擠壓破碎帶極高地應(yīng)力隧道建造技術(shù)研究*

吳發(fā)展

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

蘭渝鐵路控制工程木寨嶺隧道是極高地應(yīng)力軟巖大變形隧道，是全線唯一動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工的隧道[1]。為解決高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖大變形問(wèn)題，王小林等[2]對(duì)比瑞士圣哥達(dá)基線隧道，采用對(duì)比分析的方法，從大變形機(jī)制、圍巖分級(jí)及變形控制方面研究工程技術(shù)措施；針對(duì)隧道穿越斷層帶的擠壓性大變形問(wèn)題，侯國(guó)強(qiáng)[3]從軟巖大變形特征和施工技術(shù)入手，改進(jìn)錨桿工藝，研究了長(zhǎng)錨桿及其施工質(zhì)量對(duì)大變形的控制效果；鮮國(guó)[4]根據(jù)隧道軟巖段實(shí)際圍巖條件和工程進(jìn)度需要，提出帶仰拱一次開(kāi)挖的全斷面(含仰拱)法，開(kāi)挖方法是決定軟巖隧道施工的關(guān)鍵因素；李國(guó)良等[5]結(jié)合隧道擠壓性圍巖的高地應(yīng)力和地質(zhì)特征,探討按相對(duì)變形、初支裂損程度、斷面大小等因素進(jìn)行擠壓性地層圍巖級(jí)別分類的方法，提出擠壓性圍巖隧道的設(shè)計(jì)和大變形的系統(tǒng)治理技術(shù)。為解決木寨嶺隧道擠壓破碎帶極高地應(yīng)力軟巖大變形施工難題，開(kāi)展了應(yīng)力釋放、支護(hù)措施攻關(guān)等工作。

1 工程概況

木寨嶺隧道為兩座單線隧道，隧道左線全長(zhǎng)19 095m，右線全長(zhǎng)19 115m，隧道主要穿越斷層擠壓破碎帶，洞身共發(fā)育11個(gè)斷裂，穿過(guò)3個(gè)背斜及2個(gè)向斜構(gòu)造[6]，水平地應(yīng)力實(shí)測(cè)值為38.38MPa，屬高地應(yīng)力區(qū)；隧道洞身穿越的板巖及炭質(zhì)板巖區(qū)，占全隧的46.53%，濕陷性黃土、山體滑坡、泥石流、巖堆、高地應(yīng)力變形區(qū)等各類軟巖段總計(jì)長(zhǎng)約16.1km，軟巖占全隧長(zhǎng)度的84.5%。受高地應(yīng)力的影響，圍巖極不穩(wěn)定，擠壓大變形明顯，變形大、變形快、地質(zhì)流變性強(qiáng)、極易發(fā)生坍塌現(xiàn)象[7]，采用傳統(tǒng)的支護(hù)體系軟巖核心區(qū)最大變形量達(dá)4 306mm，平均變形量達(dá)1 500～2 000mm，大面積出現(xiàn)初期支護(hù)扭曲破壞等支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，嶺脊核心段初期變形速率一般在50～100mm/d，最高達(dá)932mm/d；變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一般需60～90d才能將變形速率控制在1～3mm/d，與國(guó)內(nèi)判定變形穩(wěn)定0.2mm/d的標(biāo)準(zhǔn)相差極大。圍巖變形導(dǎo)致項(xiàng)目在施工中超挖嚴(yán)重、初期支護(hù)噴射混凝土開(kāi)裂掉塊、工字鋼扭曲挫斷、預(yù)留變形量控制難、混凝土用量大等一系列問(wèn)題。

2 圍巖變形機(jī)理

1)炭質(zhì)板巖物理力學(xué)性質(zhì)

現(xiàn)場(chǎng)取樣室內(nèi)試驗(yàn)，炭質(zhì)板巖的天然含水率為0.45%～0.5%，天然密度為2.73g/cm3。炭質(zhì)板巖經(jīng)過(guò)D/max-2500 X射線衍射儀分析，其成分為：石英58%，蒙脫石8%，綠泥石13%，伊利石2%，菱鐵礦7%，高嶺石1%，黃鐵礦7%，石墨6%。該巖石的主要成分為石英，其次是蒙脫石，再其次是綠泥石、伊利石、菱鐵礦等礦物成分。由于石墨的存在，巖石會(huì)發(fā)生脆斷，蒙脫石、伊利石黏土礦物的總含量為10%，使巖石具有一定的膨脹性，遇水后軟化成泥狀，與工程實(shí)際符合度較高。

