大斷面炭質(zhì)板巖隧道進(jìn)洞施工技術(shù)研究

王林俊

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710038)

1 前言

為了滿足我國(guó)交通運(yùn)輸量增長(zhǎng)的需要，改善人們的出行條件，我國(guó)鐵路不斷向西南山嶺地區(qū)發(fā)展，需要修建大量的橋梁隧道。在隧道施工中面臨著諸如大變形、涌水、偏壓、高地應(yīng)力等各種地質(zhì)問(wèn)題[1]，特別是軟巖隧道，圍巖變形大，支護(hù)困難，出現(xiàn)初支變形侵限、溜塌、二襯開(kāi)裂等危害。本文所述白石頭隧道出口為淺埋地段，圍巖分布以炭質(zhì)板巖為主，地表水系發(fā)育，施工過(guò)程中極易發(fā)生上述問(wèn)題。目前，解決圍巖大變形的傳統(tǒng)方法主要有增大預(yù)留量、加大支護(hù)強(qiáng)度和改變開(kāi)挖方法三類，而采用預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿可以允許圍巖釋放一定的壓力，同時(shí)采用掌子面預(yù)加固系統(tǒng)，從而有效控制圍巖變形[2]，確保淺埋出口段的施工安全。

2 工程概況

大臨鐵路位于云南省西南部地區(qū)，線路全長(zhǎng)202.1 km，白石頭隧道位于云縣站～頭道水站區(qū)間，全長(zhǎng)9 375 m，最大埋深約310 m，最小埋深約8 m。隧道出口處巖體極破碎，掌子面揭示主要為片巖夾炭質(zhì)片巖、綠泥石片巖、線路右側(cè)存在炭質(zhì)板巖等軟巖，中層狀為主，局部為薄層狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性極為復(fù)雜，局部地下水較發(fā)育，巖體遇水軟化，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低，易出現(xiàn)圍巖大變形。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工狀況及特征

白石頭隧道出口在套拱施作完成后，明暗分界里程為DK167＋038.8，按照設(shè)計(jì)圖紙人工配合機(jī)械開(kāi)挖，揭示掌子面巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎塊狀，有少量基巖裂隙水滲出。在掌子面進(jìn)尺10.5 m，中臺(tái)階左側(cè)進(jìn)尺2 m，中臺(tái)階右側(cè)未開(kāi)挖情況下，導(dǎo)向墻右側(cè)突然出現(xiàn)了明顯下沉，經(jīng)測(cè)量下沉10.7 cm。在隧道開(kāi)挖至炭質(zhì)板巖段初期，由于缺少對(duì)炭質(zhì)板巖的了解，導(dǎo)致隧道初支變形量過(guò)大，出現(xiàn)支護(hù)侵限現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，利用三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，初期支護(hù)破環(huán)呈現(xiàn)出兩階段，首先是中臺(tái)階開(kāi)挖后、下臺(tái)階開(kāi)挖前的破環(huán)，主要表現(xiàn)為拱腳位置的噴射混凝土沿縱向出現(xiàn)掉塊、開(kāi)裂現(xiàn)象；其次是下臺(tái)階開(kāi)挖后，邊墻、拱頂位置的噴射混凝土出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著巖體破壞程度加大，出現(xiàn)型鋼拱架彎曲、破壞現(xiàn)象，隧道變形情況如圖1所示。

圖1 支護(hù)侵限

經(jīng)研究分析白石頭隧道出口炭質(zhì)板巖變形具有以下特征:(1)變形量大；(2)變形速率快；(3)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；(4)施工擾動(dòng)顯著；(5)圍巖應(yīng)力分布不均勻，初期支護(hù)變形具有不對(duì)稱性，圍巖的變形特征以水平方向的收斂為主，且右側(cè)收斂大于左側(cè)；(6)破壞形式多樣，在施工過(guò)程中白石頭隧道出口在施工期內(nèi)發(fā)生了多次大變形災(zāi)害，如初支錯(cuò)動(dòng)破壞、開(kāi)裂及掉塊、初支侵限、拱架扭曲等。

