公路隧道圍巖變形和支護(hù)開(kāi)裂機(jī)理及處治技術(shù)

王世平 羅明恒

(神農(nóng)架神松建筑有限責(zé)任公司,湖北 神農(nóng)架 442400)

公路隧道圍巖變形和支護(hù)開(kāi)裂機(jī)理及處治技術(shù)

王世平 羅明恒

(神農(nóng)架神松建筑有限責(zé)任公司,湖北 神農(nóng)架 442400)

在分析白巖溪隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂現(xiàn)狀，研究了隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的機(jī)理，提出了處治關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)展了實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)，結(jié)果表明，沉降及變形趨于穩(wěn)定，驗(yàn)證了所提出的處治關(guān)鍵技術(shù)切實(shí)有效。

公路隧道，圍巖變形，支護(hù)開(kāi)裂，處治技術(shù)，監(jiān)控量測(cè)

0 引言

湖北滬蓉高速公路宜昌至長(zhǎng)陽(yáng)段白巖溪隧道右幅里樁號(hào)YK54+031～YK55+231，全長(zhǎng)1.2 km，隧道最大埋深243 m，隧道穿越新華夏北北東向斷裂帶，地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，隧道地質(zhì)狀況復(fù)雜。在隧道施工過(guò)程中，多次發(fā)生圍巖大變形、初期支護(hù)和二次襯砌開(kāi)裂等現(xiàn)象，對(duì)隧道施工及安全造成了較大影響，本文就此對(duì)該隧道支護(hù)變形開(kāi)裂機(jī)理及處治技術(shù)進(jìn)行研究，既是對(duì)該隧道的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，也是為其他同類(lèi)工程提供相關(guān)借鑒。

1 工程地質(zhì)環(huán)境

1.1 工程地質(zhì)條件

白巖溪隧道穿越新華夏北北東向斷裂帶，地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，隧道地質(zhì)狀況復(fù)雜，隧道出露巖層以第四系粉質(zhì)粘土、碎石、泥質(zhì)頁(yè)巖為主，進(jìn)出口段強(qiáng)風(fēng)化層厚度達(dá)10 m以上，由于其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其共布設(shè)了6個(gè)鉆孔展開(kāi)勘察工作，進(jìn)出口各3個(gè)，鉆孔編號(hào)分別為ZK1～ZK6號(hào)鉆孔。鉆孔巖芯圖見(jiàn)圖1。

從出口段ZK6地質(zhì)鉆孔(樁號(hào)：ZK54+537)揭露的巖芯來(lái)看，隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高處巖體為中風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖，巖芯多成短柱狀，個(gè)別呈長(zhǎng)柱狀，說(shuō)明該段巖體節(jié)理裂隙一般發(fā)育，巖體完整性較好，另外揭露的巖芯具有一定的抗壓強(qiáng)度，屬于較軟巖。

1.2 水文地質(zhì)特征

隧址區(qū)地表水系較發(fā)育，隧道進(jìn)出口均有騾馬河流經(jīng)，低于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高約12 m～20 m，對(duì)工程影響不大。隧道洞身段附近無(wú)大的水體分布，多為季節(jié)性降水，水量不穩(wěn)定。根據(jù)區(qū)域水文資料及鄰近水文試驗(yàn)資料，隧址區(qū)地表水、地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其中的鋼筋具微腐蝕性。隧址區(qū)無(wú)大的地表水體，未見(jiàn)明顯地下水集中排泄通道，主要接受大氣降雨的垂直補(bǔ)給，總體水量較豐富。

2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形開(kāi)裂現(xiàn)狀及機(jī)理

2.1 隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂現(xiàn)狀

白巖溪隧道多處圍巖發(fā)生大變形，且支護(hù)結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生開(kāi)裂，出現(xiàn)變形及開(kāi)裂的里程段具體為：

1)出口右洞YK54+401～YK54+413段12 m和YK54+350～YK54+389段39 m范圍內(nèi)發(fā)生初期支護(hù)開(kāi)裂變形，鋼架扭曲情況較為嚴(yán)重，如圖2所示。

