高地應(yīng)力軟巖隧道初支侵限誘因及控制措施研究

李文輝，李小勇，鄧 湘，陳 露

(1.四川省公路院工程監(jiān)理有限公司,四川 成都 610041; 2.四川川交路橋有限責(zé)任公司,四川 廣漢 618300;3.廣東虎門技術(shù)咨詢有限公司,廣東 廣州 510540; 4.四川金沙人力資源開發(fā)管理有限公司,四川 成都 610031)

隨著國家西部大開發(fā)及“一帶一路”重大戰(zhàn)略的推進(jìn),西南片區(qū)交通行業(yè)得到快速發(fā)展,公路隧道工程數(shù)量逐漸增加,但同時面臨的工程難點(diǎn)也逐漸增多。如高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道施工易發(fā)生軟巖大變形不良地質(zhì)災(zāi)害,進(jìn)一步引發(fā)掌子面失穩(wěn)塌方[1]、初支結(jié)構(gòu)破壞[2]、鋼拱架彎折[3]、初支結(jié)構(gòu)侵限[4]等不良現(xiàn)象,嚴(yán)重影響施工安全,阻礙工期。

繼而眾多學(xué)者開展了軟弱圍巖環(huán)境下隧道建設(shè)的研究,朱正國等[5]研究發(fā)現(xiàn)軟巖隧道掌子面擠出變形量值大小及特征規(guī)律與隧址區(qū)最大地應(yīng)力作用方向有關(guān);張藝騰等[6]借助有限差分軟件FLAC3D研究分析了錨桿結(jié)合超前支護(hù)在軟巖隧道開挖過程中具有互補(bǔ)作用,該組合支護(hù)方式可以同時控制洞周變形和掌子面擠出變形;唐國豐等[7]通過拉錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拉錨結(jié)構(gòu)能夠形成拱支護(hù)效應(yīng),提高圍巖整體自承能力,減小圍巖變形;Song等[8]采用了FLAC/PFC耦合數(shù)值方法研究了隧道開挖后圍巖損傷區(qū)的發(fā)展規(guī)律;趙金鵬等[9]依托廣東省南山路工程,結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)先開挖淺埋側(cè)比先開挖深埋側(cè)更有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;左清軍等[10]借助有限元軟件MIDAS研究分析了膨脹性軟巖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,結(jié)合室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn),首次提出了緩釋膨脹性軟巖隧道結(jié)構(gòu)受力的方法;羅春雨等[11]研究了地下水對軟巖大變形隧道開挖穩(wěn)定性的影響。

綜上,國內(nèi)外大多學(xué)者結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場監(jiān)測等研究手段對軟巖隧道開挖后結(jié)構(gòu)受力特征及圍巖變形規(guī)律等方面展開了深入研究,并取得了顯著成果,而目前還較為缺乏對軟巖大變形隧道初支侵限專項(xiàng)處治方案的系統(tǒng)研究。本文依托九綿高速白馬隧道工程,結(jié)合工程特點(diǎn),從圍巖本身力學(xué)特性及圍巖變形特征方面深入分析了白馬隧道初支侵限機(jī)理,并針對此特點(diǎn),提出了一套適用于軟巖大變形初支結(jié)構(gòu)侵限專項(xiàng)施工方案,可指點(diǎn)類似工程科學(xué)施工。

1 工程概況

九綿高速白馬隧道設(shè)計(jì)為分離式雙線四車道,隧道全長約13 km,最大埋深約1 092 m,屬深埋特長隧道。據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試,隧址區(qū)最大地應(yīng)力約12 MPa,屬高地應(yīng)力環(huán)境[12]。受北部文縣弧形構(gòu)造帶、西部的岷江—雪山—虎牙關(guān)斷裂帶和東南部的龍門山斷裂帶共同影響,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂構(gòu)造發(fā)育,穿越多條斷層破碎帶,如圖1所示。

隧道洞身穿越地層巖性主要為炭質(zhì)板巖、千枚巖等,巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu),層間結(jié)合較差,受構(gòu)造作用強(qiáng)烈,褶曲及次級斷層發(fā)育,巖體破碎,完整性極差,主要為軟巖、極軟巖,圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,多呈碎屑狀和碎塊狀,圍巖局部炭質(zhì)含量較高,片理發(fā)育,片理面手感光滑,有絲絹光澤,自穩(wěn)能力差。

2 初支侵限及誘因分析

2.1 初支侵限

據(jù)現(xiàn)場揭露,白馬隧道左線K43+590—K43+570段地質(zhì)情況相較于原設(shè)計(jì)更差,為了控制圍巖變形,降低施工風(fēng)險,將對此段進(jìn)行方案變更。

變更前:采用Z5c型襯砌結(jié)構(gòu)形式,具體支護(hù)參數(shù)為:系統(tǒng)采用φ22藥卷錨桿,長3 m;Ⅰ18工字鋼@0.6 m;φ8鋼筋網(wǎng);C25初噴混凝土厚24 cm;預(yù)留變形量為12 cm。超前支護(hù)措施:φ42注漿小導(dǎo)管,長4.5 m,搭接長度不小于1 m,環(huán)向間距為40 cm。

