高地震裂度區(qū)武都西隧道大變形處治施工技術(shù)

李旭陽

摘 要：近些年隨著我國大量高速公路、鐵路開工建設(shè)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高、也使得橋梁、隧道工程所占比重越來越大，而隧道所穿越地層、地質(zhì)條件更加復(fù)雜、多變，施工也受到各種地質(zhì)災(zāi)害及自身技術(shù)、管理等方面的制約，使得隧道開挖變形坍塌事故頻繁出現(xiàn)，對項(xiàng)目施工安全、質(zhì)量以及工程進(jìn)度都造成了很大的影響。為此，本文結(jié)合隴南地區(qū)高地震裂度區(qū)武都西隧道穿過F5大變形段多種處理方案的歸納總結(jié)，為同類地質(zhì)施工參考。

關(guān)鍵詞：高地震；大變形；處治

1 地層巖性

地層巖性：根據(jù)鉆探及工程地質(zhì)測繪，隧址區(qū)地層由第四系中上更新統(tǒng)黃土、粉質(zhì)粘土（Q2-3）和中-上志留統(tǒng)-白龍江群（S2+3bL）組成，白龍江群上部（S2+3bL2）巖性為灰?guī)r夾千枚巖、板巖、泥灰?guī)r，白龍江群下部（S2+3bL1）巖性為千枚巖夾灰?guī)r、片巖組成，千枚巖由泥巖、泥灰?guī)r變質(zhì)而成，整體呈現(xiàn)千枚巖、板巖、灰?guī)r、呈互層及夾層狀。

F5斷層描述：隧址區(qū)構(gòu)造發(fā)育主要有大院-殿溝里斷層，為志留系內(nèi)部逆沖斷層，志留系上圖硅質(zhì)條帶白云質(zhì)灰?guī)r逆沖在志留系碳質(zhì)千枚巖上，屬武都山字形構(gòu)造體系白龍江深大斷裂次生斷裂。傾向北，傾角50～70°，下盤為白龍江群下部千枚巖、碳質(zhì)千枚巖，巖體破碎，強(qiáng)度低，上盤為白龍江群第二段白云質(zhì)灰?guī)r，中薄層灰?guī)r。千枚巖互層。左線ZK86+940～ZK86+250（690米），右線YK86+900～YK86+439（461米）。

2 F5斷層主要支護(hù)參數(shù)

成縣至武都高速公路武都西隧道F5斷層左線ZK86+940～ZK86+250（690米），右線YK86+900～YK86+439（461米）原設(shè)計(jì)均為SⅣc襯砌結(jié)構(gòu)形式，主要支護(hù)參數(shù)如下：預(yù)留變形量8cm；超前Φ22砂漿錨桿，長4.5m，環(huán)向間距40cm；噴射混凝土為早強(qiáng)C25混凝土；系統(tǒng)錨桿為Φ22砂漿錨桿，長3m；鎖腳錨桿為Φ22砂漿錨桿，長3m，每榀8根；鋼架為16cm×16cm格柵鋼架，間距100cm；二次襯砌為C25砼40cm。

3 施工過程初支變形開裂情況

3.1 左線變形開裂情況

2012年4月25日隧道左線掌子面掘進(jìn)至ZK86+828時(shí)距洞口方向ZK86+837～+834段上臺階初期支護(hù)拱頂處發(fā)生開裂變形，變形發(fā)生后立即對掌子面封閉并暫停施工，撤離所有人員及機(jī)械，并進(jìn)行監(jiān)測，至28日開裂變形繼續(xù)延伸至距掌子面55米處，初期支護(hù)嚴(yán)重變形，噴射混凝土剝落，格柵鋼架扭曲變形，內(nèi)鼓侵限，其中ZK86+825附近5榀鋼架剪斷，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到扭曲剪切破壞。

3.2 右線變形開裂情況

2012年4月15日隧道右線掌子面掘進(jìn)至YK86+803位置時(shí)YK86+865～+813段初期支護(hù)發(fā)生環(huán)向開裂，裂縫寬度約2cm，噴射混凝土脫落，格柵鋼架扭曲變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到剪切破壞。

