軟巖偏壓鐵路隧道大變形處治施工技術(shù)

譚 準(zhǔn)，向浩東

(中鐵二局集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路的快速建設(shè)，受地形、水文地質(zhì)條件以及規(guī)劃平面要求等因素的影響，各種復(fù)雜地質(zhì)條件下修建隧道大量出現(xiàn)，在地形偏壓軟弱巖體中進(jìn)行隧道開(kāi)挖支護(hù)便是典型現(xiàn)象之一［1］。軟弱巖體特征復(fù)雜、巖性多變、圍巖破碎，隧道易發(fā)生大變形，施工風(fēng)險(xiǎn)極大［2-3］。軟巖隧道的大變形破壞特征主要表現(xiàn)為:變形破壞方式多樣、變形量大、變形速率快和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)［4-6］。

截止至目前，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于軟巖隧道修建提出了一系列控制標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)措施，但如何提高隧道結(jié)構(gòu)在淺埋偏壓條件下施工過(guò)程中的穩(wěn)定性和有效控制隧道變形同時(shí)又提高施工效率，仍然是隧道工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題［7-13］。以下貴坪隧道工程為研究背景，綜合分析現(xiàn)場(chǎng)施工量測(cè)數(shù)據(jù)和隧道大變形特征，進(jìn)而分析產(chǎn)生大變形的原因，提出適合于淺埋偏壓軟巖內(nèi)修建隧道的施工工法以及控制大變形的處治措施。

2 工程概況

下貴坪隧道位于玉屏東站至三穗站之間，雙線鐵路隧道，全長(zhǎng)568 m，左右線線間距為5.0 m，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h。隧道位于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，最大埋深約 57 m，自然坡度 10°～40°，局部陡峻，植被發(fā)育。隧道進(jìn)出口基巖出露良好，巖體破碎。

隧區(qū)溝槽、緩坡分布第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、第四系坡殘積細(xì)角礫土，基巖部分裸露，為寒武系下統(tǒng)杷榔組頁(yè)巖夾砂巖，巖土體呈褐黃、灰黃色、灰黑色，夾較多薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，質(zhì)軟易風(fēng)化，主要分布于隧道出口段;受斷層及地形偏壓影響，節(jié)理發(fā)育，弱風(fēng)化層巖體極其破碎，且裂隙充填較多的黏土，穩(wěn)定性與完整性均較差。地下水以基巖裂隙水為主，其次為第四系松散土層孔隙潛水，地下水不發(fā)育，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)侵蝕。

全隧除D1K480+642～+651段、D1K481+185～+210段采用明洞襯砌外，其余均采用雙線復(fù)合式襯砌。按新奧法施工，采用光面爆破及濕噴技術(shù)，Ⅴ級(jí)圍巖地段采用臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱法施工;錨、網(wǎng)、噴初期支護(hù)，拱墻一次襯砌。系統(tǒng)錨桿拱部采用φ25 mm中空注漿錨桿，邊墻采用 φ22 mm普通砂漿錨桿。其中，D1K480+970～D1K481+185段采用 Vc型復(fù)合襯砌，二襯拱墻厚 55 cm，仰拱厚 65 cm，初期支護(hù)噴射C30混凝土厚度為28 cm，拱墻采用φ8 mm鋼筋網(wǎng)(間距20 cm×20 cm)，鋼架采用全環(huán)Ⅰ22a型鋼鋼架(間距0.6 m)。

3 軟巖隧道大變形特征及原因分析

3.1 隧道大變形特征分析

下貴坪隧道自暗洞開(kāi)挖以來(lái)，掌子面揭示圍巖為強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖夾砂巖，巖體破碎，自穩(wěn)性差，有滲水，圍巖變形嚴(yán)重，如圖1、圖2所示。

圖1 明暗分界處圍巖風(fēng)化、破碎

圖2 洞身段掌子面圍巖破碎

隧道施工時(shí)根據(jù)開(kāi)挖揭示的隧道工程地質(zhì)條件及地形淺埋、偏壓嚴(yán)重的特點(diǎn)采取了加強(qiáng)措施，但圍巖及初期支護(hù)仍出現(xiàn)了嚴(yán)重變形，地表出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致已開(kāi)挖段69 m范圍內(nèi)初支變形侵限，如圖3、圖4所示。

