穿越松散堆積體圍巖加固與隧道施工技術(shù)研究

閆 偉

中交三公局二公司

1 引言

松散堆積體的組成部分是塊石以及土體，具有空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均勻和不連續(xù)的特點(diǎn)。由于土和石相在物理力學(xué)方面存在十分顯著的差異，工程特性和常規(guī)地層材料也同樣如此。如果在施工過(guò)程中不采取加固措施，容易導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)、冒頂和坍塌等事故的發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此類問(wèn)題的解決，已經(jīng)具備了成熟的經(jīng)驗(yàn)。主要措施為注入漿料。但傳統(tǒng)加固技術(shù)尚存在一些不足，因此，對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。

2 工程概況

某高速公路隧道屬于分離式隧道，總長(zhǎng)度為2.79km，開(kāi)挖斷面的跨度為13.1m，高度為9.89m，面積為105.8m2。松散堆積體位于隧道出口段附近，其組成部分是四系泥石流和坡殘物，而下伏基巖主要由玄武巖組成，隧道埋深23.8m，堆積體平均厚度為37m。

施工單位以掌子面為基準(zhǔn)點(diǎn)，在開(kāi)挖階段設(shè)置了多個(gè)采集點(diǎn)，通過(guò)這種方式，對(duì)未發(fā)生變化的堆積體原狀土進(jìn)行采集，采集數(shù)量為40kg/組，然后將這些土樣相互混合，通過(guò)室內(nèi)篩分的方式，確定土石堆積體級(jí)配情況，如表1所示。

表1 堆積體原狀土粒徑

通過(guò)觀察上表數(shù)據(jù)可知，4個(gè)采集點(diǎn)的土石混合體粒徑具有非常廣闊的分布范圍，最大值為100mm，最小值僅為0.1mm，且分布并不均勻，粒徑級(jí)配不均與系數(shù)介于28～89之間，曲率系數(shù)為0.22.1.18之間，在各組土樣中，粒徑不超過(guò)0.075mm的顆粒占比最小，僅為4%左右，而粒徑大于0.075mm，但小于2mm的顆粒質(zhì)量占比最多，高達(dá)50%左右。粒徑超過(guò)60mm的顆粒，其占比為18%左右。在對(duì)比四組土樣后得知，除第二組樣土和砂粒外，其他幾組的顆粒主要以粗礫石、卵石和塊石為主，因此可得出結(jié)論：該堆積體地層塊石含量較高，地層密實(shí)程度低，孔隙率大，如果不采取加固措施，容易導(dǎo)致掌子面坍塌，因此，需要采取注漿加固的措施，從而使作業(yè)安全和施工進(jìn)度得到保障[1]。

3 獲取堆積體力學(xué)參數(shù)

3.1 試驗(yàn)材料

上述堆積原狀土是本次試驗(yàn)所采用的土樣，為對(duì)注漿加固后的堆積力學(xué)參數(shù)進(jìn)行探究，試驗(yàn)機(jī)構(gòu)利用膏狀注漿材料對(duì)土樣進(jìn)行加固處理。

3.2 試驗(yàn)儀器和參數(shù)

本次試驗(yàn)所采用的儀器為三軸剪切儀，試樣直徑為30cm，高度為60cm。試驗(yàn)圍巖設(shè)置分為不同的等級(jí)，主要包括300kPa、600kPa 以及900kPa，軸向壓力加載速度為每分鐘1.5mm，在殘余應(yīng)力逐漸穩(wěn)定后，剪切方能停止，在選擇試樣軸向應(yīng)變極限值時(shí)，通常以試樣高度的15%～20%為主，本次試驗(yàn)將100mm作為主要選擇[2]。

3.3 試驗(yàn)步驟

首先將橡皮膜和成型筒安裝到壓力室試樣底座上，裝樣層數(shù)為5層，然后進(jìn)行搗實(shí)處理，同時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)小導(dǎo)管注漿試驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)，對(duì)漿液比例進(jìn)行配置。本文添加漿液的量為原狀土試樣質(zhì)量的8%，在分層混合后，放置7天，通過(guò)這種方式，對(duì)施工過(guò)程中漿液和圍巖固結(jié)過(guò)程進(jìn)行模擬。在制樣完成后，需要對(duì)試樣進(jìn)行軸向荷載施加處理。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

