軟巖地質條件下洞身一次支護變形處理技術的應用

黃永平

(江西省水利水電建設集團有限公司，南昌 330200)

0 引 言

洞身圍巖支護變形是隧洞工程施工中比較嚴重的地質災害問題，對隧洞工程施工質量、進度、成本、安全等方面都有很大影響。雖然目前很多專家學者都在研究軟巖地質條件下洞身支護變形相關內容，但多研究的是某一類的大變形，研究方向比較大，很少有人研究軟巖地質條件下洞身支護變形的特點、成因、一次支護變形處理技術。在隧洞洞身支護變形測量中，需要綜合考慮很多方面的內容，如：工程所在區域的地質條件、圍巖巖性、力學原理、約束條件等，并根據變形的程度，采取有針對性的處理技術。基于此，文章就結合實際工程，對軟巖地質條件下洞身一次支護變形處理技術的應用進行分析，具體分析內容如下。

1 工程概述

甘肅省引洮供水二期工程2#隧洞進口樁號5+025-5+150段圍巖為K1hk砂巖、含礫砂巖、粉砂質泥巖，以泥質膠結為主，屬軟巖，層面結合較差，裂隙較發育，巖體完整性差，圍巖中地下水活動微弱，隧洞開挖時洞壁多有滴滲水現象。5+025-5+055支護完成段已出現明顯的噴混凝土面開裂，邊墻發生鼓脹變形，最大橫向位移幅度約30cm,若不及時加以處理，不僅該段有垮塌危險，而且將威脅到開挖掌子面的施工安全。

2 軟巖地質條件下洞身支護變形特點

軟巖地質條件下洞身支護變形特點比較明顯，主要包括集中性、階段性、持續性等。其中集中性指的軟巖地質條件下洞身支護變形多出現在拱頂、拱腳、拱線位置，而且變形的形式左右不對稱，通常表現為水平位移大于拱頂下沉；階段性指的是軟巖地質條件下洞身支護變形可細分為3個階段，包括：變形征兆階段、勻速變形階段、加速變形階段。隧洞洞身開挖15-20d之后變形最為明顯；持續性指的是軟巖地質條件下洞身支護變形，會在洞身開挖后持續進行，不具有收斂性。就案例工程而言，軟巖地質條件下洞身支護變形情況圖1所示。

圖1 軟巖地質條件下洞身支護變形圖

本工程從5月13日開始，變形速率就開始持續增大，在5月20日遇到了連續降雨天氣，軟巖地質條件下洞身支護變形速率進一步增大，單天周邊收縮量就達到153.68mm，拱頂下沉量也達到157.71mm，到23日初次襯砌支護就進入二次襯砌245mm，使得初期支護出現明顯開裂情況，拱架發生了明顯的扭曲變形，受到軟巖地質條件下洞身支護變形的影響，案例工程洞身頂部出現了多條不規則裂縫，最大裂縫寬度達到210mm，部分截水溝也會受到了不同程度的破壞。

3 軟巖地質條件下洞身支護變形成因

3.1 地質原因

本工程施工段穿越了富水地段，圍巖類別為為粉砂質泥巖，屬軟巖，巖石膠結差，隧洞底板受地下水影響，泥化嚴重，強度不足，且底腳邊墻噴錨面脫落，導致圍巖軟化、膨脹，從而造成洞身變形。在此種地質條件下開挖隧洞具有變形量大、變形速率高、難以收斂、支護難度大的特點，采用相同的支護參數和指標，此套圍巖的變形量要大于相同圍巖級別的硬巖隧道[1]。而且本工程施工中需要穿越節理裂隙發育地帶，巖體受到結構面切割，圍巖缺乏完整性，都是引起軟巖地質條件下洞身支護變形的主要原因。

3.2 地形原因

就案例工程而言，進口仰坡地形呈現出左右薄厚不一的問題，存在較為嚴重的地形偏壓，在洞身開挖時會對周圍的土體造成較大的擾動，致使仰坡上方土體發生了不同程度的縱向開裂，形成滑動面，向地形比較薄的一側滑動，較薄一側受土體的擠壓作用，會形成附加應力σ1和σ3，相互之間的關系可用如下公式表示：

σ3=K·σ1

(1)

K=μ/(1-μ)

(2)

上述兩個公式中K指的是土體的側壓力系數，由于軟巖地質條件具有一定的塑性特征，塑性系數μ也就比較大，所以K和σ3的數值也都比較大，使得土層較薄的一側就需要承受較大的縱向張拉應力，降低了坡體的安全系數，具體情況如圖2所示。

圖2 軟巖地質條件下洞身仰坡變形開裂示意圖

從圖2中可以看出，洞身右側土體較薄的的一側位移量比較大，縱向坡體下滑對隧道右洞仰坡穩定性造成的影響比較大，仰坡下滑形成的牽引力和沖擊作用，也是引起軟巖地質條件下洞身支護變形的主要原因之一。

3.3 施工原因

施工也是引起軟巖地質條件下洞身支護變形的主要原因之一，比如：在本工程施工中一些地段采用了鉆爆開挖方法，由于洞身圍巖結構復雜，鉆爆時難以開展爆破的振動作用，對圍巖的自身承載力造成了較大影響。此外，多次爆破也會對巖體造成較大損傷，使得巖體內部裂隙擴大，甚至形成貫通裂隙，降低圍巖的彈性模量和強度，增加了透水性[2]。