4 隧道出口大變形控制措施

4.1 加固導(dǎo)向墻

白石頭隧道出口導(dǎo)向墻由于洞頂覆蓋層為粉質(zhì)黏土，云南地區(qū)雨水較多，仰坡地表局部出現(xiàn)裂縫，雨水進(jìn)入土層，造成覆蓋層飽水，全風(fēng)化炭質(zhì)片巖地基承載力降低，導(dǎo)致大管棚承擔(dān)荷載增大，傳遞至導(dǎo)向墻基底壓力增大，引起導(dǎo)向墻基礎(chǔ)下沉，連帶初期支護(hù)下沉量增大，從而引起初期支護(hù)變形，施工中采用4根預(yù)加固樁對(duì)導(dǎo)向墻基礎(chǔ)及水平位移進(jìn)行加強(qiáng)，導(dǎo)向墻左右拱腳處增加4根φ89鋼管，每根長(zhǎng)度9 m，并注水泥漿，鋼管和拱架進(jìn)行焊接，同時(shí)將地表裂縫用黏土回填，然后施作50 cm寬、10 cm厚的砂漿帶覆蓋，防止水侵入，造成圍巖遇水軟化，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致大管棚承擔(dān)荷載增大。

4.2 地表注漿加固

滇西地區(qū)雨水豐沛，出口地段由于埋深較淺，開(kāi)挖導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫，雨水滲入地下并沿陡傾節(jié)理面下滲，導(dǎo)致圍巖承載力及穩(wěn)定性降低，在軟弱帶處變形增大。為降低雨水對(duì)地表圍巖及開(kāi)挖后圍巖松動(dòng)圈的浸泡及擾動(dòng)[3]，在隧道頂部開(kāi)挖線以下1 m至以上5 m范圍進(jìn)行圍巖注漿固結(jié)，加固區(qū)域如圖2所示，加固長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地表裂縫范圍而定，加固寬度為24.69 m。加固區(qū)按孔間距1.5 m×1.5 m梅花形布置。注漿采用雙液漿，為保證注漿效果，加固區(qū)必須采用雙液漿對(duì)冒漿點(diǎn)進(jìn)行封堵，具體加入時(shí)間和量要根據(jù)注漿過(guò)程中冒漿情況而定。

圖2 加固橫斷面示意

鉆孔深度均為進(jìn)入基巖1 m，加固區(qū)注漿范圍為從拱頂開(kāi)挖線上5 m至孔底，拱頂開(kāi)挖線5 m以上至地表注漿管設(shè)止?jié){段(注漿管不打孔)。拱頂注漿孔打至距拱頂開(kāi)挖輪廓線50 cm；開(kāi)挖輪廓線兩側(cè)兩排注漿管鉆孔離開(kāi)開(kāi)挖輪廓線50 cm；隧底加固注漿在開(kāi)挖仰拱前進(jìn)行，在洞內(nèi)施作。

4.3 優(yōu)化開(kāi)挖工法

隧道出口段掌子面掘進(jìn)過(guò)程中，采用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖，采用 22b工字鋼，間距0.6 m。在掘進(jìn)10 m后，初支完成段累計(jì)最大變形量173 cm，最大變形速率為11 cm/d，C25噴射混凝土開(kāi)裂失效，22b型鋼、φ300螺旋管豎撐變形扭曲。在圍巖承受擾動(dòng)能力小的大斷面車站段，上臺(tái)階的開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)范圍和程度增大，導(dǎo)致拱頂圍巖產(chǎn)生松弛，對(duì)初支作用力增大[4]。采用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法沒(méi)能有效控制局部收斂和拱頂下沉的系統(tǒng)支護(hù)，簡(jiǎn)單的豎向支撐，不能與臨時(shí)仰拱和支護(hù)型鋼形成一個(gè)整體的受力系統(tǒng)，從而不能有效控制變形。為了能有效控制變形，采用如圖3所示的滇西地區(qū)軟巖大斷面隧道CRD施工工法施工，臨時(shí)仰拱和臨時(shí)中隔壁將車站大斷面分割成4個(gè)封閉成環(huán)的小空間，達(dá)到了少擾動(dòng)、早封閉、早成環(huán)的目的，有效控制了大變形。