2012年7月21日隧道右線YK86+736處受左線掌子面爆破振動影響，右側(cè)拱腰鋼格柵變形，受隧道圍巖皺褶隆擠壓力影響，變形延伸至YK86+725，累計(jì)變形長度達(dá)11米，需換拱處理；7月24日，YK86+736處右側(cè)拱腰位置出現(xiàn)長約1米、高約2米的空腔；8月4日對YK86+736～+725處準(zhǔn)備換拱作業(yè)時(shí)+736拱腰位置發(fā)生坍塌，坍塌渣土數(shù)量約150m3左右。

4 初期支護(hù)變形開裂采取的支護(hù)措施

在隧道發(fā)生變形開裂后，立即暫停掌子面掘進(jìn)并對其封閉，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測，遇變形嚴(yán)重時(shí)采取有效措施進(jìn)行加固處理，經(jīng)監(jiān)測、沉降及收斂趨于正常；對下臺階及仰拱組織施工，快速使仰拱封閉成環(huán)，減少圍巖收斂變形，同時(shí)對變形處采取臨時(shí)加固措施，避免出現(xiàn)進(jìn)一步坍塌變形。

對左右線隧道穿越F5斷層高應(yīng)力區(qū)抵抗鋼架開裂變形，經(jīng)項(xiàng)目辦、設(shè)計(jì)院、駐地辦有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場確認(rèn)將原設(shè)計(jì)SⅣc襯砌的支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整為SⅤb襯砌結(jié)構(gòu)。變更后的襯砌結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為：預(yù)留變形量12cm；超前φ42×4mm小導(dǎo)管，長4.5m，環(huán)向間距35cm；噴射混凝土為早強(qiáng)C25混凝土；系統(tǒng)錨桿為R27中空錨桿，長3.5m；鎖腳錨管為φ50×5mm，長4m，每榀8根；鋼架為I20a鋼拱架，間距75cm；二次襯砌為C25砼50cm。

4.1 對部分變形嚴(yán)重段落采取的主要措施

（1）隧道左線ZK86+883～+828（55米）及右線YK86+865～+813（52米）初期支護(hù)變形開裂處治措施：

（2）對初期支護(hù)變形段徑向全部采用φ50×5mm鋼花管注漿，長度3.5米，縱向間距75cm，環(huán)向1m，部分因成孔困難的，采取R27自進(jìn)式錨桿進(jìn)行注漿加固；對上臺階、下臺階鎖腳采用φ42×4mm鎖腳鋼管加強(qiáng)處理，長度4m，每榀8根。

（3）對上述段落進(jìn)行斷面測量，標(biāo)記出侵限位置進(jìn)行換拱施工，按照SⅤb支護(hù)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)處理，超前支護(hù)采用φ42×4mm小導(dǎo)管，長4.5m，環(huán)向間距35cm；鋼架為I22b鋼拱架，間距50cm，鎖腳采用φ50×5mm鋼花管每處4根，長度4米，每榀16根，噴射混凝土采用C30進(jìn)行施工；對局部有空腔位置的進(jìn)行泵送混凝土回填處理。

（4）換拱完成的段落及時(shí)施作仰拱使其盡早封閉成環(huán)，仰拱距掌子面距離保持在2.5m～3.5m以內(nèi)，二次襯砌緊跟仰拱施工，將12米襯砌調(diào)整為6米每循環(huán)施工。

4.2 隧道右線YK86+736～+725（11米）初期支護(hù)變形開裂處治措施

（1）對初期支護(hù)變形段徑向全部采用φ50×5mm鋼花管注漿，長度3.5米，縱向間距75cm，環(huán)向1m，部分因成孔困難的，采取R32自進(jìn)式錨桿進(jìn)行注漿加固；對上臺階、下臺階鎖腳采用φ42×4mm鎖腳鋼管加強(qiáng)處理，長度4m，每榀8根。

（2）對上述段落進(jìn)行斷面測量，標(biāo)記出侵限位置進(jìn)行換拱施工，采用雙層支護(hù)形式，采用雙層支護(hù)形式，第一層由H175型鋼間距75cm進(jìn)行支護(hù)，鎖腳采用φ50×5mm鋼花管，每處4根，長度4米；第二層采用I20a工字鋼，間距75cm進(jìn)行支護(hù)，鎖腳同樣采用φ50×5mm鋼花管，每處4根，長度4米，噴射混凝土采用C30進(jìn)行施工；

