層狀圍巖施工變形控制施工技術研究

于劍舟

摘要：根據(jù)營盤山隧道的工程實踐，在分析強風化層狀炭質板巖圍巖變形機理的基礎上，研究采用弱爆破、仰拱初支與下臺階同步施工快速封閉法、優(yōu)化隧道初支結構等施工技術以達到控制圍巖有害變形目的。分析表明，減小圍巖有害變形主要有：采用弱爆破對周邊圍巖和初支段的擾動，圍巖變形控制效果好;臺階法施工、仰拱初支與下臺階同步推進，縮短了初期支護封閉成環(huán)時間進而減小圍巖變形持續(xù)發(fā)展。采用邊墻長錨桿降低圍巖變形速率。

Abstract： According to the engineering practice of Yingpanshan Tunnel， based on the analysis of the deformation mechanism of strong weathered layered carbonaceous slate surrounding rock， the study uses to construction techniques， such as the weak blasting， the initial arching of the initial arch and the lower step synchronous construction， and the optimization of the tunnel initial branch， and so on， to achieve the purpose of controlling the harmful deformation of surrounding rock. The analysis shows that the reduction of harmful deformation of surrounding rock mainly includes the use of weak blasting to disturb the surrounding surrounding rock and the initial branch， and the surrounding rock deformation control effect is good; the step method construction， the initial arch and the lower step synchronously advance shortens the closed looping time of initial stage support and further reduces the deformation of the surrounding rock. The side wall long anchor rod is used to reduce the deformation rate of the surrounding rock.

關鍵詞：層狀圍巖;施工變形;控制

Key words： layered surrounding rock;construction deformation;control

中圖分類號：U455 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0142-03

0 ?引言

在隧道施工過程中，板巖、頁巖等層狀、互層狀巖體是一種較為常見的易碎裂沉積巖，其成分復雜，但都具有薄頁狀或薄片層狀的層理，用硬物擊打易裂成碎片。圍巖穩(wěn)定性較差，變形劇烈，施工難度大，安全風險高。成昆鐵路多條隧道在穿越頁巖、砂巖等層狀、互層狀巖體時，圍巖變形劇烈，初期支護鋼架扭曲，混凝土開裂掉塊，造成隧道施工困難，經濟損失和工期風險巨大。

本文結合營盤山隧道工程實踐，在分析層狀圍巖變形機理的基礎上，研究爆破參數(shù)優(yōu)化、臺階法仰拱快速封閉施工工法、改變隧道初支結構、增加錨桿等方法控制變形。

1 ?工程概況

營盤山隧道位于四川省攀枝花市仁和區(qū)啊啦鄉(xiāng)旺牛村附近溝槽進洞，隧道穿越川滇省界過爛木橋村于云南省永仁縣他的么村村附近出洞。采用雙線分修形式，左線隧道長17891m，右線隧道長17934m，最大埋深約833m。隧區(qū)屬構造剝蝕高中山地貌單元，地形起伏較大，地表覆蓋第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質黏土及第四系更新統(tǒng)粉質黏土、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土、漂石土，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)大菁組下段頁巖、砂巖夾礫巖及煤;中厚層板狀構造，灰色-黑色，變余泥質、鈣質結構，層間結合力差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質較軟，巖體較破碎，局部受構造壓力影響較大，肉皺明顯，巖層走向基本與隧道走向正交，傾角30～60，局部存在順層偏壓。

2 ?層狀圍巖變形機理分析

層狀圍巖一般為沉積巖，沉積巖經過風化、搬運、沉積固結的成巖過程，使得圍巖中各巖層的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、粘性模量等力學參數(shù)差異性大。營盤山隧道2#斜井層狀圍巖主要由碳質薄層板巖和頁巖組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性較差，其強度和破壞特征隨著層面的走向、傾角、層厚、層面間距等因素的變化，呈現(xiàn)出明顯的差異性，對隧道變形部位影響也不同。由于圍巖性質、地應力、地下水等因素的影響，使得層狀巖體變形機理較為復雜。

2.1 圍巖性質

隧道開挖會使圍巖的穩(wěn)定性發(fā)生改變，應力進行重新分布，致使原本穩(wěn)定的結構面發(fā)生移動，圍巖巖體進一步發(fā)生碎裂。營盤山隧道2#斜井左線大里程自DK623+400以后巖層走向、傾角、地應力均使隧道圍巖穩(wěn)定性處于極不利的狀態(tài)，開挖后圍巖變形非常強烈，裂隙發(fā)育明顯，松散，自穩(wěn)性差。層厚10～20cm，層間夾有煤層，極其松散。同時，圍巖中的地下水沿裂隙滲流致使巖體發(fā)生軟化，使圍巖產生較大的收斂。

