碎裂圍巖隧道施工大變形及其控制方法

呂中英

(中鐵二十局集團第二工程有限公司, 北京 100042)

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碎裂圍巖隧道施工大變形及其控制方法

呂中英

(中鐵二十局集團第二工程有限公司, 北京 100042)

【摘要】針對雅康高速公路前碉3#隧道地質條件較差、巖體碎裂且涌水量非常大且極易出現隧道大變形甚至垮塌事故等難題，運用現場調查、理論分析和現場監測等方法，對其工程條件進行了較為詳細的分析，摸清了隧道在開挖施工過程出現的典型大變形和涌水實際并分析了其存在的問題，據此提出了涌水治理、施工排水、臨時加固、邊墻及隧底加固、侵限處理等一系列隧道大變形控制方法與參數。現場實踐表明，提出的隧道大變形控制技術可以較好地控制隧道碎裂圍巖變形，從而能夠保證隧道開挖安全。研究結果也可以為今后類似工程提供較好的借鑒和參考。

【關鍵詞】隧道工程；大變形；控制方法；碎裂巖體

正在修建的雅康高速公路前碉3#隧道位于天全縣兩路鄉境內天全河右岸G318國道上行方向左側一山坡坡體中，右線起訖里程為K76+473～K78+134，全長1 661m，最大埋深268m。隧址區屬構造剝蝕高中山地貌區，隧道整體位于一山體的N面斜坡上，整體坡度50°～70°，地下水主要有松散層孔隙水、巖漿巖裂隙水，隧道正常涌水量1 100m3/d，最大涌水量2 200m3/d。隧道右線采用從出口單向掘進的方法施工，目前掌子面里程為K77+710，掌子面距離出口394m，邊墻變形段落為K77+740～K77+827。

由于地質條件較差，屬于碎裂巖體且涌水量非常大，因此隧道開挖過程很容易出現大變形甚至垮塌，必須對其掘進施工以及變形控制技術進行研究，據此才能確保工程建設的安全與順利完工。

1工程條件分析

1.1地質條件

前碉3#隧道K77+740～K77+827段設計圍巖級別為Ⅳ級，該段巖體表層破碎，節理裂隙較發育，把局部巖層切割成塊狀，洞頂圍巖及隧道右側洞壁圍巖穩定性較差，易掉塊，滑脫現象比較頻繁。據目前開挖揭露圍巖情況，該段圍巖為灰色強風化花崗巖，圍巖破碎局部呈粉粒狀，圍巖條件較差，圍巖級別及其相應支護條件須做調整，具體變化列于表1。

表1　前碉3#隧道右線K77+831～K77+732段變更統計

1.2隧道斷面條件

基于結構安全出發，隧道設計為分離式，主洞襯砌內輪廓斷面參數為：拱高715cm，上半圓半徑為553cm的三心圓曲邊墻結構，周長(含仰拱)32.29m。主洞襯砌內輪廓斷面如圖1所示。隧道襯砌類型支護和超前支護參數分別列于表2和表3。

2隧道右洞邊墻變形及其分析

隧道在開挖施工過程中分別出現了多次大變形和涌水事件，比較典型的有3次。

2.1.1右洞K77+820～K77+827右側邊墻突水

5月16日下午15:00，前碉3#隧道右洞出口掌子面K77+812施工時，掌子面后方K77+820～K77+827右側邊墻突然出現涌水，水量較大，約每小時300m3，掌子面最大積水深度達1.6m，同時K77+820～K77+827右側邊墻初支混凝土開裂，裂縫寬0.5～1cm，局部拱腳變形嚴重，侵限達到60cm(圖2)。在上述情況出現后，立即停止了掌子面施工，現場調用1臺45kW、4臺7.5kW水泵進行抽水，將現場情況上報了監理、業主和設計院，經四方現場查勘后確定，對該段初支采取深孔泄水、架立護拱、增加鎖腳等加固措施，加強圍巖監控量測，隨后恢復掌子面施工。

圖1　主洞襯砌內輪廓斷面(帶仰拱)

序號襯砌類型二襯厚度/cm預留變形量/cm噴混凝土厚度/cm鋼筋網片錨桿鋼架1Z440618?6.5,@25cm×25cm3.0m,環×縱@1.2m×1.0m格柵10×15@1.0m2Z4j40822?6.5,@20cm×20cm3.0m,環×縱@1.2m×0.8mI16@0.8m3Z5451024?8,@20cm×20cm3.0m,環×縱@1.0m×0.8mI18@0.8m4Z5j601226?8,@20cm×20cm/I20b@0.6m

表3　超前支護參數

圖2　隧道初支開裂

掌子面從K77+812開始，圍巖逐漸變差，所揭露的圍巖為灰色強風化花崗巖，巖體穩定性極差，巖質較軟，呈粉狀，遇水呈粘稠狀膠體，坍塌現象頻繁，現場圍巖情況如圖3。

圖3　K77+802掌子面圍巖粉狀并坍塌

2.1.2初支邊墻嚴重變形

5月19日～7月9日，掌子面施工過程中，拱頂和右側邊墻處圍巖多次出現垮塌，經采取封閉掌子面、拱頂注漿加固后，繼續掌子面開挖，其中K77+755～K77+765段初支經監控量測結果顯示，邊墻變形越來越嚴重，量測結果顯示收斂值4～8mm/d，隨即對該段初支采取增加臨時環向鋼支撐。

