攀田高速公路隧道病害處治技術研究

張茂林(四川遂廣遂西高速公路有限責任公司 629000)

攀田高速公路隧道病害處治技術研究

張茂林
(四川遂廣遂西高速公路有限責任公司 629000)

隨著我國國民經濟的高速發展和西部大開發戰略的深入實施，西部地區的高等級公路、鐵路、水電工程建設規模日益擴大，隧道項目越來越多。在隧道修建過程中，隧道塌方、大變形等問題成為人們日益關注的病害問題。隧道塌方、大變形發生原因復雜，發生后不僅延誤工期、大幅度提高工程費用，而且易出現人員傷亡。因此研究隧道塌方和大變形的發生原因及其處治方法愈顯緊迫與重要。本文依托四川省攀枝花至田房高速公路建設項目，討論了隧道塌方、大變形病害的分類和形成機理，介紹了隧道塌方、大變形病害處治原則及處治措施。

公路隧道；塌方；大變形；處治技術；評價

1 隧道病害處治技術

1.1 隧道塌方處治技術

仰坡加固完成后，對于洞口段已露空的洞身，可采用暗洞明做或改為明洞襯砌，拱圈上部回填土石或漿砌片石。

根據仰坡塌方的規模及處理后的穩定情況，對洞內二次襯砌進行適當加強，如增大襯砌厚度或采用鋼筋混凝土、鋼架混凝土襯砌等。超前錨桿是沿開挖輪廓線，以稍大的外插角，向開挖面前方安裝錨桿，形成對前方圍巖的預錨固，在提前形成的圍巖錨固圈的保護下進行開挖等作業。這種超前支護柔性較大，整體剛度較小。雖然它們可以與系統錨桿焊接以增強其整體性，但對于圍巖應力較大時，其后期支護剛度就有些不足。因此此類超前支護主要適用于應力不大，地下水較少的軟弱破碎圍巖的隧道工程中，如土砂質地層、弱膨脹性地層、流變性較小的地層、裂隙發育的巖體、斷層破碎帶等、淺埋無顯著偏壓的隧道。

1.2 管棚

管棚是利用鋼拱架與沿開挖輪廓線，以較小的外插角、向開挖面前方打入鋼管或鋼插板構成的棚架來形成對開挖面前方圍巖的預支護。采用鋼管的管棚又分為短管棚（L＜10m）和長管棚（L＝10～45m）。管棚應采用鋼管或者鋼插板做縱向預支撐，又用鋼拱架做環向支撐，其整體剛度加大，對圍巖變形的限制能力較強，且能提高承受早期圍巖壓力。因此管棚多適用于圍巖壓力來的大，用于對圍巖變形及地表下沉有較嚴格限制要求的軟弱破碎圍巖的隧道。

2.隧道圍巖大變形處治技術

2.1 軟弱圍巖大變形支護作用機理分析

軟弱圍巖一般結構疏松、密度小、孔隙率大，膠結差或未膠結，受地質構造破壞，存在的軟弱面、節理、裂隙極易破碎和滑落，開挖后膨脹等，其變形壓力與支護也是當今世界地下工程中復雜而重要的問題。當地下工程遇到此類巖層時，會給施工帶來很大困難。

（1）圍巖變形與壓力變化隨時間有明顯的階段性。軟巖開挖后，圍巖初期變形速度快，逐步過渡到比較穩定，之后變形速度又急速增加，最終促使隧道破壞。

（2）圍巖變形與壓力變化有明顯的空間效應。軟巖工程變形受空間的影響主要是埋深和所處的位置。根據前蘇聯C·P·阿維爾申的觀點，由于體積壓縮和形狀改變而積聚的彈性能與深度的平方成正比。所以在相同的地質與支護條件下，深部的隧道比淺部的“擠、壓、膨”現象更為嚴重。