圖3 洞身段初期支護(hù)剝落掉塊

圖4 洞身段地表裂縫

根據(jù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1、表2所示，已開(kāi)挖段出現(xiàn)大變形的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面。

表1 隧道位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) cm

表2 地表沉降、位移統(tǒng)計(jì) cm

(1)圍巖變形量大:拱頂沉降量大，其中D1K481+177.7處拱頂累計(jì)沉降達(dá)49 cm;拱頂水平位移量偏大，其中D1K481+121處拱頂水平位移達(dá)21.6 cm;

(2)圍巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng):在圍巖初期變形后，變形并未停止，而是持續(xù)發(fā)展，甚至加速發(fā)展。隧道的持續(xù)變形，造成初期支護(hù)變形過(guò)大而發(fā)生破壞，不得不進(jìn)行襯砌拆換處理;

(3)拱腳位移收斂:線路左側(cè)拱腳明顯收斂，線路右側(cè)拱腳偏離線路向外側(cè)(山體低側(cè))位移，該段位于洞口段，淺埋偏壓更嚴(yán)重，但變形量相對(duì)小，分析原因系該段已采用地表鋼管樁注漿加固;

(4)初期支護(hù)變形破壞:由于圍巖持續(xù)變形，初期支護(hù)嚴(yán)重變形破壞，且持續(xù)發(fā)展，易侵限。開(kāi)挖過(guò)程中預(yù)留的40 cm拱頂變形量，仍有局部侵限現(xiàn)象，主要分布在 D1K481+175斷面拱頂處，最大侵限值達(dá)到11.5 cm;

(5)地表開(kāi)裂:據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，施工開(kāi)挖過(guò)程中，地表隧道中線兩側(cè)連續(xù)出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫伴隨掌子面掘進(jìn)而往前發(fā)展，且有變大趨勢(shì)，裂縫無(wú)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，裂縫最大寬度5 cm，長(zhǎng)約50 m。

3.2 隧道大變形成因分析

綜合下貴坪隧道施工實(shí)際情況，隧道發(fā)生大變形與地形特征、工程地質(zhì)和水文條件、施工方法與工藝控制、支護(hù)措施等因素有關(guān)，具體分為以下幾個(gè)方面。

(1)地形嚴(yán)重偏壓:隧道出口穿越一單面斜坡，地形左高右低，斜坡呈下陡上緩狀，自然坡度一般15°～35°，右側(cè)坡腳相對(duì)較陡，達(dá)40°，植被發(fā)育。隧道大致從斜坡中段通過(guò)，埋深淺，最大埋深僅約30 m，地形偏壓嚴(yán)重。

(2)巖質(zhì)軟，受斷層影響，巖體破碎，開(kāi)挖擾動(dòng)后，周邊圍巖松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大:隧道穿越地層為頁(yè)巖夾砂巖，屬軟質(zhì)巖。隧道左側(cè)約260 m發(fā)育界牌斷層，為區(qū)域性逆斷層。隧道位于斷層下盤(pán)，受此斷層影響，隧道出口段巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化層較厚，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，裂隙間部分有泥質(zhì)充填。局部有滲水，頁(yè)巖遇水軟化，圍巖自穩(wěn)定性差。

(3)施工方法不當(dāng)及支護(hù)參數(shù)偏弱。隧道采用臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱法施工，隨著施工擾動(dòng)，巖體進(jìn)一步破碎，在隧道發(fā)生大變形后未及時(shí)調(diào)整施工方法和加強(qiáng)支護(hù)措施，致變形加劇。

4 隧道大變形控制措施

隧道大變形控制措施主要包括:施工方法調(diào)整和支護(hù)措施加強(qiáng)，淺埋偏壓段洞外減載反壓，以及變形侵限段初期支護(hù)拆換等措施。

4.1 施工方法調(diào)整和支護(hù)措施加強(qiáng)