變更后:采用Db型襯砌結(jié)構(gòu)形式,具體支護(hù)參數(shù)為:系統(tǒng)采用6 m長φ32自進(jìn)式錨桿+3.5 m長φ42注漿小導(dǎo)管,環(huán)縱間距為120 cm×50 cm,梅花形布置;Ⅰ20b工字鋼@0.5 m;φ8鋼筋網(wǎng);C25初噴混凝土厚26 cm;預(yù)留變形量為40 cm。超前支護(hù)措施:φ60中管棚,長8 m,搭接長度3 m,環(huán)向間距為40 cm。

如圖2所示,該段按變更支護(hù)參數(shù)施作完成后,初支變形嚴(yán)重,現(xiàn)場出現(xiàn)初支噴射混凝土開裂掉塊、拱架扭曲變形現(xiàn)象,局部已出現(xiàn)初支侵限,初期支護(hù)變形復(fù)測結(jié)果如表1所示。

表1 斷面復(fù)測結(jié)果一覽表

本段落圍巖部分洞周收斂及拱頂沉降時程變形曲線如圖3所示。

2.2 施工現(xiàn)狀

1)變形速率:截止目前,左洞仰拱已經(jīng)施工至K43+558,即該變形段20 m范圍內(nèi)的仰拱二襯已經(jīng)施工完畢,拱墻二襯樁號為K43+605距離變形段約15 m。根據(jù)目前監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋日變形速率小于2 mm/d,屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2)變形范圍:K43+590—K43+570段變形主要集中為拱頂隆起,線路右側(cè)(進(jìn)洞左側(cè))侵限。拱頂單元隆起高度最大為106 cm(K43+587),進(jìn)洞左側(cè)邊墻侵限最大為20 cm(K43+574),進(jìn)洞右側(cè)拱墻變形較小,最大侵限為10 cm(K43+584)。

2.3 初支侵限誘因分析

據(jù)現(xiàn)場揭露,白馬隧道K43+590—K43+570段地質(zhì)情況與原設(shè)計(jì)不同,圍巖以炭質(zhì)板巖夾千枚巖為主,為強(qiáng)風(fēng)化帶巖石,屬軟—極軟巖,圍巖極破碎,產(chǎn)狀紊亂,巖體松散,層間結(jié)合極差,自穩(wěn)能力弱。同時,此段地下水較發(fā)育,隧道開挖后,掌子面以滲水、滴狀出水為主,局部線狀出水,炭質(zhì)千枚巖被地下水侵蝕后發(fā)生軟化,巖石力學(xué)性質(zhì)變差,自穩(wěn)能力降低,在高地應(yīng)力作用下,圍巖易發(fā)生擠壓大變形。方案變更后,6 m錨桿結(jié)合小導(dǎo)管注漿加固對圍巖變形有一定控制作用,但6 m長錨桿無法將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中,不能充分發(fā)揮錨桿懸吊能力,對圍巖變形控制效果有限,無法滿足現(xiàn)場圍巖變形需求,造成初支結(jié)構(gòu)侵限。

3 大變形初支侵限處治方案

3.1 預(yù)加固方案

1)二襯跟進(jìn):K43+590—K43+570段初支侵限,為保證后方安全,隧道二次襯砌繼續(xù)施工至K43+590附近。

2)施作臨時護(hù)拱:為減小圍巖進(jìn)一步變形,在K43+590—K43+570段落施作 Ⅰ 18臨時工字鋼支撐護(hù)拱,護(hù)拱間距1.0 m,共計(jì)20榀,臨時護(hù)拱布置如圖4所示。

3)小導(dǎo)管注漿加固:為了提高圍巖自承能力,在K43+590—K43+570段采用小導(dǎo)管注漿加固圍巖,小導(dǎo)管長為3.0 m,直徑φ42 mm,小環(huán)向間距1.2 m,縱向間距1.0 m,注漿加固范圍如圖5所示。通過注漿將離散的巖塊連接在一起,可增強(qiáng)圍巖整體性,提高圍巖自承能力,減小圍巖變形。

4)長錨桿加固:該段完成后注漿加固后,即在該段邊墻施作長錨桿進(jìn)行進(jìn)一步加固,選擇外徑φ60 mm無縫鋼管,錨桿長8 m,環(huán)向間距2 m,縱向間距2 m,呈梅花形布設(shè),如圖6所示。變更方案采用錨桿長為6 m的自進(jìn)式錨桿,卻不能滿足現(xiàn)場大變形控制需求,究其原因,6 m長錨桿無法將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中,不能充分發(fā)揮錨桿懸吊能力,對圍巖變形控制效果有限。

3.2 換拱方案

換拱應(yīng)堅(jiān)持“先加固后拆換”的原則,從出口端往內(nèi)逐榀、逐單元進(jìn)行拆換。換拱施工關(guān)鍵工藝流程為:超前支護(hù)→拆除護(hù)拱→拆除侵限→初噴混凝土→安裝拱架→復(fù)噴混凝土→下一循環(huán),具體施工工藝如下:

