滇西紅層軟巖大變形隧道施工技術(shù)研究

張圣強(qiáng)

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 引言

紅層系指侏羅紀(jì)到新近紀(jì)的陸相紅色巖系，在我國(guó)西南和中南地區(qū)分布較廣，其巖石多屬于軟巖類別，具有膠結(jié)性和穩(wěn)定性差、易崩解軟化的特點(diǎn)[1]。隨著地下工程建設(shè)快速發(fā)展，紅層工程地質(zhì)特征及其對(duì)工程建設(shè)影響受到越來(lái)越多專家學(xué)者關(guān)注和研究。

何盛[2]等通過(guò)試驗(yàn)分析，對(duì)滇中紅層軟巖的地質(zhì)特征、物質(zhì)組成、物理力學(xué)特征、水理特性及變形特征等進(jìn)行深入研究，表明紅層軟巖具有抗壓強(qiáng)度低、隨黏土礦物及泥質(zhì)含量增加其物理力學(xué)性質(zhì)逐漸降低等特性。胡學(xué)濤[3]、莫奎[4]通過(guò)調(diào)研、理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，較系統(tǒng)研究了川渝地區(qū)紅層力學(xué)特性和圍巖開(kāi)挖力學(xué)響應(yīng)。徐前衛(wèi)[5]等以南華一號(hào)隧道為案例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和監(jiān)控量測(cè)并結(jié)合數(shù)值模擬等方法，分析隧道失穩(wěn)斷面的變形及應(yīng)力特征，提出局部布置錨桿、局部圍巖注漿加固、施作鎖腳錨桿等控制措施解決了施工過(guò)程中出現(xiàn)的局部失穩(wěn)、大變形問(wèn)題。代超龍[6]等以萬(wàn)達(dá)高速天坪寨隧道為依托，采用塊體離散元方法對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。劉明[7]等對(duì)紅層軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究。胡志強(qiáng)[8]研究了中管棚鎖腳臺(tái)階法施工技術(shù)應(yīng)用。張強(qiáng)[9]、李小坤[10]等分別對(duì)紅層地區(qū)涌突水、隧道變形開(kāi)裂及處治措施進(jìn)行深入研究。此外，朱廷宇[11]、陳國(guó)中[12]等對(duì)紅層軟巖隧道從掘進(jìn)機(jī)械和不同工法進(jìn)洞等方面開(kāi)展研究。以上廣泛研究對(duì)解決紅層地質(zhì)工程施工安全質(zhì)量控制難題具重要指導(dǎo)和借鑒意義。

本文以大瑞鐵路杉陽(yáng)隧道為背景，對(duì)施工中存在的突出問(wèn)題展開(kāi)分析，針對(duì)性地提出了一系列解決實(shí)際問(wèn)題的工程技術(shù)措施，為同類隧道施工提供借鑒。

2 滇西紅層隧道施工難題

2.1 工程概況

杉陽(yáng)隧道全長(zhǎng)13.39 km，地處滇西，怒江、金沙江、瀾滄江三江并流之地，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)頻繁，構(gòu)造多，地質(zhì)復(fù)雜。隧道大部分段落穿越“滇西紅層”的軟質(zhì)巖，其特點(diǎn)是“遇水成泥、遇風(fēng)則化”。圍巖斷層、褶皺及節(jié)理裂隙發(fā)育，受區(qū)域大構(gòu)造影響，整條隧道不良地質(zhì)10處，其中斷層5處，巖體被強(qiáng)烈擠壓破碎，施工安全、工期風(fēng)險(xiǎn)高。

杉陽(yáng)隧道主要不良地質(zhì)為斷層破碎帶、高地應(yīng)力，特殊巖土為石膏、膨脹巖土，地下水發(fā)育，日最大涌水量達(dá)9 000 m3，容易形成掌子面突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害。斷裂構(gòu)造發(fā)育，多條區(qū)域性斷層與線路相交，多為斷層角礫、碎石土，無(wú)膠結(jié)或膠結(jié)差。整條隧道含石膏地層段落3 811 m，該地層巖體疏松、軟硬不均、強(qiáng)度低，具有膨脹性。膨脹巖土主要為侏羅系上統(tǒng)壩注路組泥巖夾砂巖，為弱膨脹巖。巖層破碎易風(fēng)化、遇水成泥，施工難度大。

隧道圍巖主要為砂巖、泥巖或砂泥巖互層。砂巖為硬質(zhì)巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層較為破碎，層間結(jié)合差；泥巖以薄層為主，呈土狀，泥質(zhì)膠結(jié)，易風(fēng)化崩解、遇水成泥，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)圍巖

杉陽(yáng)隧道所屬區(qū)內(nèi)地下水以土層孔隙潛水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，其中基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水豐富。杉陽(yáng)隧道地溫達(dá)到28℃以上，整條隧道高地溫段落達(dá)2 900 m，最高地溫達(dá)34℃。

2.2 擠壓型大變形

隧道地應(yīng)力過(guò)大，而圍巖強(qiáng)度過(guò)低，經(jīng)常發(fā)生擠壓型大變形，施工過(guò)程中易發(fā)生鋼拱架彎曲變形、噴射混凝土剝落，造成初支變形侵限，如圖2所示。