（3）換拱完成的段落及時(shí)施作仰拱使其盡早封閉成環(huán)，仰拱距掌子面距離保持在2.5m～3.5m以內(nèi)，二次襯砌緊跟仰拱施工，將12米襯砌調(diào)整為6米每循環(huán)施工。

5 F5斷層施工采取的主要措施

根據(jù)不同段落的施工順序，同時(shí)結(jié)合圍巖監(jiān)控量測實(shí)際情況，多次邀請全國重點(diǎn)交通大學(xué)教授、省內(nèi)外隧道專家、項(xiàng)目辦、設(shè)計(jì)院、監(jiān)理等單位領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場踏勘，先后采取如下變形處治措施：

5.1 變形處治措施一

隧道左線ZK86+828～ +778（50米）及YK86+813-YK86+679（134米）段按以下施工措施進(jìn)行掘進(jìn)：

將預(yù)留變形量由12cm調(diào)整為60cm，采用雙層支護(hù)形式，第一層由I20a鋼拱架間距50cm進(jìn)行支護(hù)，鎖腳采用φ50×5mm鋼花管，每處4根，長度4米；第二層采用I28a工字鋼，間距3米進(jìn)行支護(hù)，鎖腳同樣采用φ50×5mm鋼花管，每處4根，長度4米；襯砌混凝土采用高強(qiáng)C30混凝土，襯砌鋼筋采用Φ25鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)施工。

通過雙層支護(hù)后進(jìn)行比較，監(jiān)控量測值明顯趨于穩(wěn)定，但隨者掌子面掘進(jìn)，變形值還進(jìn)一步加大，掌子面暫停施工時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)趨于正常，通過監(jiān)測，該段落最大沉降476mm，收斂754mm，立即暫停掌子面施工，加快仰拱及二襯施工，保證隧道施工安全，對掌子面施工另行采取措施。

5.2 變形處治措施二

對隧道左線ZK86+778～ZK86+748段（30米）進(jìn)行試驗(yàn)段，主要初期支護(hù)措施如下：

將預(yù)留變形量由12cm調(diào)整為50cm，采用單層支護(hù)形式，鋼支撐采用H175型鋼，縱向間距70cm，全斷面進(jìn)行支護(hù)，噴射混凝土厚度30cm，超前支護(hù)采用φ42×4mm小導(dǎo)管，長度4.5m，并進(jìn)行注漿，注漿壓力大于3MPa；初期支護(hù)系統(tǒng)錨桿采用R32自進(jìn)形式注漿錨桿，長度6m，注漿壓力大于3MPa；拱腳采用φ42×4mm鎖腳鋼管，長4m，每處4根，鎖腳鋼管與鋼拱架豎向夾角控制在30度以內(nèi)。

通過該支護(hù)后進(jìn)行比較，監(jiān)控量測值變形速率有所減弱，但變形仍然進(jìn)行，噴射混凝土開裂，掉塊，部分H175拱架變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，部分初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵入襯砌凈空，施工過程中該段變形明顯，且遲遲不能達(dá)到穩(wěn)定，在進(jìn)行邊墻和仰拱開挖施工過程中常伴有一個(gè)階段性突變，日變形速率達(dá)41mm/d，累計(jì)最大拱頂下沉量為662mm，累計(jì)最大水平收斂量達(dá)850mm，說明該中支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力不能滿足施工要求。

5.3 變形處治措施三

對隧道左線ZK86+748-ZK86+728段（20米）采用雙層支護(hù)試驗(yàn)段，具體支護(hù)形式如下：

將預(yù)留變形量由12cm調(diào)整為40cm，采用雙層支護(hù)形式，采用雙層支護(hù)形式，第一層由H175型鋼間距75cm進(jìn)行支護(hù)，鎖腳采用φ50×5mm鋼花管，每處4根，長度4米；第二層采用I20a工字鋼，間距75cm進(jìn)行支護(hù)，鎖腳同樣采用φ50×5mm鋼花管，每處4根，長度4米；襯砌混凝土采用高強(qiáng)C30混凝土，襯砌鋼筋采用Φ25鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)施工。

