峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段變形施工技術(shù)研究

李新亮

(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 404100)

0 引言

隨著隧道工程得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在地形、地貌及地質(zhì)背景復(fù)雜的地區(qū)，修建穿越高地應(yīng)力且地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖區(qū)的長(zhǎng)大隧道工程不可避免［1］。在山嶺深埋隧道建設(shè)過(guò)程中，除了需考慮松弛壓力，還需考慮在高地應(yīng)力作用下的軟弱圍巖蠕變壓力，隧道在此狀態(tài)下圍巖自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖易發(fā)生擠壓變形，嚴(yán)重破壞隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，常規(guī)的施工技術(shù)無(wú)法有效遏制其變形的發(fā)展。由于隧道圍巖軟弱、地應(yīng)力較高、變形大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，為高速公路長(zhǎng)大隧道的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了重大的挑戰(zhàn)［2］。目前我國(guó)在高地應(yīng)力軟巖隧道建設(shè)時(shí)，對(duì)隧道圍巖變形和控制的理論缺乏系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)和施工的工程措施缺乏針對(duì)性，施工安全難以保證，工程投資難以有效控制［3］。

本文以峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段為依托，開(kāi)展施工技術(shù)系統(tǒng)研究，分析高地應(yīng)力軟巖隧道的地質(zhì)條件、圍巖及初期支護(hù)變形特征，運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)手段，采用交叉中隔壁法開(kāi)挖，采取噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和可伸縮性U形鋼架等相結(jié)合的聯(lián)合初期支護(hù)技術(shù)，并及時(shí)施作仰拱、二次襯砌等支護(hù)措施，有效地控制了峽口隧道進(jìn)口段高地應(yīng)力軟巖大變形。對(duì)國(guó)內(nèi)外同類工程施工具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和借鑒價(jià)值。

1 工程概況

峽口隧道位于湖北省興山縣峽口鎮(zhèn)境內(nèi)，是宜巴高速公路重點(diǎn)控制性工程，具有“高地應(yīng)力、軟巖、順層、斷層、深埋、大變形”等特點(diǎn)，隧道區(qū)地層巖性主要為砂質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)泥巖，圍巖巖體較破碎、拱頂易順層片落。地下水以基巖裂隙水為主，偶有線狀滲水現(xiàn)象。隧道最大埋深約1 500 m，屬深埋特長(zhǎng)隧道。

隧道圍巖內(nèi)部存在著高地應(yīng)力，隧道區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，水平地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主;其中，最大水平主應(yīng)力與隧道軸線的交角較大，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性不利;地應(yīng)力量值中炭質(zhì)頁(yè)巖為極高應(yīng)力。隧道現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)試結(jié)果［4］顯示，洞身最大水平應(yīng)力為13.06 MPa，橫斷面最大初始應(yīng)力 σmax=12.37 MPa，對(duì)應(yīng)巖體(炭質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)泥巖)的單軸抗壓強(qiáng)度 Rc=2.5 MPa～8.7 MPa，Rc/σmax=0.2 ～0.7。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［5］，地應(yīng)力等級(jí)為高、極高地應(yīng)力，隧道極易產(chǎn)生大變形。

2 隧道變形特征

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段洞身圍巖巖體比較破碎，拱頂易順層片落，隧洞側(cè)壁偶有掉塊現(xiàn)象;洞室多呈干燥狀，且局部裂隙滴狀滲水，偶有線狀滲水現(xiàn)象。隧洞掌子面揭露的圍巖情況表明，該段圍巖巖體節(jié)理、裂隙遍布，巖體非常破碎，巖層多呈薄層、交互狀，開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)能力差，易坍塌。

該洞在此段原設(shè)計(jì)采用臺(tái)階分部開(kāi)挖法，初期支護(hù)施工實(shí)際采用Ⅰ16，Ⅰ18及Ⅰ20工字鋼+噴錨支護(hù)，榀間距60 cm～100 cm，噴射混凝土厚度22 cm～30 cm不等，錨桿長(zhǎng)度3 m～3.5 m，錨桿縱向間距與鋼支撐間距一致，環(huán)向間距為1.2 m。隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后，圍巖發(fā)生大變形，部分?jǐn)嗝姘l(fā)生侵限現(xiàn)象。其中YK105+076～YK105+100段通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示局部最大拱頂下沉量累計(jì)達(dá)到了64 cm，周邊收斂最大11 cm，遠(yuǎn)大于初始預(yù)留變形量。