2)YK54+513～YK54+537段24 m和YK54+480～YK54+490段10 m范圍內(nèi)發(fā)生二次襯砌崩裂。原增設(shè)的二襯臨時(shí)護(hù)拱及斜撐變形也較為嚴(yán)重。出口左洞ZK54+435～ZK54+380段55 m范圍初期支護(hù)發(fā)生開(kāi)裂變形，其中ZK54+435～ZK54+400段右側(cè)35 m范圍邊墻侵陷較為嚴(yán)重，如圖3所示。

2.2 隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)理

從目前隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂變形的情況來(lái)看，白巖溪隧道YK54+537至洞口的二襯和初支較為穩(wěn)定，開(kāi)工以來(lái)從未出現(xiàn)開(kāi)裂變形現(xiàn)象，這與地質(zhì)鉆孔揭露的圍巖情況基本一致。按照一般地質(zhì)規(guī)律[1-3]，對(duì)于隨著隧道埋深的逐漸增大，圍巖風(fēng)化程度及破碎程度理應(yīng)逐漸變小，但從該隧道目前開(kāi)挖揭露的掌子面圍巖來(lái)看，隨著隧道埋深的增加，YK54+537向小樁號(hào)方向揭露的圍巖完整性及巖體強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢(shì)，由中風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化。

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道臨空面的產(chǎn)生使得隧道圍巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在強(qiáng)風(fēng)化的頁(yè)巖隧道中往往會(huì)出現(xiàn)較大的塑性圈，加之地下水以及開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，圍巖將進(jìn)一步損傷劣化，常會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，在長(zhǎng)期荷載作用下，圍巖逐漸蠕變直至發(fā)生大變形，產(chǎn)生大變形后又會(huì)加劇圍巖的損傷，裂隙的不斷發(fā)展導(dǎo)致地表水更容易下滲，進(jìn)一步軟化圍巖，使得巖石損傷劣化陷入惡性循環(huán)[4，5]。另外從揭露的圍巖中，發(fā)現(xiàn)了一些小型的地質(zhì)構(gòu)造體，例如小的褶皺及揉皺，表明該隧道的復(fù)雜地質(zhì)條件造成了目前隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

3 圍巖變形及支護(hù)開(kāi)裂處治關(guān)鍵技術(shù)

3.1 處治依據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并基于隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)理的分析可知，初支和二襯變形開(kāi)裂的原因可以大致歸結(jié)為以下三點(diǎn)：1)地質(zhì)原因(巖性條件差、連續(xù)強(qiáng)降雨下滲)；2)后行洞施工擾動(dòng)；3)施工原因(注漿效果不理想，施工質(zhì)量控制不嚴(yán))。

第一點(diǎn)可認(rèn)為是客觀原因，從目前揭露的圍巖來(lái)看，開(kāi)裂變形段圍巖條件確實(shí)較差，并且局部段落發(fā)現(xiàn)有小型地質(zhì)構(gòu)造體發(fā)育，后面兩點(diǎn)可認(rèn)為是人為因素。其中后行洞施工擾動(dòng)確實(shí)存在，因?yàn)閷?duì)于強(qiáng)風(fēng)化并且有軟弱夾層發(fā)育的頁(yè)巖隧道而言，隧道臨空面的產(chǎn)生必然會(huì)導(dǎo)致隧道圍巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并產(chǎn)生一定程度的塑性變形[6]，從現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況也印證了這一點(diǎn)，隨著左洞掌子面的掘進(jìn)，右洞對(duì)應(yīng)樁號(hào)的二襯及初支就會(huì)跟著一起開(kāi)裂。因此后行洞的施工擾動(dòng)確實(shí)在一定程度上加劇了先行洞右洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和開(kāi)裂。

3.2 處治關(guān)鍵技術(shù)

擬定圍巖變形及支護(hù)開(kāi)裂處治技術(shù)的原則為“先加固、后拆除、先處治、后施工、一次根治、不留后患、科學(xué)管理、持續(xù)改進(jìn)”[7，8]。首先對(duì)大變形段落進(jìn)行臨時(shí)拱架支立和注漿加固，然后進(jìn)行大變形段換拱施工，待換拱處理完成后恢復(fù)掌子面開(kāi)挖施工。具體的處治關(guān)鍵技術(shù)為：