1)超前支護(hù):對需要換拱范圍先采用φ60 mm中管棚進(jìn)行超前支護(hù),管棚長8 m,外徑60 mm,搭接長3 m,環(huán)向間距40 cm,外插角5°～10°,并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。

管棚鉆孔,并呈梅花形布置,其縱向、橫向間距為15 cm,尾部為設(shè)止?jié){段30 cm,導(dǎo)管前端做成尖錐形封閉,管棚施作完成后進(jìn)行注漿。

2)拆除護(hù)拱:采用拱架安裝臺車配合拆除臨時護(hù)拱,拆除時,先用拱架臺車抓手牢牢夾住兩側(cè)拱架,再依次割除鎖腳錨管和縱向連接鋼筋,松開拱部連接螺栓,然后利用拱架臺車將護(hù)拱鋼架平穩(wěn)拆放,完成護(hù)拱拆除。

3)拆除侵限初支:a.鎖腳加固未侵限鋼拱架。換拱前先施作鎖腳錨管對未失效拱架單元進(jìn)行錨固,同時還需對擬拆除單元上部拱架單元進(jìn)行鎖腳錨固,以防止出現(xiàn)掉拱情況。b.原初支拱架拆除。如圖7所示,先采用人工風(fēng)鎬配合破錘頭鑿除A單元范圍內(nèi)噴射混凝土和侵限圍巖,待侵限部位鑿除完成后,測量人員對鑿除部位進(jìn)行斷面測量,鑿除后開挖輪廓線應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

侵限部位鑿除并驗(yàn)收合格后,即進(jìn)行拱架拆除作業(yè)。拱架拆除盡量選擇在連接板處,一般不得在拱架中部直接割斷。但為了盡量少擾動初支未侵限部位,最大限度減小對原初支結(jié)構(gòu)的影響,確需在中部割斷變形鋼拱架時,必須在割斷處重新按要求焊接連接鋼板。待A單元重新完成初期支護(hù)后,再分別進(jìn)行B單元和C單元拱架拆換。

4)噴射混凝土及鋼拱架安裝:a.初噴混凝土:待侵限或嚴(yán)重變形部位初支混凝土及拱架單元拆除完成后,即對拆除部位進(jìn)行初噴混凝土,初噴厚度2 cm～5 cm。b.安裝鋼拱架:初噴混凝土完成后進(jìn)行鋼拱架安裝,鋼架在鋼材加工中心根據(jù)現(xiàn)場測量尺寸設(shè)計(jì)加工成型,鋼拱架采用原變更參數(shù)規(guī)格Ⅰ20b工字鋼,鋼架采用拱架安裝臺車進(jìn)行安裝。換拱需從大樁號往小樁號逐榀、逐單元拆換,換拱前需提前施作鎖腳錨桿,將未失效單元錨固后,再進(jìn)行逐單元換拱。c.安裝鋼筋網(wǎng)及復(fù)噴混凝土:鋼拱架施作完成采用φ8鋼筋網(wǎng)單層形式,網(wǎng)格間距均為20 cm×20 cm。最后復(fù)噴C25混凝土,噴射混凝土總厚度為28 cm。

初支侵限段加固后暫不實(shí)施換拱,跳過處治段施作二襯,待處治段前后二襯均施作完成后,再對該段進(jìn)行換拱。同時,在拆換鋼架過程中應(yīng)實(shí)時監(jiān)測圍巖變化情況,對監(jiān)控量測點(diǎn)位開展絕對值監(jiān)測,明確圍巖變化方向、速率、累計(jì)值等,并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋施工,實(shí)時調(diào)整支護(hù)參數(shù),確保施工質(zhì)量。

3.3 襯砌加固方案

初支侵限拆換拱完成后,持續(xù)加強(qiáng)監(jiān)控量測工作,待各測試項(xiàng)目的位移速率明顯收斂,圍巖基本穩(wěn)定后,及時進(jìn)行二次襯砌的施作。二次襯砌按照變更設(shè)計(jì)厚度60 cm控制,二襯拱墻環(huán)向主筋由原設(shè)計(jì)φ22 HRB400鋼筋加強(qiáng)為φ25 HRB400鋼筋。

4 結(jié)論

1)由于地下水的侵蝕,炭質(zhì)千枚巖發(fā)生軟化,巖體力學(xué)性質(zhì)變差,自承能力降低,在高地應(yīng)力持續(xù)作用下,圍巖發(fā)生擠壓大變形,進(jìn)一步誘導(dǎo)初支侵限。2)6 m錨桿結(jié)合小導(dǎo)管注漿加固對圍巖變形有一定控制作用,但6 m錨桿無法將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中,不能充分發(fā)揮錨桿懸吊能力,對圍巖變形控制效果有限,無法滿足現(xiàn)場圍巖變形需求,建議采用8 m長錨桿。3)初支拆換過程中應(yīng)實(shí)時監(jiān)測圍巖變化情況,對監(jiān)控量測點(diǎn)位開展絕對值監(jiān)測,明確圍巖變化方向、速率、累計(jì)值等,并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋施工,實(shí)時調(diào)整支護(hù)參數(shù),確保施工質(zhì)量。