隧道初期支護(hù)襯砌裂縫先自拱腳部位產(chǎn)生，最初為羽狀剪裂紋，隨后向拱頂發(fā)展，最后形成貫穿裂縫，裂縫寬度達(dá)1 cm～2 cm。在高地應(yīng)力軟巖段，圍巖變形強(qiáng)烈，而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在初期變形后，變形并沒(méi)有停止，而是以等速繼續(xù)發(fā)展，甚至加速發(fā)展，多呈不收斂的趨勢(shì)，反映了高地應(yīng)力作用下圍巖具有軟弱和顯著的流變性特征。隧道圍巖的持續(xù)變形，使初期支護(hù)變形過(guò)大而發(fā)生破壞，不得不進(jìn)行拆換拱或套拱施工，對(duì)隧洞安全十分不利。

3 變形施工技術(shù)

在高地應(yīng)力軟巖隧道施工過(guò)程中，處于高地應(yīng)力環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)巖體遭到破壞，引起圍巖應(yīng)力重分布和局部區(qū)域應(yīng)力集中，引起圍巖塑性和粘性流動(dòng)，產(chǎn)生隨時(shí)間增長(zhǎng)的變形。另一方面，經(jīng)常由于設(shè)計(jì)施工初期對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道認(rèn)識(shí)不足，采用較弱的初期支護(hù)參數(shù)、不合理的開(kāi)挖方法、未及時(shí)支護(hù)等，直接導(dǎo)致圍巖變形發(fā)展快，造成變形超限，甚至引起坍塌失穩(wěn)。

工程實(shí)踐表明，工程擾動(dòng)是產(chǎn)生隧道大變形的主要外部因素;而不合理的支護(hù)參數(shù)、開(kāi)挖方法等是產(chǎn)生大變形的直接原因。峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段施工過(guò)程中，采取深入分析圍巖變形機(jī)理，采用結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，調(diào)整優(yōu)化施工工藝、支護(hù)參數(shù)等綜合施工技術(shù)措施，控制圍巖變形的發(fā)展，使圍巖重新處于新的平衡狀態(tài)。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

目前國(guó)內(nèi)外超前預(yù)報(bào)主要采用TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、圍巖地質(zhì)素描和超前水平鉆孔［6］等方式。在峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段開(kāi)挖前，為了解前方地質(zhì)情況，主要采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行工作面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)，TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來(lái)預(yù)報(bào)隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。其中YK104+858～YK104+978范圍TSP探測(cè)結(jié)果的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)如表1所示。

表1 TSP探測(cè)結(jié)果的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

探測(cè)段YK104+858～YK104+978中，巖性為灰?guī)r夾頁(yè)巖、頁(yè)巖;灰?guī)r呈中厚層狀，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu);頁(yè)巖呈中薄層狀結(jié)構(gòu);整體上水量不大，呈潮濕或滴水狀;炭巖段因巖性較硬且地層傾向掌子面前方，穩(wěn)定性一般，僅局部易掉塊;頁(yè)巖段，巖體軟弱，易大變形和坍塌，建議加強(qiáng)并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。

3.2 超前支護(hù)加固

峽口高地應(yīng)力軟巖段隧道，因隧洞區(qū)圍巖破碎、地應(yīng)力高、開(kāi)挖施工后不能自穩(wěn)，為保持拱部圍巖穩(wěn)定。施工過(guò)程中在掌子面掘進(jìn)前采用小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù)。小導(dǎo)管制作采用的熱軋無(wú)縫鋼管外徑為42 mm、壁厚為3.5 mm，小導(dǎo)管前端呈尖錐狀，以減少入孔的阻力，注漿壓力選擇為0.5 MPa～1.0 MPa。在小導(dǎo)管2.9 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的管壁四周鉆6 mm壓漿孔，呈梅花形布置。小導(dǎo)管間距為15 m，尾部有1 m不設(shè)壓漿孔，焊上Φ6的箍筋。前后兩循環(huán)小導(dǎo)管縱向搭接長(zhǎng)度不小于1 m，以保證超前支護(hù)的連續(xù)性。施工時(shí)小導(dǎo)管與襯砌中線平行，以10°～15°仰角打入拱部圍巖，并通過(guò)小導(dǎo)管將水泥漿強(qiáng)制注入至拱部巖石裂隙內(nèi)，能夠極大的提高隧洞開(kāi)挖安全性，有效的防止了坍塌。