炭質(zhì)板巖單軸壓縮試驗(yàn)在WDT-1500多功能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，巖樣1-2，2-12，2-11，3-3在達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力迅速喪失，表明巖樣已經(jīng)不能承擔(dān)荷載，巖樣完全破壞，這是由于該類巖樣主要是在薄弱面上破壞。巖樣2-6和2-1在達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，卻仍能繼續(xù)承擔(dān)荷載，表現(xiàn)出殘余強(qiáng)度，該類巖樣內(nèi)部裂隙分布較為均勻，無(wú)明顯薄弱面，進(jìn)入到應(yīng)變軟化階段以后，形成較多的宏觀斷裂面，而這些斷裂面之間可以依靠相互摩擦、咬合作用抵抗外力，承擔(dān)荷載(見(jiàn)圖1，2)。

圖1 天然巖樣應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 飽和巖樣應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線

炭質(zhì)板巖的成巖過(guò)程復(fù)雜，在高應(yīng)力作用下流變特性比較明顯，在多數(shù)應(yīng)力水平下，瞬時(shí)應(yīng)變占總變形量的80%～90%[8]。

2)高地應(yīng)力作用

經(jīng)地應(yīng)力測(cè)試，大戰(zhàn)溝斜井位置的最大水平主應(yīng)力為14～17MPa，最小水平主應(yīng)力為8～9MPa，用上覆巖層質(zhì)量估算的垂直應(yīng)力為4～5MPa，該孔三向主應(yīng)力值的關(guān)系為SH>Sh>SV，表明該處巖層承受顯著的構(gòu)造應(yīng)力作用，其地應(yīng)力特征以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)；該孔最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向。在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，隧道開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力重分布，徑向圍巖壓力小于起始膨脹壓力，軟巖和破碎帶巖體發(fā)生塑性變形和剪切滑移破壞，擠壓性圍巖變形侵限導(dǎo)致初期支護(hù)破壞，影響工程安全。

3)地下水影響

在構(gòu)造力的作用下，隧道斷層破碎帶為地下水的貯存運(yùn)移創(chuàng)造了條件，開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)地下水加劇了變形的發(fā)展，巖石飽水后，巖石節(jié)理間的填充物濕化，水在巖石裂隙中流動(dòng)，部分礦物質(zhì)被溶解，這是強(qiáng)度降低的主要原因。

斷層破碎帶分布密集，破碎帶及其附近影響區(qū)域圍巖極破碎、自穩(wěn)性極差，且圍巖呈極發(fā)育，支護(hù)體系變形較大，因此，在斷層破碎帶地段施工，為確保施工安全，需進(jìn)行必要的圍巖支護(hù)體系加固工作，對(duì)擠壓變形控制技術(shù)進(jìn)行研究。

3 變形控制研究

木寨嶺隧道嶺脊一般段以二疊系炭質(zhì)板巖、板巖為主，圍巖破碎，穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后易失穩(wěn)坍塌，因此，依據(jù)隧道斷面尺寸和圍巖地質(zhì)情況，確定開(kāi)挖方法和支護(hù)參數(shù)，合理安排施工工序，主動(dòng)控制高地應(yīng)力軟巖大變形問(wèn)題[9]，加強(qiáng)支護(hù)措施、優(yōu)化結(jié)構(gòu)輪廓、盡量保護(hù)圍巖[10]，確保隧道開(kāi)挖掘進(jìn)不受較大影響是施工的關(guān)鍵。

3.1 圍巖主動(dòng)加固(單層支護(hù))

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前探孔相結(jié)合(超前掌子面6m以上)，采用三臺(tái)階開(kāi)挖法施工并預(yù)留核心土；輔助工法采用超前小導(dǎo)管和徑向小導(dǎo)管注單液漿，小導(dǎo)管直徑42mm，打設(shè)在拱部120°范圍內(nèi)，環(huán)向間距40cm，全環(huán)H175型鋼拱架/0.6m。系統(tǒng)錨桿采用4.5m自進(jìn)式中空錨桿支護(hù)并及時(shí)封閉仰拱。施工時(shí)總體遵循：“早預(yù)報(bào)、管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測(cè)”的原則。施工時(shí)初期支護(hù)緊跟開(kāi)挖面，仰供初期支護(hù)緊跟下臺(tái)階初期支護(hù)，以及時(shí)封閉減緩隧道變形。

DyK183+840—DyK183+890段圍巖為二疊系下統(tǒng)板巖夾砂巖，薄層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。預(yù)設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)圍巖，預(yù)留變形量為35cm，噴30cm厚C30混凝土厚。本段最大變形位于DyK183+875處，累計(jì)收斂達(dá)325mm，日收斂最大達(dá)25mm，初支表面開(kāi)裂、剝落。對(duì)此現(xiàn)場(chǎng)采取了注漿補(bǔ)強(qiáng)、加強(qiáng)鎖腳等措施，同時(shí)加快仰拱封閉，經(jīng)加強(qiáng)后變形基本可控制在300mm之內(nèi)。