4.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)白石頭隧道出口變形特征及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，從4個(gè)方面對(duì)原支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)施作徑向預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿

采用預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿加強(qiáng)支護(hù)可以有效控制隧道拱頂沉降和水平收斂[5]，錨桿的控制效果隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而增加。在白石頭隧道出口大變形段，雖然9 m錨桿控制變形優(yōu)于6 m錨桿，但是由于隧道施作受CRD工法限制，隧道空間有限，因此選擇6 m錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施作。

由于白石頭隧道出口大變形具有不對(duì)稱性，圍巖變形以水平收斂為主，且右側(cè)變形遠(yuǎn)大于左側(cè)，因此，在施工過(guò)程中采用R25L中空自鉆式錨桿，錨桿長(zhǎng)度6 m，公稱直徑φ25，極限抗拉力為180 kN(設(shè)計(jì)要求錨固力達(dá)到151 kN)。錨固劑類型為超快速CKb，采用端頭錨固，錨固長(zhǎng)度1.5 m。預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿非對(duì)稱布置[6]，對(duì)圍巖薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，以拱頂為分界線，右側(cè)錨桿環(huán)向間距1 m，左側(cè)環(huán)向間距為2 m，采用長(zhǎng)短預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿組合形成群錨效應(yīng)，通過(guò)預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿的應(yīng)用，隧道圍巖周邊收斂和拱頂下沉均呈現(xiàn)出明顯的下降，其中，在施作預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿段，拱頂最大沉降量較無(wú)錨桿段下降10.2%，拱腳最大水平收斂值較無(wú)錨桿段下降16.4%。

(2)差異預(yù)留拱架變形量

由于出口段的變形具有變形速率快、變形量大、變形不對(duì)稱性等特點(diǎn)[7]，通常設(shè)置預(yù)留變形量為一個(gè)統(tǒng)一數(shù)值，勢(shì)必造成上、中、下臺(tái)階拱架連接不平順，出現(xiàn)開(kāi)口現(xiàn)象，對(duì)拱架受力將極大的減弱，最終造成變形侵限。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，采用漸變預(yù)留變形量的方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)留變形量，加工異性型鋼拱架。

(3)優(yōu)化鋼拱架結(jié)構(gòu)

炭質(zhì)板巖隧道在巖體開(kāi)挖后，圍巖向臨空面發(fā)生較大的變形[8]，但噴射混凝土在施作初期支護(hù)能力有限，不能有效抵抗圍巖變形，為防止炭質(zhì)板巖進(jìn)一步發(fā)生變形，需采用在短時(shí)間內(nèi)提供較大支護(hù)抗力的支護(hù)措施，而型鋼拱架恰能滿足這一要求。通過(guò)對(duì)不同類型的型鋼拱架變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，優(yōu)化型鋼斷面結(jié)構(gòu)，詳見(jiàn)表1。

表1 不同型鋼變形情況統(tǒng)計(jì)

由以上分析說(shuō)明圍巖最終變形量隨著拱架強(qiáng)度的提高而減低，且拱架強(qiáng)度提高到一定量值后對(duì)圍巖變形控制效果將降低，在解決軟巖大變形問(wèn)題中，單純地提高初期支護(hù)強(qiáng)度，并不能有效解決圍巖變形問(wèn)題[9]，應(yīng)充分研判圍巖特性，從圍巖自身穩(wěn)定性出發(fā)，以提高圍巖的自穩(wěn)能力為出發(fā)點(diǎn)，才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

因此，綜合圍巖變形分析可知，就控制圍巖變形來(lái)說(shuō)，炭質(zhì)板巖隧道的最優(yōu)型鋼拱架型號(hào)為 25b。同時(shí)如圖4、圖5所示，對(duì)剛拱架結(jié)構(gòu)及連接方式進(jìn)行優(yōu)化，一是優(yōu)化斷面輪廓，將輪廓優(yōu)化為近圓形，改善受力結(jié)構(gòu)；二是將連接板面積較原設(shè)計(jì)增加40%，同時(shí)將螺栓數(shù)量由4顆增加至6顆；三是將設(shè)計(jì)接頭的加勁角鋼改為加勁鋼板；四是設(shè)置縱向連接器，將原有的縱向連接方式優(yōu)化成型鋼連接，采用 18工字鋼作為縱向連接器進(jìn)行縱向連接，減少初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整環(huán)相對(duì)錯(cuò)動(dòng)及邊墻位置鋼架扭曲變形，提高初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖4 初支鋼架接頭優(yōu)化

