對(duì)某高速公路隧道初支結(jié)構(gòu)變形段處治的思考

牛 紫 龍

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510080)

對(duì)某高速公路隧道初支結(jié)構(gòu)變形段處治的思考

牛 紫 龍

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510080)

鑒于初期支護(hù)是二次襯砌的基礎(chǔ),初期支護(hù)大變形的預(yù)防與整治是破碎松散地質(zhì)條件下隧道施工的關(guān)鍵,針對(duì)初期支護(hù)大變形的危害,分析了某高速公路隧道初期支護(hù)大幅變形的原因,提出了初期支護(hù)大變形的整治措施。

隧道，支護(hù)，變形，下沉，加固

1 工程概況

該高速公路隧道為左右分離式隧道，隧道左線長(zhǎng)565 m，右線長(zhǎng)640 m。其中左、右線分別位于半徑3 500 m和3 100 m的圓曲線上，線間距為33 m，隧道凈寬15.5 m，凈高5.0 m。隧道埋深為5 m～60 m，穿越地段基巖為全～強(qiáng)風(fēng)化砂頁(yè)巖夾灰?guī)r，巖質(zhì)軟弱，裂隙極發(fā)育。全隧道設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖工法。隧道按新奧法原理設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)采用錨、網(wǎng)、噴、鋼拱架組成初期支護(hù)與二次模筑混凝土相結(jié)合的復(fù)合式襯砌形式。設(shè)計(jì)襯砌類型為S5b型。初期支護(hù)工字鋼拱架型號(hào)20b，間距50 cm；雙層Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm；C25噴射混凝土28 cm厚。襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)55 cm厚C25防水混凝土，主筋Φ25螺紋鋼，間距20 cm。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 隧道變形段開挖實(shí)際揭露地質(zhì)

原設(shè)計(jì)資料顯示該段開挖面已全部進(jìn)入了灰?guī)r。而據(jù)地表鉆孔和實(shí)際開挖揭示，隧道變形段所處地質(zhì)條件較差，其上覆粉質(zhì)粘土殘坡積層，揭露深度為1.4 m～29.1 m，坡體中部層厚較大，局部有炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖夾層(0.9 m～3.5 m)，下伏中～微風(fēng)(炭質(zhì))化灰?guī)r、砂巖為主。

3 隧道初支變形情況描述

3.1 隧道內(nèi)初支變形情況

隧道在開挖右側(cè)壁YK97+760仰拱時(shí)，臨時(shí)側(cè)壁出現(xiàn)了滑移垮塌，垮塌縱向長(zhǎng)約7 m。同時(shí)，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察和量測(cè)，ZK97+717～ZK97+784段(共計(jì)67 m)左右側(cè)壁初支開裂加劇，部分初支向隧道內(nèi)側(cè)鼓脹變形，鋼拱架扭曲失效，側(cè)壁上中臺(tái)階連接處拱架錯(cuò)位變形最為明顯，形成剪切破壞形態(tài)，多段初支侵入二襯輪廓線5 cm～40 cm不等。初支變形破壞情況如圖2所示。

3.2 地表開裂情況

隧道K97+600.0～K97+680.0范圍左、右幅隧道間自然地表出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象。其中，第一條張拉裂縫位于左幅隧道右導(dǎo)洞上方，走向近洞軸向，長(zhǎng)約20余米，最大寬度約10 cm，可測(cè)深超1 m；第二條裂縫位于左右幅隧道間，走向與洞軸向呈一定角度，長(zhǎng)約14 m，最大寬度約30 cm，可測(cè)深超1 m；第三條裂縫位于右幅隧道右導(dǎo)洞上方，走向近洞軸向，長(zhǎng)約9 m，最大寬度約10 cm，可測(cè)深超1 m。地表開裂情況如圖3所示。

4 初支結(jié)構(gòu)變形原因分析

從初支破壞的形態(tài)看，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)明顯受到了巨大的外力作用，結(jié)合監(jiān)測(cè)發(fā)展數(shù)據(jù)分析，整個(gè)坡體是存在變形滑動(dòng)或者說(shuō)是蠕動(dòng)的，但又沒(méi)能找出明顯滑動(dòng)面，即不能斷定隧道結(jié)構(gòu)破壞由滑坡引起，分析可能有以下幾方面因素綜合導(dǎo)致初支產(chǎn)生重大變形：

