆破開挖，棧橋跨越，每次施作 4m。

7)臨時仰拱拆除:采用人工風(fēng)鎬鑿除混凝土，氣割型鋼拱架，一次拆除長度4.5m。

8)防水板鋪設(shè):臨時仰拱拆除后，人工及時鋪設(shè)防水板，防水板焊接采用雙縫熱焊機焊接，單條焊縫寬度不小于1.5 cm。

9)綁扎襯砌鋼筋:防水板鋪設(shè)完成后，及時綁扎襯砌鋼筋。

10)澆筑混凝土:鋼筋綁扎完成后，模板臺車就位，混凝土采取罐車運輸，混凝土輸送泵泵送入模，插入式振搗棒搗固密實。

6 采取的主要措施

1)加強支護措施。針對軟弱炭質(zhì)片巖變形特征及特點，嚴格按照“強支護”的原則組織施工。初期支護:采用 φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距30 cm，打設(shè)φ22系統(tǒng)砂漿錨桿，長度3 m，間距1 m× 1m，掛設(shè)φ6.5×φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔間距20 cm×20 cm，架立2榀/mⅠ20型鋼鋼架，噴射C25混凝土厚27 cm。

2)控制工序步長措施。優(yōu)化施工工藝，并對每個工序、工藝進行監(jiān)控，確保工藝到位，嚴格控制工序步長，三臺階關(guān)鍵工序步長控制如下:a.上、中臺階長度在3m～5 m，循環(huán)進尺0.8 m～1m;b.仰拱施工一次不超過4m，仰拱距離下臺階不超過8m;c.二次襯砌距上臺階掌子面不大于 50m，仰拱緊跟下臺階等。

3)臨時加固措施。a.對變形控制采用 φ42的小導(dǎo)管進行徑向注漿加固，小導(dǎo)管長4m、間距 1m×1m梅花形布置。b.在軟弱圍巖段鋼拱架連接板處增加鎖腳錨桿，并對連接板處集中加固。c.正臺階施工，在起拱線部位增設(shè)臨時仰拱，臨時仰拱采用Ⅰ20型鋼按照鋼拱架的間距設(shè)置，灌注 25 cm厚 C20混凝土。

4)釋放應(yīng)力措施。由于炭質(zhì)片巖特殊巖性的影響，圍巖變形量大易導(dǎo)致初期支護變形侵限，因此對大變形隧道的處理應(yīng)按照“先放后抗”的原則進行，在臨時支護約束下盡量釋放變形，然后施作初期支護，二襯及時緊跟。

5)控制爆破措施。開挖采用弱爆破和人工風(fēng)鎬配合修鑿，堅持多打眼、少裝藥原則，盡量減少超挖，避免欠挖。

6)加強監(jiān)控量測，增加預(yù)留變形量，滿足施工需要。針對新蜀河隧道變形持續(xù)時間長、累計變形量大的特點，依據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，增加了預(yù)留變形量，由設(shè)計的15 cm增加到45 cm。

7 炭質(zhì)片巖大變形隧道施工建議

1)強化工序組織、快速成環(huán)，步序合理、工藝到位和采取的一系列措施對隧道變形具有抑制作用，以二襯施工控制開挖速度，是減少變形拆換的一個有效方法。

2)支護強度。炭質(zhì)片巖隧道圍巖變形非常嚴重，圍巖變形量大，致使隧道初期支護變形、開裂掉塊嚴重，侵占二襯空間，鋼架扭曲，甚至被剪斷。造成大量拆換，嚴重制約了施工進度。因此，炭質(zhì)片巖隧道施工地段應(yīng)加大鋼架型號，提高噴射混凝土級別，抵抗圍巖變形。

3)以暴露時間控制工序步長、控制預(yù)留變形量的值。初期支護暴露時間越長時，圍巖變形就越大，從控制圍巖變形角度來考慮，初期支護暴露時間越短越好，因此盡可能地縮短施工臺階，爭取早封閉、快成環(huán)。然后對初期支護暴露時間內(nèi)的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，合理確定預(yù)留變形量數(shù)值。

8 結(jié)語

施工實踐證明，采用正臺階法加臨時仰拱施工，大大提高了軟弱圍巖地質(zhì)隧道施工速度，確保了工期，總結(jié)了一套軟弱圍巖地質(zhì)條件下隧道施工工法及工藝。對工期緊、圍巖差、安全風(fēng)險高的隧道，采用正臺階法加臨時仰拱施工是比較合理的。

[1] TZ 204-2008，鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

[2] TZ 231-2007，鐵路隧道鉆爆法施工工序及作業(yè)指南[S].

[3] TZ 10417-2003，鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收及標準[S].

[4] 鐵建[2005]157號，鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定[S].