3.4 整體效應

引起軟巖地質條件下洞身支護變形的因素比較多，各因素之間存在相互聯系，在原地質條件的基礎上，隨著開挖深度的增加，對邊坡造成擾動也就越大。而圍巖破壞和仰坡的滑移，既相互影響，又相互促進，同時也為水體的滲入提供良好的條件。在隧洞開挖的初期，圍巖比較干燥，隨著開挖深度的增加，襯砌支護的混凝土上出現了濕斑，此后演變為滲水，在降雨時甚至會出現滴水現象，影響開挖質量和安全性[3]。水的滲入使得圍巖進一步劣化，形成一個惡性循環。影響因素的整體效應會導致軟巖地質條件下洞身支護變形速率加快，尤其是降雨之后，變形速率更快。軟巖地質條件下洞身支護變形破壞模式如圖3所示。

圖3 軟巖地質條件下洞身支護變形破壞模式

4 洞身一次支護變形處理技術的應用要點

在案例工程施工中，為避免隧洞支護變形引起塌方問題，保證施工的安全性，對樁號5+025-5+055變形段進行分段處理，由外至里逐米進行處理。具體處理方案如下：

4.1 安裝變形防護支架

在進行洞身一次支護變形處理之前，為保證后期處理工作能夠高效、安全、有序的開展，需要在適當的位置安裝上臨時防護支撐，以保證圍巖支撐的牢固性。本工程臨時防護支撐材料選擇了I12工字鋼，通過焊接的方法形成一個整體，安全防護支架和圍巖必然存在空隙，為保證支架的穩定性，空隙要用鋼楔楔緊，以保證鋼支撐能夠和圍巖緊密貼合[3]。但洞身一次支護變形處理之后，一些原有的拱架需要拆除，因此，防護支撐的支撐點要盡量布置在兩榀拱架之間，在具體施工中，可按照現場實際情況，適當加密支撐點，以保證洞身一次支護變形處理效果和處理人員的安全。

4.2 超前管棚施工和固結灌漿

在原來的結構物拆除之前，要提前做好超前管棚支護施工作業，以免在拆除時發生洞頂坍塌問題，在超前管棚施工中，必須嚴格設計圖紙進行施工，以提升其處理效果。

在洞身一次支護變形處理中固結灌漿非常重要的環節，為避免泥石流從破開的工作面上大量崩落，在進行拆除之前，需要對圍巖進行固結灌漿處理。本工程固結灌漿施工中，選擇手持風鉆進行鉆孔，鉆孔直徑控制在32mm左右，鉆孔后及時跟進清孔，清孔結束后插入鋼管，再進行灌漿，灌漿時要遵循從下到上的原則[4]。

4.3 拆除原來構筑物

洞身一次支護變形處理中需要拆除原來的一些構筑物，先不拆除原拱架，逐米拆除原來的其他結構物，再安裝上新的拱架，形成一個穩定的整體噴錨之后，再拆除超過邊界的原拱架和其他部件。具體的拆除內容如下：

1)需要拆除噴錨混凝土，可采用風鎬進行拆除，拆除順序為從上到下。

2)需要拆除管片、拱架、鋼筋網片。已經發生變形的拱架、鋼筋網片可采用氣割的方法拆除，拆除后人工裝車運往洞外。

3)是擴挖，對那些已經侵占了混凝土面的巖體可采用人工風鎬進行修整，清除底板基面上浮渣和虛渣，廢棄的渣料要及時運輸到棄渣場集中處理[5]。

4.3 安裝新的拱架

新拱架安裝的順序為：先對巖面進行全面有效的清理，然后進行鎖腳錨桿施工，接著進行鋼支撐架安裝，最后用鋼楔緊固，通過焊接的方法連接成一個整體，新裝拱架之間的間距要盡量控制在50cm左右，采用全封閉安裝的方法，完成拱架安裝。

5 洞身一次支護變形處理的注意事項

在軟巖地質條件下洞身一次支護變形處理技術中，需注意以下事項：

1)為提升洞身一次支護變形處理效果，鋼支撐和圍巖之間要通過鋼楔楔緊，保證鋼支撐和圍巖能夠緊貼到一起。鋼支撐和鋼楔焊接時，必須保證每條焊縫都焊接牢固。焊接完后，拱架之間采用φ22的鋼筋進行連接，連接筋與工字鋼必須焊接牢固，每榀鋼支撐間用連接鋼筋焊接形成整體。

2)底部加設工字鋼對拉支撐。鋼筋網片安裝，鋼筋網片在場外加工焊接好，鋼筋網格間距為200mm×200mm，鋼筋直徑φ6.5，鋼筋網片頂拱180°安裝[6]。

3)噴錨混凝土，拱架安裝后盡快進行噴混凝土作業，并全部覆蓋，噴射混凝土時先從拱腳或墻處往上部噴射，以防止上部噴射料虛掩拱腳(墻腳)不密實，造成強度不夠，拱腳(墻腳)失穩。噴射混凝土強度等級為C20，厚10cm。

6 結 語

綜上所述，軟巖地質條件下洞身支護變形是一種比較嚴重的地質災害，如果處理不當，不但會增加工程預算，不利于保證施工質量和安全性，而且會引起嚴重的安全事故，如果情況嚴重，甚至會引起隧洞工程施工失敗。所以在具體施工中必須采用科學合理的處理技術。洞身一次支護變形處理技術可由外至里逐米處理變形段，從根本上解決變形問題，保證隧洞工程的質量和安全性，值得大范圍推廣應用。