1)因前期施工掘進(jìn)、爆破等人工活動(dòng)的影響，破壞了坡體的自然平衡，使中部土體產(chǎn)生松弛開裂變形，繼而牽引后部部分坡體向前方產(chǎn)生擠壓或推移。

2)外加前期降雨影響，大量地表水不斷入滲，使得坡體飽水，自重加大，不斷軟化巖土體，抗剪強(qiáng)度降低，致使邊坡局部受力進(jìn)一步增加，誘使坡體局部出現(xiàn)明顯的變形滑動(dòng)。

3)由于隧道上方自然坡體的潛在滑動(dòng)，隧道上方原有土體的穩(wěn)定形態(tài)被擾動(dòng)，不能再依據(jù)新奧法的設(shè)計(jì)原理形成隧道自然拱，隧道初期支護(hù)承擔(dān)著上覆飽水土體的巨大荷載，圍巖和初支結(jié)構(gòu)受力逐步增加至超出承載范圍而造成初支結(jié)構(gòu)變形發(fā)展、拱架扭曲和剪切形態(tài)破壞。

4)隨著隧道停止掘進(jìn)擾動(dòng)和滑動(dòng)后土體應(yīng)力的重新調(diào)整，隧道初支結(jié)構(gòu)、上方土體荷載又形成了新的應(yīng)力平衡，這又是變形發(fā)生后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未能反映土體繼續(xù)滑動(dòng)和結(jié)構(gòu)深層破壞的原因。

綜上所述，隧道施工掘進(jìn)擾動(dòng)和爆破影響坡體自然平衡，加上降雨引發(fā)的土體荷載增大，是引起初支結(jié)構(gòu)變形破壞的誘因。由于山體已有的滑動(dòng)和擾動(dòng)，加上巨大的山體外力存在，設(shè)計(jì)上無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)當(dāng)前隧道支護(hù)參數(shù)的安全度進(jìn)行評(píng)判，也給下一步的施工安全帶來(lái)極大的不確定因素和風(fēng)險(xiǎn)，也不排除滑動(dòng)面(帶)貫通發(fā)展、深部發(fā)展的可能，因此在制定處治方案和措施上遇到很大困難。

5 變形處治方案及效果

總體上講，初支結(jié)構(gòu)破壞原因分析特別是后期變形是否發(fā)展存在大的不確定性，增大了處治方案確定的難度，但是工程不能停滯不前，只得被迫在處治方案或者措施上進(jìn)行嘗試或試驗(yàn)，以最終結(jié)構(gòu)能否穩(wěn)定來(lái)驗(yàn)證其方案是否可行。最后，通過(guò)專家會(huì)議確定，選取了一段已經(jīng)遭到破壞的初支結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)段來(lái)恢復(fù)施工。

5.1 試驗(yàn)段施工原則

以確保施工安全為前提，先通過(guò)TSS注漿改良開挖輪廓線外3 m～5 m范圍土體恢復(fù)隧道組合拱，由新的組合拱來(lái)承載土壓力，再對(duì)初支變形部位恢復(fù)開挖換拱，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道永久初支結(jié)構(gòu)體系的可靠性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)段施工過(guò)程加密監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格工藝、工法控制。如果試驗(yàn)段恢復(fù)開挖換拱后山體穩(wěn)定無(wú)滑動(dòng)，并且試驗(yàn)段新的初支結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定可行，則二襯緊跟封閉，否則該方案不可行。通過(guò)總結(jié)試驗(yàn)段的參數(shù)和工藝，以此指導(dǎo)后續(xù)段施工。

5.2 試驗(yàn)段細(xì)化方案

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，試驗(yàn)段選定在隧道左線左側(cè)壁ZK97+717～ZK97+723段，長(zhǎng)度為6 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量該段初支剪切變形破壞已侵入二襯輪廓線。對(duì)變形段進(jìn)行設(shè)計(jì)加強(qiáng)，設(shè)計(jì)襯砌類型為S5a型。初期支護(hù)工字鋼拱架型號(hào)25a，間距50 cm；雙層Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm；C25噴射混凝土31 cm厚。襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)60 cm厚C25防水混凝土，主筋Φ25螺紋鋼，間距20 cm。