3.2 加強(qiáng)初期支護(hù)剛度(雙層支護(hù)+長(zhǎng)錨桿)

采用三臺(tái)階雙層支護(hù)+R32N自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿并輔以系統(tǒng)注漿加固的方法，主要是先開(kāi)挖上、中臺(tái)階，施作第1層支護(hù)，后開(kāi)始施工R38N自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿加強(qiáng)，及時(shí)進(jìn)行上、中臺(tái)階徑向注漿后，滯后第1層支護(hù)3～6榀鋼架施作第2層支護(hù)，再開(kāi)挖下臺(tái)階，施作1,2層支護(hù)及徑向注漿的施工方法。施工順序?yàn)椋汗安砍爸ёo(hù)→上、中、下臺(tái)階第1次開(kāi)挖、支護(hù)→徑向注漿加固→R32N自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿加強(qiáng)支護(hù)→上、中、下臺(tái)階第2層支護(hù)→仰拱開(kāi)挖、支護(hù)→仰拱、襯砌緊跟。

DyK180+935—DyK180+952段開(kāi)挖揭示地層巖性為壓碎巖，原巖為板巖夾炭質(zhì)板巖夾砂巖，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，石質(zhì)軟硬不均，局部可見(jiàn)石英團(tuán)塊呈粉末狀。采用雙層H175型鋼拱架/0.7m、中臺(tái)階設(shè)臨時(shí)仰拱為主的支護(hù)參數(shù)，該段凈空收斂累積最大變形值1 248mm，最大收斂變形速率85mm/d，中臺(tái)階至起拱線位置不同程度侵限，臨時(shí)仰拱破壞，對(duì)該段初支拱架及臨時(shí)仰拱進(jìn)行拆換處理后，變形得以控制。

3.3 早封閉初期支護(hù)(雙層支護(hù)+臨時(shí)仰拱)

嶺脊核心段(DK180+800—DK181+800)，掌子面支護(hù)后相繼發(fā)生較為嚴(yán)重的初期支護(hù)側(cè)向擠出變形，變形快且時(shí)間長(zhǎng)，基本上施工的所有段落都出現(xiàn)了拆換拱，部分地段二襯出現(xiàn)開(kāi)裂，施工安全、進(jìn)度受到很大影響，確定右線DyK180+935—DyK180+975段采取雙層支護(hù)+臨時(shí)仰拱方案。

采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階采用微臺(tái)階開(kāi)挖，臺(tái)階長(zhǎng)度4～6m，開(kāi)挖高度3.6m，上臺(tái)階預(yù)留核心土；中臺(tái)階采用長(zhǎng)臺(tái)階開(kāi)挖，開(kāi)挖高度3.8m；下臺(tái)階在臨時(shí)仰拱拆除后開(kāi)挖，開(kāi)挖高度3.8m。首先進(jìn)行超前支護(hù)，上、中臺(tái)階第1層開(kāi)挖后及時(shí)完成1層支護(hù)，采取徑向注漿加固，待上、中部1層支護(hù)超前3～5榀后，同時(shí)完成上、中臺(tái)階第2層支護(hù)，2層支護(hù)后施作臨時(shí)仰拱，臨時(shí)仰拱滯后中臺(tái)階開(kāi)挖≤3m。在上、中部完成試驗(yàn)段后，向掌子面方向依次逐榀拆除中臺(tái)階臨時(shí)仰拱，開(kāi)挖下臺(tái)階完成第1層支護(hù)，采取徑向注漿加固，施作下臺(tái)階第2層支護(hù)，最后完成仰拱、襯砌施工。

3.4 加強(qiáng)支護(hù)剛度(3層支護(hù)+長(zhǎng)錨索)

對(duì)已施作雙層支護(hù)+長(zhǎng)錨索地段進(jìn)行加固，設(shè)置第3層支護(hù)，加固松動(dòng)圈，從而減小蠕動(dòng)，達(dá)到圍巖穩(wěn)定的目的，保證后期結(jié)構(gòu)安全。

2層支護(hù)后平均變形速率<10mm/d，基本穩(wěn)定無(wú)異常情況發(fā)生。3層支護(hù)施工后，變形趨于穩(wěn)定，最大變形速率6mm/d，平均變形速率<2mm/d，變形趨于穩(wěn)定，但也存在一些異常情況。

3.5 應(yīng)力釋放小導(dǎo)洞

通過(guò)先行施作超前小導(dǎo)洞來(lái)釋放部分圍巖應(yīng)力[11]，釋放到一定程度進(jìn)行擴(kuò)挖施工，從而減少作用在最終成型的初期支護(hù)上的殘余圍巖應(yīng)力，保證初期支護(hù)穩(wěn)定和二次襯砌的結(jié)構(gòu)安全。