1)注漿效果監(jiān)測(cè)。對(duì)于Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖而言，注漿效果的好壞可以說(shuō)決定了隧道工程的成敗，因此“注漿效果監(jiān)測(cè)”十分關(guān)鍵，所以，在拆除更換支護(hù)前應(yīng)對(duì)圍巖補(bǔ)注漿固結(jié)效果取芯觀測(cè)，達(dá)到漿固結(jié)效果后再對(duì)原有初支逐榀進(jìn)行拆除和更換。

2)增加鎖腳錨桿的數(shù)量。每段拱架安裝完畢后立即施打設(shè)鎖腳錨管并注漿，新安裝的鋼拱架與第一次初噴混凝土緊密相貼，此外，應(yīng)增加鎖腳錨桿的數(shù)量，并確保鎖腳錨桿施作的及時(shí)性。

3)U形連接鋼筋。鋼拱架間設(shè)置Φ22鋼筋縱向連接鋼筋，環(huán)向間距1 m，縱向連接鋼筋在施作時(shí)應(yīng)嚴(yán)格采用U形連接，以確保鋼架的垂直度以及鋼架間的整體受力。

4)加強(qiáng)排水系統(tǒng)。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)排水系統(tǒng)，增加輔助排水措施，另外在鋪設(shè)防水板前，應(yīng)將外露鋼筋、小導(dǎo)管切割掉，并將端口打磨圓滑，防止其割破防水板使得防水失效。

5)變更施工順序。在初支變形、二襯開(kāi)裂處置中，施工順序變更為先開(kāi)挖左洞，再開(kāi)挖右洞。從工期和工序上考慮，這種安排是比較合理。由于右洞開(kāi)裂變形段落較長(zhǎng)，處置時(shí)間必然較久，但目前工期要求又很緊張，因此左洞先行可以確保工程的順利開(kāi)展。

4 處治效果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證處治關(guān)鍵技術(shù)的處治效果，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)總體情況為：白巖溪隧道監(jiān)控起始于2013年7月1日，于隧道出口地表布設(shè)了11個(gè)地表下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中左洞出口6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，右洞5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。截至2013年10月12日及2014年1月12日，左右洞地表沉降分別趨于穩(wěn)定，時(shí)態(tài)曲線趨于平穩(wěn)，沉降速率約為0.2 mm/d，表明沉降及變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，此時(shí)對(duì)洞口地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)放棄監(jiān)測(cè)，后期安全風(fēng)險(xiǎn)較低。驗(yàn)證了所提出的處治關(guān)鍵技術(shù)切實(shí)有效。

ZK54+503斷面的累計(jì)拱頂下沉見(jiàn)圖4，下沉速率見(jiàn)圖5，累計(jì)水平收斂見(jiàn)圖6，水平收斂速率見(jiàn)圖7。

5 結(jié)語(yǔ)

從監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，所提出的處治關(guān)鍵技術(shù)具有良好的效果，能夠?yàn)轭?lèi)似工程提供參考和借鑒，同時(shí)，在后續(xù)施工過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1)選用有能力有信譽(yù)的施工作業(yè)隊(duì)伍，項(xiàng)目分部在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)進(jìn)一步增加技術(shù)人員配置，落實(shí)崗位責(zé)任制，建議和施工隊(duì)簽訂“清包工合同”，這樣更有利于施工作業(yè)的質(zhì)量控制。2)應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)尺和施工步距，將材料中所提的“短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、早封閉、勤量測(cè)”落實(shí)到位。實(shí)施“弱爆破”，優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格控制裝藥量以保證良好的爆破效果，減少爆破對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

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The surrounding rock deformation and support cracking mechanism and treatment technology of highway tunnel

Wang Shiping Luo Mingheng

(ShennongjiaShensongConstructionCo.,Ltd,Shennongjia442400,China)

Based on the analysis of the engineering geology and hydrological condition of Baiyanxi Tunnel, the paper combines with the tunnel surrounding rock deformation and cracks on support structure, researches the mechanism for the tunnel surrounding rock deformation and structural cracks, points out the key techniques of the treatment, has the real time supervision and measure, and proves by the result that the settlement and deformation tends to be stable, and proves the technique is effective.

road tunnel, surrounding rock deformation, support crack, treatment technique, supervision and measurement

2015-04-20

王世平(1969- )，男，工程師； 羅明恒(1983- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0169-03

U457

A