圍巖監(jiān)測情況：該段量測結(jié)果在完成第一層初期支護(hù)8天后，累計(jì)沉降量214mm，累計(jì)收斂量為277mm時(shí)，施工第二層支護(hù)后變形明顯趨于穩(wěn)定。該段量測結(jié)果在第二層初期支護(hù)完成后的最大日沉降量為32mm，最大日收斂量為21mm，累計(jì)最大沉降162mm，最大收斂量142mm。下臺階及仰拱開挖后，累計(jì)最大沉沉降376mm，累計(jì)最大收斂量419mm，仰拱施工完成后，按照此支護(hù)形式掌子面掘進(jìn)后，量測值符合規(guī)范要求。根據(jù)該斷層圍巖產(chǎn)狀，結(jié)合已實(shí)施的變形處治措施一、二總結(jié)，為穩(wěn)妥加快施工進(jìn)度，在后續(xù)施工中仍采用該雙層支護(hù)方案，隧道左線ZK86+728～ZK86+250段（478米）及隧道右線YK86+679～YK86+439段（240米）累計(jì)718米按照此支護(hù)形式進(jìn)行施工。

以上三種變形處治施工措施，經(jīng)實(shí)施效果的綜合比對分析，采用變形處治措施三（雙層拱架支護(hù)）施工，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形小，變形速率穩(wěn)定，鋼拱架不會發(fā)生較大扭曲變形，第二層初支噴射砼盡管也有局部脫落，但應(yīng)力釋放到一定的程度時(shí)，盡快施作仰拱及襯砌，確保隧道施工安全。

6 高地震裂度區(qū)穿越F5斷層原因分析

6.1 F5斷層破碎帶開裂、變形、塌方地質(zhì)原因

隧道初期支護(hù)變形、開裂、甚至多次發(fā)生塌方均發(fā)生在F5斷層所處的強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)千枚巖地址構(gòu)造內(nèi)。地質(zhì)整體呈層狀的碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理相對層理更發(fā)育。地應(yīng)力存在偏壓的松弛應(yīng)力，初期支護(hù)拱頂及拱腳變形較大。變形段地質(zhì)的有利因素為無地下水，板巖層理相對較厚；不理因素為地溫較高，對施工及砼強(qiáng)度的形成有影響，開挖后地應(yīng)力持續(xù)增加。

6.2 F5斷層支護(hù)措施不足

受汶川特大地震影響，隧道穿過斷層及破碎帶，處薄層巖體小曲褶、錯(cuò)動發(fā)育，由于該種地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，顆粒間無膠結(jié)或膠結(jié)差，開挖后引起坍塌的主要因素。按設(shè)計(jì)SⅤb支護(hù)承載力仍不能滿足承載力要求，不能抵抗圍巖壓力和避免鋼拱架的被剪斷現(xiàn)象。震后對該地質(zhì)圍巖鉆探不足、深度不足，未對特殊圍巖或地層采用特殊加固措施。

6.3 施工組織及管理不到位

隧道施工未能嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、緊封閉”組織施工。對該類地質(zhì)圍巖認(rèn)識不足，施工組織及管理不當(dāng)，對初期支護(hù)變形段落未快速采取有效臨時(shí)措施，導(dǎo)致變形進(jìn)一步過大，初期支護(hù)失穩(wěn)，部分段落出現(xiàn)塌方，對該類圍巖沒有及時(shí)總結(jié)歸納，也是導(dǎo)致該段落變形、開裂，甚至塌方的的原因。

7 結(jié)束語

隧道施工過程不同于其他結(jié)構(gòu)施工有著清晰的力學(xué)特征，而是需要我們在施工過程中面對不同的圍巖條件，根據(jù)現(xiàn)有的施工能力，嚴(yán)密分析、科學(xué)判斷、動態(tài)跟控，在逐步積累的技術(shù)措施和施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分利用先進(jìn)的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)和量測技術(shù)，把握圍巖和支護(hù)動態(tài)，從而安全、快速的施工。

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