2.2 彎曲變形

層狀板巖的破壞主要為彎曲變形，如頂板彎折、邊墻彎曲等。營盤山隧道2#斜井層狀巖體可簡化為薄板力學模型分析。隧道開挖后，圍巖由于卸荷向臨空方向彎曲鼓出。隧道場區(qū)高地應力又加劇了圍巖水平收斂變形，隧道呈現(xiàn)出典型的擠壓型變形。

3 ?變形情況

營盤山隧道2#斜井2014年6月開工，2017年3月份進入正洞施工。正洞施工至DK623+400以后，巖層破碎程度變大，風化程度加強，裂隙發(fā)育明顯，圍巖穩(wěn)定性處于極不利狀態(tài)，變形強烈。初支大變形造成初期支護噴混凝土開裂、脫皮、掉塊，邊墻鋼架發(fā)生扭曲、矬斷，鋼架接頭突出，造成侵限，不得不進行換拱處理。變形處理嚴重制約了我部的施工工期，使項目工期滯后。

結合現(xiàn)場變形數(shù)據(jù)分析，營盤山隧道層狀圍巖變形主要有以下特征：

①早期變形速率大，近似于直線發(fā)展，最大達80mm/d，變形難以控制和處理;

②變形持續(xù)時間長，變形量大，墻身收斂數(shù)值尤其突出，最大達600mm;

③變形受開挖擾動影響大，上臺階開挖及接中下臺階時均有突變;

④變形破壞力強，噴射混凝土開裂掉塊，I20工字鋼扭曲，鋼架接頭突出。

4 ?采取的措施

隧道剛開始進入層狀地層施工后，由于對工程地質等特性及復雜程度認識不夠，無論從工法上還是支護措施上都出現(xiàn)了偏差，導致現(xiàn)場初支結構遭到嚴重破壞，噴射混凝土開裂掉塊，拱架連接板突出，多次發(fā)生換拱。為保障現(xiàn)場施工質量及項目施工進度，我們必須采取強有力的措施，防止大變形的發(fā)生，以達到避免拆換拱架和防止隧道坍塌的目的。

4.1 掌子面采取弱爆破配合銑挖機開挖

當隧道施工至DK623+400以后，隧道圍巖屬于強風化炭質板巖，較為破碎，受到巖石節(jié)理、層理發(fā)育的影響，常規(guī)的爆破開挖超爆現(xiàn)象普遍，超挖嚴重，初期支護承受的荷載成倍增加，變形嚴重。

現(xiàn)場技術人員根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況對爆破設計進行了優(yōu)化，爆破總體設計原則為“多打眼、少裝藥、弱爆破、少擾動”。周邊眼布置半徑在原來的位置縮小15cm，距調整為30cm，每個周邊眼裝藥量調整為2卷，圍巖破碎部位隔眼裝藥;輔助眼間距調整為50cm，每個炮眼裝藥量減少1/3，掏槽眼間距和裝藥量也根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況做動態(tài)調整。爆破開挖后再配合銑挖機進行輪廓修整，其低振動、精度高的特點不僅減小了對周邊圍巖和初支段的擾動，且極大的控制了隧道超挖，使得初期支護承受荷載大大減小，很好的控制了變形。

4.2 三臺階法改兩臺階，仰拱初支與下臺階同步施作

營盤山隧道掌子面施工至DK623+400后，初支變形大，導致侵線，現(xiàn)場多次進行初支加固、拆換。通過現(xiàn)場圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：圍巖的變形集中發(fā)生在接中、下臺階、施工仰拱初支這段時間，這段時間多次爆破擾動、拱架多次懸空對變形影響很大，仰拱初支封閉成環(huán)后圍巖變形趨于穩(wěn)定。如何減少圍巖擾動的次數(shù)、縮短仰拱初支成環(huán)的時間就成為控制變形的重要手段。現(xiàn)場施工中反復試驗、研究，最后確定采用兩臺階、仰拱初支與下臺階同步施工的施工工法，具體步驟如下：①上、下臺階同時開挖，進尺1.6m（兩榀拱架），噴錨支護完成;②上臺階單工序進行開挖，進尺1.6m，噴錨支護完成;③下臺階開挖、仰拱同步開挖，下臺階開挖進尺1.6m，仰拱開挖進尺3.2m，仰拱與下臺階同時噴錨支護完成;④利用洞碴將仰拱初期支護回填，重復上述①、②、③步驟;⑤仰拱填充的施作;⑥拱墻二次襯砌施作。

營盤山隧道采用這種新的施工工法后減少了接中、下導、仰拱時的擾動次數(shù)，初支封閉成環(huán)時間大大縮短，對控制變形取得了很好的效果，施工進度也得到了提高，各項指標對比如表1。

4.3 優(yōu)化初期支護參數(shù)，提高初期支護的強度和剛度

初期支護由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網和鋼拱架等組成，各部分聯(lián)合受力，保證隧道開挖后圍巖的穩(wěn)定。原設計支護參數(shù)為16工字鋼，間距80cm，鋼筋網為？準8鋼筋焊接，網格間距20cm，噴射混凝土厚度23cm。根據(jù)現(xiàn)場復雜的地質特性，項目部經與監(jiān)理、設計、業(yè)主溝通后，對支護參數(shù)進行優(yōu)化，增強支護能力，提高初期支護的強度和剛度，通過初期支護來限制和抵抗變形。