3.3 合理開(kāi)挖方法

對(duì)于軟弱圍巖隧道采用臺(tái)階法施工，各施工工序間距太長(zhǎng)，仰拱閉合滯后，無(wú)法及時(shí)形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，襯砌不能緊跟澆筑，致使初期支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度不足，易導(dǎo)致開(kāi)挖大變形，甚至引起坍塌失穩(wěn)，經(jīng)常不得不進(jìn)行初期支護(hù)拆換、隧洞擴(kuò)挖等處理措施。

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段原設(shè)計(jì)施工采用環(huán)形臺(tái)階法開(kāi)挖，出現(xiàn)圍巖大變形后，改用為中隔壁交叉法開(kāi)挖。中隔壁交叉法采用先開(kāi)挖隧道一側(cè)的一或二部分，并施作部分中隔壁和橫隔板;再開(kāi)挖隧道另一側(cè)的一或二部分，完成橫隔板施工;然后再開(kāi)挖最先施工一側(cè)的最后部分，并延長(zhǎng)中隔壁，最后開(kāi)挖剩余部分的施工方法。其將斷面分塊，減小開(kāi)挖跨度和降低開(kāi)挖高度，形成分部開(kāi)挖，分塊成環(huán)，及時(shí)封閉，環(huán)環(huán)相扣，形成全斷面初期支護(hù)封閉結(jié)構(gòu)。中隔壁交叉法可有效減緩圍巖變形速率，承受圍巖壓力，對(duì)于控制圍巖大變形，具有明顯的效果。

3.4 強(qiáng)化初期支護(hù)

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段初期支護(hù)調(diào)整采用錨+噴+網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，按照初噴混凝土、立U形鋼架、打錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、復(fù)噴混凝土至襯砌設(shè)計(jì)厚度的順序，緊跟隧道開(kāi)挖面進(jìn)行支護(hù)施工。其調(diào)整后參數(shù)為:噴射混凝土26 cm;全斷面布置φ8鋼筋網(wǎng)(25 cm×25 cm);鋼拱架采用U29的型鋼，其間距為1.2 m;型鋼間采用φ22縱向連接筋連接成整體;錨桿采用長(zhǎng)4 m的φ22砂漿錨桿，縱環(huán)向間距為120 cm×100 cm，梅花形布置。

3.5 適時(shí)二次襯砌

隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)對(duì)于控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形具有重要作用，襯砌時(shí)機(jī)不當(dāng)，易導(dǎo)致二次襯砌破壞，隧道凈空被侵限。為保證隧道能夠抵御巨大形變壓力，峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段二次襯砌應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土最小厚度為45 cm，在圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果收斂后再進(jìn)行施工。對(duì)于大變形隧道，具有變形量大、收斂速度慢的特點(diǎn)，隧道在遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范要求的收斂變形速率時(shí)初期支護(hù)可能就已失穩(wěn)破壞，合理的二次襯砌施作時(shí)機(jī)對(duì)于大變形隧道至關(guān)重要。峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段變形速率小于1 mm/d～2 mm/d時(shí)，立即施作45 cm厚的鋼筋混凝土二次襯砌，距離掌子面70 m～80 m左右，讓襯砌承受部分形變壓力，可有效控制大變形發(fā)展。這是軟巖大變形控制中“先放后抗”的原則。

4 圍巖監(jiān)控量測(cè)

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段圍巖監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括支護(hù)結(jié)構(gòu)受力量測(cè)和圍巖變形量量測(cè)。

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力量測(cè)

為掌握峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段隧洞開(kāi)挖后圍巖壓力分布特點(diǎn)，以及初襯、二襯施作后受力隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究隧洞在現(xiàn)有施工技術(shù)下的變形控制效果。開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)控量測(cè)。采用埋設(shè)壓力盒和鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行量測(cè)，根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)情況，選定某些典型斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。分別在斷面拱頂、兩側(cè)拱腰和拱腳位置布設(shè)土壓力盒和鋼拱架表面應(yīng)變計(jì)。其中YK105+122斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1，圖2所示。

圖1 YK105+122斷面接觸壓力監(jiān)測(cè)曲線

圖2 YK105+122斷面鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線

YK105+122斷面在埋設(shè)監(jiān)測(cè)元件前，隧洞初襯已產(chǎn)生貫通性裂縫，并對(duì)拱頂進(jìn)行了清理和換拱工作，使得圍巖壓力得到進(jìn)一步的釋放。