2.1.3右側邊墻初支再次出現突然變形和開裂。

實施統一身份認證前，企業的用戶數據可能存在于各個應用系統中，每一個應用系統都有一套自己的用戶數據，沒有統一的數據源，用戶數據也不盡相同，例如A系統中用戶登錄賬號為拼音，而B系統中用戶卻是使用工號編碼登錄，而且用戶信息新增或變更的實時性和同步性都很難保證。因此需要規范管理各應用系統的用戶數據，實施統一用戶管理。

7月9日，K77+827～K77+800右側邊墻初支再次出現突然變形和開裂，裂縫最大寬度70mm，K77+820處右側仰拱開裂。經對初支復測，數據顯示該段初支已侵限120cm，項目部立即對該段邊墻增加臨時環向鋼支撐，并在鋼支撐內側設斜撐。

經進一步觀測和初支斷面測量發現，K77+772～K77+797段初支變形嚴重，變形情況如圖4所示。

圖4　K77+787.7斷面大變形

根據近期監控量測數據分析，K77+740～K77+770段拱頂沉降和周邊收斂速率平均為1.2mm/d，K77+770～K77+827段拱頂沉降和周邊收斂速率平均為0.8mm/d，變形仍在發展。

據現場開挖揭露情況，該段地質為地震斷裂帶，斷層與線路方向關系如圖5所示。

圖5　斷層結構及走向

2.2大變形及其待解決問題分析

依據當前隧道工程理論[1-3]，對存在問題進行分析，發現以下兩個方面對隧道大變形以下影響較大。

(1)斷層構造尚不清晰。根據目前開挖揭露圍巖情況判斷，該斷層橫穿線路左、右線，但對斷層構造的了解還不夠詳細準確，需進一步進行地質勘查，以便制定更為合理的治理措施。

(2)涌水水路和來源不夠清楚。根據前期調查，斷層處地表沖溝曾有常流水，洞內出現涌水后沖溝已干涸，但地表水源不明晰；尚不明確水路是否經過左線隧道洞身。因此，無法確定完善的治理涌水的措施。

3隧道大變形控制方法

參考隧道大變形控制技術[4-5]，結合現場實際確定了治理及控制方案。

3.1涌水治理

(1) 邊墻堵、排水：邊墻涌水采用堵、排結合的方法，在K77+827～K77+740段右側邊墻上施工PE泄水管，泄水管直徑φ90mm，長度8m,通過仰拱預埋排水管將涌水引入中央排水溝，并對邊墻進行注漿，封堵部分涌水。

(2) 施工排水：施工期間排水采用水泵抽水方式排出洞外。

3.2邊墻變形處治

(1) 臨時加固：K77+827～K77+800及K77+755～K77+765段右側增加臨時斜撐，采用I18工字鋼，斜撐角度45°，與初支拱架焊接；

(2) 邊墻加固：對K77+827～K77+750段右側邊墻開挖輪廓線外5m范圍進行周邊注漿加固，采用φ42的小導管和純水泥漿注漿；

(3) 隧底加固：對K77+827～K77+740段仰拱加固處理，右半幅仰拱基底施做φ70注漿鋼花管。

(4) 侵限處理： 對初支侵限段落，進行換拱處理，換拱后及時施工二襯。

K77+740～K77+827邊墻處治主要工程數量見表4。

表4　主要工程數量

在采取封閉掌子面并拱頂注漿加固后，繼續隧道掘進開挖，邊墻變形仍然有繼續加大的趨勢，但在對初支采取增加臨時環向鋼支撐并在鋼支撐內側設斜撐后，邊墻變形可以得到較好的控制，且初支沒有再次出現開裂現象，說明控制方案及選取的參數是合理可行的。

4結論

(1) 由于前碉3#隧道地質條件較差、巖體碎裂且涌水量非常大，一不小心將會出現隧道大變形甚至垮塌事故，必須結合工程地質、隧道圍巖及其結構等條件對其掘進施工以及變形控制技術進行研究，據此才能確保工程建設的安全與順利完工。

(2) 依據地質和斷面條件以及現場實測數據，在分析隧道大變形及涌水實際情況和存在問題的基礎上，提出的隧道大變形控制方法及參數能夠較好地控制隧道變形，可確保隧道開挖安全。

(3) 鑒于隧道碎裂巖體及地質條件較為復雜，隧道大變形和涌水存在的問題還應結合后續掘進施工做詳細分析，進而據此對變形規律及其控制參數進一步調整和優化。

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[作者簡介]呂中英(1983～)，女，工程師。

【中圖分類號】U455.49

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-05-20