固化前后堆積體試樣的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系如下所述。

第一，堆積體原狀土樣：在加固前后，堆積體原狀土樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系較為相似，具體表現(xiàn)為，軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差存在密切的關(guān)聯(lián)，前者會(huì)隨著后者的加大而增加。

第二，在圍壓不變的情況下，原狀土樣的主應(yīng)力差峰值小于注漿加固試樣，并且，圍壓與加固前后峰值之間存在密切的關(guān)聯(lián)。這表明堆積體強(qiáng)度會(huì)在注漿后得到提升。

第三，原狀土的內(nèi)聚力為57.5kPa，摩擦角為32°；加固土的內(nèi)聚力為98.3kPa，摩擦角為37°，由此可見(jiàn)，加固土相較于原狀土，具有抗剪強(qiáng)度上的優(yōu)勢(shì)[3]。

4 堆積體隧道穩(wěn)定性分析和優(yōu)化建議

為確定堆積體隧道穩(wěn)定性對(duì)施工的影響，本文利用有效差

分軟件，計(jì)算兩種不同工況下的數(shù)值，這里所說(shuō)的工況主要是指進(jìn)行超前注漿加固的工況和沒(méi)有超前注漿加固的工況。

4.1 數(shù)值模型和參數(shù)

本文將隧道出口端作為建立數(shù)值模型的依據(jù)，所建立的模型，其長(zhǎng)度為100m，寬度為40m，高度為80m。模型地層被劃分為兩種類型，一種是堆積體碎石土層，另一種是風(fēng)化玄武巖層，其中，前者的厚度為40m。隧道埋深為24.98m，施工單位借鑒歷史施工經(jīng)驗(yàn)，將施工過(guò)程中將三臺(tái)階+預(yù)留核心土法作為施工方式，開(kāi)挖進(jìn)尺的尺寸為0.98cm。注漿加固區(qū)的厚度為150cm。在實(shí)際處理過(guò)程中，地層、二襯和加固圈均為實(shí)體單元，通過(guò)這種方式模擬施工情況。而初期支護(hù)所采用的單元為殼單元，實(shí)體單元以M-C本構(gòu)模型為主。此外，在進(jìn)行加固前后堆積體地層抗剪強(qiáng)度取值時(shí)，其依據(jù)為室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，剩余參數(shù)由研究人員通過(guò)地質(zhì)勘探和查閱資料獲取，各地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如下所述。

第一，堆積體碎石土層的密度為2120kg/m3；彈性模量為75.8MPa；泊松比為0.3；內(nèi)摩擦角為32°；黏聚力為57.6MPa。

第二，強(qiáng)化玄武巖層的密度為2320kg/m3；彈性模量為2000MPa；泊松比為0.2；內(nèi)摩擦角為45°；黏聚力為298.9MPa。

第三，超前注漿加固區(qū)的密度為2220kg/m3；彈性模量為121.8MPa；泊松比為0.24；內(nèi)摩擦角為36°；黏聚力為98.3MPa。

第四，初期支護(hù)的密度為2280kg/m3；彈性模量為28×103MPa；泊松比為0.2。

第五，二次襯砌的密度為2280kg/m3；彈性模量為36×103MPa；泊松比為0.2。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

試驗(yàn)區(qū)域超前注漿加固前后的初期支護(hù)各部位變形值如下所述：

第一，超前加固前的拱頂變形值為-52.5mm；左拱腰變形值為-33.6mm；右拱腰變形值為-32.1mm；隧道底部變形值為29.1mm；水平收斂變形值為35.5mm。

第二，超前加固后的拱頂變形值為-38.5mm；左拱腰變形值為-24.6mm；右拱腰變形值為-24.1mm；隧道底部變形值為27.9mm；水平收斂變形值為32.9mm。