方案施工流程為：先進(jìn)行隧道TSS徑向注漿改良土體恢復(fù)組合拱，再進(jìn)行開挖換拱支護(hù)，同步觀測(cè)山體是否存在滑動(dòng)，做好洞內(nèi)監(jiān)測(cè),依據(jù)監(jiān)測(cè)情況決策下步襯砌和后續(xù)循環(huán)。

5.3 試驗(yàn)段驗(yàn)證效果

1)注漿后圍巖改良效果。試驗(yàn)段TSS注漿管按1 m×1 m間距，梅花形布置，試驗(yàn)段環(huán)向布設(shè)數(shù)量為31根，縱向布設(shè)7排，總數(shù)量217根。注漿量共341.3 m3，注漿管數(shù)量為868 m，每延米實(shí)際注漿量約0.24 m3。本次注漿達(dá)到了預(yù)期效果，且在注漿過(guò)程中，注漿終壓控制在2.0 MPa。開挖后，土體穩(wěn)定性有了明顯改善，確保了試驗(yàn)段順利換拱開挖。

2)換拱施工。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段換拱嚴(yán)格按方案施工，每次換1榀，利用防水板臺(tái)架作為操作平臺(tái)，施工時(shí)人工風(fēng)鎬破除原噴射混凝土及二次開挖。現(xiàn)場(chǎng)開挖后，發(fā)現(xiàn)土體密實(shí)堅(jiān)硬，干燥無(wú)水，自穩(wěn)性較好。

3)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)情況。試驗(yàn)段施工期間，項(xiàng)目監(jiān)控量測(cè)組嚴(yán)格執(zhí)行施工監(jiān)控量測(cè)專項(xiàng)方案，加密監(jiān)測(cè)頻率，在ZK97+717及ZK97+722兩個(gè)斷面設(shè)置洞內(nèi)拱頂沉降和邊墻收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，確保及時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，以便及時(shí)調(diào)整施工方案，信息化指導(dǎo)施工。

換拱后通過(guò)近一個(gè)月的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)后期日變化速率逐步減小，期間最大沉降速率1.9 mm/d，最大收斂速率2.1 mm/d，累計(jì)最大沉降32.1 mm，累計(jì)最大收斂38.7 mm，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，換拱后，隧道變形逐步趨于穩(wěn)定，初支處于穩(wěn)定狀態(tài)，在安全可控施工范圍內(nèi)。隨即跟進(jìn)完成了加強(qiáng)設(shè)計(jì)后的二次襯砌封閉，適當(dāng)延長(zhǎng)了二襯拆模養(yǎng)護(hù)時(shí)間，襯砌后仍保持不間斷監(jiān)測(cè)，顯示結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無(wú)破壞跡象。

4)洞外監(jiān)測(cè)情況。試驗(yàn)段施工期間，是地區(qū)降雨較為集中的月份，月降雨約184 mm。洞外巡查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：ZK97+670.0右約5 m及25 m兩條既有封閉裂縫未見明顯發(fā)展，地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映淺層地表位移相對(duì)較小，深部位移反映Ⅱ—Ⅱ及Ⅲ—Ⅲ監(jiān)測(cè)斷面附近坡體(在隧道拱頂上方)整體狀態(tài)穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

總體上講，依據(jù)洞內(nèi)外變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，山體和已處治完成的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定和安全的狀態(tài)，驗(yàn)證了該6 m試驗(yàn)段方案是可行的。剩余的61 m嚴(yán)重變形段均采用試驗(yàn)段確定的方案進(jìn)行了實(shí)施，最終安全的完成了該段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，持續(xù)洞內(nèi)外變形監(jiān)測(cè)也表明了該段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定和安全的。

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Introduction of an expressway tunnel deformation of the structure in the early period of treatment of thinking

Niu Zilong

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Guangzhou510080,China)

As early support is the foundation of the second lining, the prevention and renovation for large-scale deformation of early support have become the key to he excavation of soft surrounding rock tunnels. In the light of the harms in large-scale deformation of early support, this paper analyzes the cause of large-scale deformation of early support in a tunnel. The measures for renovation of large-scale deformation of early support are presented.

tunnel， support， deformation， subsidence， strengthening

2014-12-16

牛紫龍(1976- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0170-02

U451

A