1)導(dǎo)洞斷面為7m×6.8m(寬×高)，底面與正洞底面平齊，采用兩臺(tái)階法施工，仰拱封閉。

2)超前支護(hù) 導(dǎo)洞第1循環(huán)拱墻設(shè)置φ42超前注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)3.0m，環(huán)向間距0.4m；第2循環(huán)開(kāi)始拱部120°范圍設(shè)φ42超前注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)3.0m，環(huán)向間距0.4m；縱向每2榀鋼架施作1循環(huán)。

3)超前應(yīng)力釋放導(dǎo)洞全環(huán)設(shè)H175型鋼鋼架，導(dǎo)洞開(kāi)口處設(shè)置4榀鋼架，間距0.5m，其他間距為0.7m；全環(huán)縱向連接采用φ22鋼筋，環(huán)向間距1.0m；每榀鋼架設(shè)12根φ22砂漿錨桿鎖腳，長(zhǎng)3m；拱墻設(shè)置φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20cm×20cm；拱墻噴C30混凝土，厚度33cm。

4)超前應(yīng)力釋放導(dǎo)洞仰拱采用C30混凝土，厚度103cm。

采用小導(dǎo)洞應(yīng)力釋放技術(shù)，圍巖應(yīng)力釋放明顯，導(dǎo)洞初期支護(hù)多處出現(xiàn)開(kāi)裂掉塊現(xiàn)象，拱架扭曲變形嚴(yán)重，在時(shí)間和空間上都得到了盡可能釋放。超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放技術(shù)顯著降低了正洞擴(kuò)挖時(shí)變形速率，加快了圍巖施工應(yīng)力場(chǎng)的平衡趨勢(shì)，從而達(dá)到控制變形的目的。

3.6 圓形斷面導(dǎo)洞擴(kuò)挖

圓形導(dǎo)洞擴(kuò)挖段采用3層初支+二襯(33cm+25cm+40cm+70cm)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。隧道變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有隧道拱頂下沉和水平凈空收斂。針對(duì)圓形開(kāi)挖斷面采用4層支護(hù)方案，對(duì)于第1層、第2層和第3層支護(hù)，沿隧道軸向每5m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(見(jiàn)圖3)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 圓形擴(kuò)挖段初支變形統(tǒng)計(jì)

圖3 變形測(cè)點(diǎn)布置示意

對(duì)于隧道初支總位移，第1層初支分擔(dān)60%左右，第2層初支分擔(dān)25%～35%，第3層初支分擔(dān)10%～15%。根據(jù)圓形擴(kuò)挖段施工情況，確定貫通段長(zhǎng)度50m(DYK181+100—DYK181+150)，貫通面里程為DYK181+130，變形速率在1mm/d[12]，有效控制了隧道大變形問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

1)圍巖主動(dòng)加固技術(shù),通過(guò)優(yōu)化拱架間距、增大預(yù)留變形量，增設(shè)徑向注漿、襯砌厚度調(diào)整等措施，在非嶺脊段前期施工中能有效控制變形。

2)木寨嶺隧道嶺脊核心段采用加強(qiáng)初期支護(hù)剛度技術(shù)，在第1層支護(hù)內(nèi)層交錯(cuò)施作第2層支護(hù)，加設(shè)邊墻長(zhǎng)錨桿等措施，前期施工變形減小，但后期支護(hù)變形持續(xù)增大。

3)小導(dǎo)洞應(yīng)力釋放技術(shù)，圍巖應(yīng)力釋放明顯，導(dǎo)洞初期支護(hù)多處出現(xiàn)開(kāi)裂掉塊現(xiàn)象，拱架扭曲變形嚴(yán)重，在時(shí)間和空間上都得到盡可能的釋放。超前導(dǎo)洞結(jié)合分臺(tái)階開(kāi)挖、多重支護(hù)的地應(yīng)力逐步釋放技術(shù)，確保了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

4)圓形導(dǎo)洞擴(kuò)挖段仰拱施工完成后，變形速率雖暫未明顯減小，但基本得到控制；施作第3層支護(hù)后，增強(qiáng)了支護(hù)剛度和強(qiáng)度，變形雖未完全收斂，但已基本穩(wěn)定。

5)結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)和隧道內(nèi)圍巖變形情況，采用獨(dú)有的“小導(dǎo)洞應(yīng)力釋放+3層初期支護(hù)+長(zhǎng)錨索+單層二次襯砌、圓形斷面結(jié)構(gòu)”的蘭渝鐵路“木寨嶺模式”，有效控制了極高地應(yīng)力軟巖隧道大變形。