基于計(jì)算結(jié)果得知，在超前加固前后，拱頂?shù)某两底冃纬潭茸畲螅罡咧禐?2.5mm；而最大隆起則位于隧道底部，其變形值為29.1mm；邊墻位置是圍巖水平收斂的發(fā)生位置，其最大值為35.5mm。其中，拱頂?shù)淖冃沃狄呀?jīng)與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不符，如果不采取加固措施，容易誘發(fā)安全事故。在注漿加固處理后，無(wú)論是沉降值還是隆起值均低于加固前，且與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相符，平均降幅為25%左右[4]。

選擇具有代表性的未加固情況下的圍巖塑性區(qū)，在研究后發(fā)現(xiàn)，在未超前注漿加固之前，圍巖中的剪切破壞區(qū)發(fā)育較為成熟，甚至?xí)]合，導(dǎo)致隧道底部在拉裂的作用下受損。但在注漿加固后，隧道拱部的圍巖就不會(huì)被破壞，且拱部?jī)蓚?cè)的塑性區(qū)范圍也會(huì)不斷減少，但邊墻和底部圍巖的塑性破壞情況卻并未得到有效改善。總之，超前加固注漿方法的應(yīng)用，有利于拱部圍巖受力情況的改善，同時(shí)，還能使隧道拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降變形得到控制，但在解決底部隆起和邊收斂變形問(wèn)題時(shí)，這種加固方式的效果并不顯著。

4.3 優(yōu)化建議

4.3.1 優(yōu)化后的施工方案

將上文計(jì)算結(jié)果作為依據(jù)，將隧道出口段作為試驗(yàn)地點(diǎn)，利用三臺(tái)階+預(yù)留核心土法進(jìn)行施工，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化材料、范圍和步長(zhǎng)，具體施工流程如下。

第一，超前支護(hù)。在施工過(guò)程中，試驗(yàn)人員對(duì)熱軋無(wú)縫鋼管進(jìn)行了利用，其長(zhǎng)度為4.5m，將其作為超前小導(dǎo)管設(shè)置到拱部120°的范圍內(nèi)，其中，環(huán)向間距為0.3m，縱向搭接長(zhǎng)度為1.48m。超前注漿材料為試驗(yàn)單位自主研制的注漿材料，其水灰比為1:1，添加劑主要以高分子聚合物為主。

第二，上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖。開(kāi)挖的深度為100cm左右，在開(kāi)挖的同時(shí)進(jìn)行支護(hù)和設(shè)置錨桿。

第三，在開(kāi)挖臺(tái)階核心土?xí)r，將開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在100cm之內(nèi)。

第四，待初期支護(hù)閉合后，及時(shí)進(jìn)行仰拱和二次襯砌，其中后者與掌子面之間的距離為48m。

4.3.2 超前注漿加固效果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，優(yōu)化方案與傳統(tǒng)注漿加固方案相比，具有更高的可行性，且效果極為顯著。具體表現(xiàn)為傳統(tǒng)注漿加固方案容易受到松散堆積體地層的影響，究其原因，主要是地層孔隙率偏高，密實(shí)性不足，在注漿后漿液容易流失，因此，傳統(tǒng)注漿加固方案的漿液使用量難以確定，控制難度高，且注漿壓力與設(shè)計(jì)要求存在差距，不具備注漿加固圈形成的條件。而優(yōu)化方案所采用的注漿材料為膏狀注漿材料，不僅有利于注漿量的控制，同時(shí)還能使注漿壓力與要求相符，在注漿3h后，圍巖已經(jīng)具備開(kāi)挖的條件。

5 結(jié)論

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，我國(guó)交通工程建設(shè)數(shù)量不斷增加，其中，部分隧道施工需要穿越松散堆積體圍巖，導(dǎo)致施工難度增加。想要確保隧道施工的有序進(jìn)行，需要采取有效地圍巖加固技術(shù)，提高圍巖的強(qiáng)度，以此來(lái)保證圍巖的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。但在研究后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)注漿加固技術(shù)雖然可以起到加固作用，但在解決底部隆起和邊收斂變形問(wèn)題時(shí)，卻無(wú)法取得良好的效果。而某研究機(jī)構(gòu)自主研發(fā)的膏狀注漿材料，可以改善傳統(tǒng)注漿加固方式的不足，建議施工單位予以關(guān)注。