根據(jù)圍巖接觸壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果圖1可知，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，該斷面圍巖與結(jié)構(gòu)接觸壓力具有不斷增加趨勢(shì)，最大應(yīng)力達(dá)100 kPa左右。鋼拱架表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示，其顯示斷面換拱后鋼拱架受力持續(xù)增加，兩拱腰與拱頂處受力最大，其中右拱腰最大應(yīng)力為223.5 MPa。雖然該斷面目前仍處于非穩(wěn)定受力狀態(tài)，但均處在安全范圍，且隨時(shí)間變化其應(yīng)力增加緩慢。說(shuō)明斷面受高地應(yīng)力作用，圍巖巖性較差，不斷向洞內(nèi)擠壓變形，后期伴隨高地應(yīng)力的完全釋放、二次襯砌施作，圍巖將重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，鋼拱架受力將趨于穩(wěn)定。

4.2 圍巖變形量量測(cè)

隧道圍巖變形量量測(cè)包括拱頂下沉量量測(cè)和水平位移量量測(cè)。圍巖變形量量測(cè)是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映，為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的數(shù)據(jù)，可根據(jù)變形速度判斷隧道圍巖的穩(wěn)定程度。主要用于指導(dǎo)施工，判斷施工技術(shù)效果，能夠及時(shí)掌握隧道整體的穩(wěn)定情況。

拱頂下沉與水平位移量測(cè)點(diǎn)布設(shè)為同一斷面，采用隧道周邊、拱頂位置埋設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行拱頂變形量測(cè)。隧道拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)和掛鉤鋼尺量測(cè)，并配以拱頂點(diǎn)掛鉤吊掛;水平收斂量測(cè)采用數(shù)顯式收斂計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。洞內(nèi)每隔5 m～20 m設(shè)置一處觀察斷面，盡可能靠近開(kāi)挖工作面埋設(shè)，一般為0.5 m～2 m。初讀數(shù)在開(kāi)挖后12 h內(nèi)讀取，最遲不超過(guò)24 h，而且在下一循環(huán)開(kāi)挖前，完成初期變形值讀數(shù)。其中YK105+240斷面圍巖變形量測(cè)結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3 YK105+240斷面拱頂累計(jì)沉降量與沉降速率

圖3顯示，監(jiān)測(cè)斷面 YK105+240拱頂累計(jì)沉降量達(dá)－116.4 mm;拱頂沉降變形較大，支護(hù)初期沉降速率較大，圍巖變形發(fā)展較快。

圖4表明，監(jiān)測(cè)斷面YK105+240累計(jì)水平收斂66.64 mm;顯示斷面開(kāi)挖卸荷后水平收斂速率較大，水平位移快速增長(zhǎng)。說(shuō)明該段隧洞圍巖巖性較差，初始地應(yīng)力水平高，隧洞開(kāi)挖后圍巖產(chǎn)生擠壓大變形，圍巖自穩(wěn)能力差。但伴隨高地應(yīng)力軟巖隧道變形施工技術(shù)的相關(guān)施工措施實(shí)施，圍巖變形速率明顯得到很好的控制，拱頂位移緩慢增長(zhǎng)、下沉量不再增長(zhǎng)，水平位移增長(zhǎng)緩慢，圍巖趨于穩(wěn)定。

圖4 YK105+240斷面周邊收斂量與收斂速率

5 結(jié)語(yǔ)

1)高地應(yīng)力軟巖隧道具有圍巖變形強(qiáng)烈，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探明掌子面前方地質(zhì)情況，對(duì)施工可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害建立預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)化施工，是高地應(yīng)力軟巖隧道變形施工技術(shù)有效的手段。

2)峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段采用的小導(dǎo)管注漿預(yù)加固，交叉中隔壁法開(kāi)挖，錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，適時(shí)二次襯砌等綜合變形施工技術(shù)，是保證隧道圍巖變形穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的重要技術(shù)措施。

3)隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力量測(cè)和凈空變形量測(cè)結(jié)果顯示，峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段伴隨變形施工技術(shù)的相關(guān)施工措施實(shí)施，圍巖變形速率明顯得到很好控制，位移增長(zhǎng)緩慢，圍巖趨于穩(wěn)定。表明峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段變形施工技術(shù)是科學(xué)的、合理的，對(duì)國(guó)內(nèi)外類似工程建設(shè)具有很好的借鑒意義。

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