2.2 軟弱圍巖支護作用的機理分析

對于軟弱圍巖，錨桿作用是上述作用的組合。軟弱圍巖一般成巖程度極差，巖體中的結構面多不可數，高度密集，巖體呈松散狀態，實質上已演變成土體，強度很低。這種巖體失穩的主要形式是拱部先塌落。地應力越高，巖體的自穩時間越短，有的甚至來不及支護。錨桿的布置、密度和長度要視圍巖的摩擦特性和地應力特點而定。錨桿主要作用是擠壓、懸吊和組合拱效應。按照通常理論，初期支護采用錨桿支護，其作用方式是：要求錨桿穿過塑性區，并延伸進入彈性區域內足夠深度，確定起“固定點”。從力學角度看，錨桿長度最好超過1.5倍塑性區寬度。然而，從應用的角度看，實際能夠有效安裝錨桿的長度是非常有限的，因為錨桿越長，技術要求越高，施工難度也越大。盡管如此，但對于大變形破壞而言，最嚴重的問題不在于控制塑性區的范圍或者是圍巖徑向變形的大小，而在于消除導致圍巖塑性區內部連續性喪失的深度破壞塑性區域，增強圍巖抵抗不協調變形破壞的能力。當側壓力系數為1.5時，發生臺階位置的深度約為其塑性區半徑的1/3～1/2，因此，打設足夠長的錨桿長度穿越產生深度破壞塑性區，是能夠實現的。

2.3 圍巖大變形隧道開挖方法

軟弱圍巖大變形隧道開挖方法的選擇，必須根據圍巖的地質條件、受力狀態、機械設備能力、施工安全等因素綜合考慮，具體的施工原則是：

①弱爆破，盡量減少對圍巖的擾動；

②短開挖、多循環、快封閉，能快速形成封閉結構；

③有效控制隧道的拱頂下沉、隧底隆起和水平收斂變形，保證施工安全可靠；2.4圍巖大變形處治

（1）不是被動地承受圍巖擠壓力而是主動加固圍巖，從提高圍巖力學性能著手，從源頭上減小擠壓力，其主要措施是錨桿和注漿，使隧道周邊形成加固圈，由加固圈承受一部分荷載。

（2）采用加長錨桿和錨索，將支護的荷載通過錨桿（錨索）傳至深部穩定巖體，讓深部圍巖幫助受力。錨桿必須伸進塑性區，進入彈性區的長度不小于2m，這樣可以把塑性區圍巖同彈性區穩定圍巖連接起來，提高錨桿對圍巖的徑向支護作用，同濟大學孫鈞院士等人的研究證明，錨桿對改善圍巖的特性和抑制洞周變形有明顯的作用，無錨桿情況的拱頂位移是有錨桿情況的2. 76倍［30］。加上軟巖隧道的塑性區較大，故采用長錨桿（錨索）是合理的。

2.5 圍巖大變形新型輔助措施

為了使噴射混凝土具有更大的抗變形能力，避免混凝土噴層的過度破壞，采用間隙噴射方法即按一定間隙，沿隧道縱向預留一定的間隙來改善噴射混凝土支護的柔性，當噴射混凝土被錨桿、鋼架牢牢地固定時，這些間隙允許隧道發生一定的徑向變形，從而可適當減輕支護受到的圍巖壓力，間隙的寬度及間距應根據位移大小而定，一般縱向間距為1.0～3.0m，間隙的大小為10～20cm。

3.施工開挖支護情況

上斷面臺階開挖至K218+171，發現隧道拱頂和周邊變化較大，迅速調整施工方法，及時進行仰拱閉合施工，并采用三臺階法進行開挖。以保證初期支護最快程度的閉合。

3.2 預留變形量的調整

由于望江嶺隧道右線出口出現初期支護大變形，最大拱頂下沉達40～50cm，故在進口開挖到K218+150時適當增加預留變形量，以防止大變形的再次產生。預計拱頂預留變形量增加為50cm。

總結：

由于筆者的水平有限，對于隧道塌方、大變形病害的處治技術還有待于今后進一步研究。筆者認為今后應該在以下方面進行努力，以進一步提高隧道塌方、大變形病害處治技術在理論和實踐水平：除了從監控量測方面對處治方案進行評價，還應該在圍巖壓力及支護壓力、注漿效果等方面進行處治效果評價。對隧道塌方、大變形病害處治技術中注漿工藝、方案選取、注漿壓力設計、注漿次序等方面進行研究。

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TU714

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1007-6344（2016）06-0282-01