4.1.1 已開(kāi)挖段支護(hù)加強(qiáng)

對(duì)已開(kāi)挖段的支護(hù)加強(qiáng)主要包括洞內(nèi)支護(hù)、地表加固兩項(xiàng)措施。

(1)洞內(nèi)支護(hù):D1K481+116～+155段在既有的初期支護(hù)基礎(chǔ)上增加了拱墻φ42 mm注漿錨管(長(zhǎng)4 m，環(huán)縱向間距1 m)徑向注漿加強(qiáng)支護(hù)。

(2)地表加固:開(kāi)挖揭示圍巖為強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖夾砂巖，夾較多薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，巖體破碎，穩(wěn)定性差(雨季更甚)。洞身及隧底均位于該地層，且拱頂埋深僅3～10 m，偏壓嚴(yán)重。在 D1K481+145～+185段地表采用φ75 mm鋼花管樁預(yù)注漿加固的橫向范圍由隧道中線兩側(cè)各12 m擴(kuò)大至隧道中線兩側(cè)各15 m，洞身范圍加固深度自地表至拱頂以上0.5 m，洞身范圍外加固深度自地表至隧底以下1 m。

4.1.2 未開(kāi)挖段支護(hù)加強(qiáng)及施工方法調(diào)整

針對(duì)已開(kāi)挖段在變更加強(qiáng)措施后仍發(fā)生較大變形導(dǎo)致侵限，為確保隧道施工及結(jié)構(gòu)安全，對(duì)洞內(nèi)D1K480+970～D1K481+116未開(kāi)挖段146 m支護(hù)措施進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，施工方法調(diào)整為CRD法，如表3所示。洞身復(fù)合型襯砌初期支護(hù)噴射C30混凝土的厚度調(diào)整為30 cm，鋼架采用全環(huán)Ⅰ25a型鋼鋼架(間距0.6 m)。

表3 D1K480+970～D1K481+116段洞身襯砌支護(hù)措施調(diào)整

4.2 洞外減載反壓

為減小地形淺埋偏壓對(duì)隧道的影響，對(duì)D1K481+000～+185左側(cè)山體進(jìn)行開(kāi)挖減載，利用開(kāi)挖土石方對(duì)右側(cè)溝槽進(jìn)行回填反壓，具體措施如下。

D1K481+000～+185段洞外左側(cè)山體開(kāi)挖減載至高程約711 m，洞頂保留覆土厚度約6 m，開(kāi)挖土石方量為5.9萬(wàn)m3，減載挖方全部用于右側(cè)溝槽回填反壓，回填高度至隧道內(nèi)軌頂面以上5.5 m處，回填坡腳采用4 m高壩式擋砟墻防護(hù)。

4.3 初期支護(hù)變形拆換

為保證二次襯砌厚度，確保結(jié)構(gòu)安全，對(duì)D1K481+116～+185段初支變形侵限或破壞部位進(jìn)行注漿拆換處理。具體措施如下。

對(duì)初支變形侵限部位采用φ42 mm鋼花管徑向注漿加固，鋼花管縱、環(huán)向間距0.8 m，交錯(cuò)布置，每根長(zhǎng)5 m。注漿采用水泥漿(水灰比1∶1)，注漿壓力1.0～1.2 MPa，注漿量按加固體積的15%控制。注漿加固后對(duì)初支變形侵限或破壞部位進(jìn)行逐榀拆換，拆換后及時(shí)施做二次襯砌。

注漿拆換順序?yàn)?初支變形侵限或破壞部位注漿加固，侵限或破壞部位初支拆換，鋼架落底成環(huán)，施作二次襯砌。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)淺埋偏壓軟巖隧道選擇適宜的施工方法對(duì)保證結(jié)構(gòu)和施工安全十分重要。

(2)隧道發(fā)生大變形與地形特征、工程地質(zhì)和水文條件、施工方法與工藝控制、支護(hù)措施等因素密切相關(guān)。

(3)隧道出現(xiàn)大變形時(shí)，洞內(nèi)、洞外分別采取措施綜合整治才能取得成功。

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