圖5 設(shè)置縱向連接器

(4)掌子面預(yù)加固技術(shù)

受地質(zhì)巖性、地質(zhì)構(gòu)造及施工干擾等因素的影響，白石頭隧道出口段在圍巖沉降及收斂變形顯著段落，采取了上述施工措施，并對(duì)支護(hù)變形起到了較好的抑制作用，但在隧道圍巖變形嚴(yán)重段落，雖然采取了上述措施，但依然難以抑制初期支護(hù)大變形、侵限等情況的發(fā)生。為有效控制圍巖變形，借鑒新意法施工理念[10]，對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

針對(duì)白石頭出口炭質(zhì)板巖大變形變形嚴(yán)重段落的實(shí)際情況，采取了掌子面玻璃纖維錨桿預(yù)加固[11]為核心，超前大管棚、預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿、鋼拱架和鎖腳錨桿等聯(lián)合變形控制技術(shù)，對(duì)玻璃纖維錨桿加固密度和加固長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了玻璃纖維錨桿間距設(shè)置0.6 m，每一環(huán)施作錨桿不超過(guò)6 m，搭接長(zhǎng)度不超過(guò)3 m的合理布置方式，如圖6所示。該方法對(duì)于控制掌子面擠出變形效果明顯，能較好地控制炭質(zhì)板巖大變形段落的初支變形問(wèn)題。

圖6 白石頭隧道掌子面預(yù)加固示意

由于白石頭出口炭質(zhì)板巖破碎，卸載引起的擴(kuò)容現(xiàn)象明顯，在洞內(nèi)施工時(shí)，通過(guò)增設(shè)超前大管棚，利用大管棚對(duì)掌子面及前方拱部以上圍巖施加預(yù)支護(hù)，從而減小圍巖卸載范圍，提高圍巖承載能力(見(jiàn)圖7)。

圖7 采用預(yù)加固措施后初支變形情況

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以大臨鐵路白石頭隧道出口炭質(zhì)板巖段施工為依據(jù)，對(duì)其施工中出現(xiàn)的大變形隧道支護(hù)控制措施進(jìn)行了研究。總結(jié)了軟巖大變形中的支護(hù)方式和控制措施，著重對(duì)超前支護(hù)措施、開(kāi)挖工法、差異性預(yù)留變形量、型鋼拱架型號(hào)優(yōu)化、預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿、掌子面預(yù)加固等措施進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)論如下:

(1)在該隧道地表注漿施工中，按區(qū)段、區(qū)域施工，采用復(fù)合注漿方法，效果顯著。

(2)采用“滇西地區(qū)軟巖大斷面隧道CRD施工工法”進(jìn)行施工，能有效控制變形，杜絕了侵限換拱和安全事故的發(fā)生，同時(shí)，提高了施工工效，從而節(jié)約成本，減輕工期壓力。

(3)徑向預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿能夠錨固圍巖，使得初期支護(hù)和圍巖變形協(xié)調(diào)一致，共同受力，同時(shí)通過(guò)長(zhǎng)短布置的方式，能有效解決隧道圍巖變形不對(duì)稱問(wèn)題，對(duì)白石頭隧道出口段大變形控制效果明顯。

(4)通過(guò)對(duì)不同拱架型號(hào)對(duì)比分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，采用 25鋼拱架時(shí)，支護(hù)能力最佳，能有效控制圍巖變形，同時(shí)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度是控制破碎炭質(zhì)板巖隧道大變形最直接有效的措施。

(5)對(duì)于炭質(zhì)板巖大變形特別顯著地段，單純提高初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度無(wú)法有效控制白石頭隧道破碎炭質(zhì)板巖段的變形，借鑒新意法理念實(shí)施掌子面預(yù)加固技術(shù)對(duì)控制該區(qū)段的變形具有較為明顯的作用。