①將鋼拱架型號調整為22b，間距調整為80cm，鋼架之間除采用？準22鋼筋進行縱向連接外，增加型鋼連接，增強整體的初支穩(wěn)定性和剛度。（圖3）

②原設計鋼筋網為單層，優(yōu)化后改為雙層鋼筋網，隨受噴面的起伏鋪設，并與錨桿連接牢固，增強初期支護的穩(wěn)定性。

③噴射混凝土厚度調整為29cm，保證支護能力的發(fā)揮和支護效果的實現(xiàn)。

④根據(jù)現(xiàn)場變形特點，結合監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)，適當加大預留變形量至40cm。

4.4 長錨桿施工增強圍巖自身穩(wěn)定，降低變形速率

錨桿支護對圍巖的加固作用機理較為復雜，但是相對于鋼架支撐、混凝土墻支護這些被動支護，它是一種主動的加固措施。其力學作用主要表現(xiàn)在加固作用、懸吊作用、組合梁作用。

①長錨桿深入巖層，與巖體結合在一起，形成一個整體，當圍巖因外界力量破壞時，最大限度的調動巖土介質內的強度和黏結力，充分發(fā)揮圍巖的承載能力，增強巖體抗變形能力。

②1952～1962年路易斯 阿·帕內科（Louis A·Panek）等經過理論分析和實驗室及現(xiàn)場測試，發(fā)表了懸吊理論，懸吊理論認為錨桿支護的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上。對于我部的層狀圍巖來說，直接頂板均有彎曲下沉變形趨勢，錨桿能及時將其擠壓，并懸吊在老頂上，直接頂板就不會與老頂板離層乃至脫落，極大程度的保持了圍巖自身的穩(wěn)定性。

③組合梁理論認為巷道頂板中存在著若干分層的層狀頂板，可看作是由巷道兩端作為支點的一種梁，支承其上部的巖層載荷。錨桿將各層結合成一個整體的組合梁，對巖層的移動產生了一定的阻礙，增大了巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

原設計錨桿長4m，根據(jù)現(xiàn)場圍巖實際情況，經四方溝通后，將錨桿長度調整為6m，梅花型布置，全環(huán)施作。通過錨固，使支護結構受力均勻，起到聯(lián)合支護的作用，增強了圍巖自身的穩(wěn)定和抗變行能力，降低了變形速率。

4.5 優(yōu)化隧道初期支護結構尺寸，使得隧道初期支護結構受力更合理

營盤山隧道為單線隧道，凈空尺寸較小，原設計仰拱厚度較薄，抗收斂能力差。我們在施工過程中通過與設計單位的研究，把原來的隧道結構尺寸進行了調整，將中、下導寬度各增加20cm左右，仰拱深度增加60cm，具體如下圖（虛線為原設計斷面，實線部分為修改后的斷面）。調整后的斷面更似一個“雞蛋”，當其承受壓力時，將受力均勻的傳給周圍其余各部分，并且巧妙的相互進行“抵消”，從而減少作用效果，增加了隧道初期支護抗收斂能力，這種結構的隧道襯砌受力更加合理。

4.6 將監(jiān)控量測納入工序管理，對變形進行動態(tài)管理

監(jiān)控量測是隧道施工管理的重要組成部分，它不僅能指導施工，預報險情，確保安全，而且通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得圍巖動態(tài)的信息，為修正和確定支護參數(shù)提供信息依據(jù)，為完善隧道工程設計與指導施工提供足夠可靠的數(shù)據(jù)支撐。

首先，對目測觀察予以足夠的重視，隨時注意圍巖的巖性和分布情況變化，節(jié)理裂隙發(fā)育程度和方向，噴砼是否產生裂隙，鋼架是否壓彎，當圍巖變形量無變緩趨勢或噴砼產生較大的剪切狀態(tài)時立即停止開挖，加強支護，保證安全。

其次，勤量測。開挖工作面觀察在每次開挖完成后進行，每天進行一次;已完初期支護及時進行全斷面監(jiān)控量測，保證每天一次，隨時掌握初期支護的狀態(tài)，指導和確定二次襯砌施作時間。

將監(jiān)控量測納入工序管理，在施工中進行信息化動態(tài)管理，達到確保工程質量、施工安全和進度，合理控制投資的目的。

5 ?取得的成效

目前營盤山隧道已施工完畢，經過施工工法改變、參數(shù)優(yōu)化，加強施工管理，經濟效果顯著，為隧道安全、經濟、快速施工提供了保障，并為以后類似圍巖隧道的施工提供了寶貴經驗。

參考文獻：

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