圖2 鋼拱架扭曲變形

初支變形侵限多發(fā)生于泥巖地段，初支完成后，圍巖收斂變形不明顯，但隨著掌子面向前掘進(jìn)，爆破作業(yè)對(duì)已施工部位造成擾動(dòng)。施工完成約一周后，圍巖收斂加劇，每天最大變形量高達(dá)16 cm，侵限量局部高達(dá)60 cm，邊墻初支混凝土開(kāi)裂，局部出現(xiàn)滲水，如圖3所示。

圖3 圍巖收斂監(jiān)控實(shí)測(cè)曲線

2.3 仰拱隆起

泥巖地段，平導(dǎo)底板受力過(guò)大，施工過(guò)程中極易造成平導(dǎo)底板(仰拱)隆起。平導(dǎo)底板原設(shè)計(jì)為20 cm厚的素混凝土，部分泥巖地段底板(仰拱)出現(xiàn)混凝土折斷隆起，隆起高度達(dá)30～50 cm，嚴(yán)重影響施工安全質(zhì)量，如圖4所示。

圖4 底板隆起與開(kāi)裂

3 控制措施探討

3.1 隧道斷面優(yōu)化

針對(duì)杉陽(yáng)隧道圍巖破碎、裂隙水發(fā)育、圍巖變形大等問(wèn)題，需動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。從支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更加合理的角度出發(fā)，將杉陽(yáng)隧道設(shè)計(jì)斷面邊墻由直墻優(yōu)化為曲墻，減少初支變形侵限，降低了換拱頻率，加快了施工進(jìn)度。隧洞斷面優(yōu)化如圖5所示。

圖5 隧道斷面優(yōu)化(單位:cm)

3.2 降低圍巖擾動(dòng)，控制開(kāi)挖輪廓

采取鉆爆法開(kāi)挖過(guò)程中，部分段落圍巖破碎、強(qiáng)度低、層間結(jié)合差，開(kāi)挖輪廓控制難度大。針對(duì)這種情況，提出爆破參數(shù)優(yōu)化方案，研究了不同圍巖下周邊眼炮孔最佳間距和周邊眼裝藥量。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，提出了周邊眼間隔裝藥措施，如圖6所示，黃色炮孔裝藥，藍(lán)色炮孔不裝藥，可大大減少因隧道爆破對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)，也減少了隧道開(kāi)挖超挖量，縮短了噴射混凝土的時(shí)間，提高了施工效率。

圖6 爆破參數(shù)優(yōu)化

3.3 平導(dǎo)臺(tái)階參數(shù)調(diào)整

采用臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中，最初設(shè)計(jì)方案上臺(tái)階開(kāi)挖高度為2.1～2.3 m(便于工人鉆孔操作)。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn)，下臺(tái)階開(kāi)挖后初期支護(hù)變形開(kāi)始急劇增大，尤其是拱墻結(jié)合部位變形較大。

通過(guò)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)直邊墻受力最大，為初期支護(hù)強(qiáng)度最薄弱處。通過(guò)將上臺(tái)階開(kāi)挖高度優(yōu)化為2.8～3.0 m，改善上臺(tái)階整體受力狀況，降低了上下臺(tái)階連接處支護(hù)變形風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 機(jī)械化施工

在掌子面圍巖為遇水軟化的泥巖、全風(fēng)化的砂巖時(shí)，將爆破施工變更為機(jī)械開(kāi)挖。將挖掘機(jī)斗換為勾頭配合銑挖頭作業(yè)，挖掘機(jī)在下臺(tái)階處開(kāi)挖掌子面圍巖，每次開(kāi)挖一榀，如圖7所示。

圖7 隧道掘進(jìn)機(jī)械

機(jī)械開(kāi)挖可減少對(duì)周邊圍巖擾動(dòng)，對(duì)控制圍巖變形能起到一定效果，同時(shí)可有效降低超欠挖現(xiàn)象，縮短噴錨支護(hù)時(shí)間。

3.5 高地應(yīng)力圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

施工過(guò)程中，對(duì)于具有膨脹性、遇水成泥的圍巖、裂隙水較發(fā)育地段，按照原設(shè)計(jì)方案支護(hù)參數(shù)進(jìn)行初期支護(hù)，后期圍巖因遇水膨脹引起的高地應(yīng)力仍會(huì)引起鋼拱架扭曲變形，初支侵限嚴(yán)重，安全風(fēng)險(xiǎn)巨大。針對(duì)這種情況，通過(guò)施工過(guò)程總結(jié)，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以減小初支變形。

(1)加強(qiáng)鋼拱架剛度

施工過(guò)程中及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，增大拱架剛度，同時(shí)縮短拱架間距，增加鋼拱架混凝土支墊，用角鋼代替鋼筋加強(qiáng)鋼架縱向連接，采用擴(kuò)大拱腳法以防止拱架下沉；在隧道兩側(cè)邊墻增加長(zhǎng)徑向錨桿，拱部采用雙排超前小導(dǎo)管，針對(duì)拱頂及掌子面圍巖不穩(wěn)定或掉塊情況增加鋼筋網(wǎng)片，必要時(shí)掌子面噴射混凝土封閉，邊墻增加超前水平小導(dǎo)管等方式減小初支變形。

(2)加大仰拱曲率

通過(guò)分析底板(仰拱)隆起原因，研究了不同仰拱曲率對(duì)隧道仰拱隆起的影響，以彎矩、剪力、軸力、安全系數(shù)及仰拱隆起變形量等指標(biāo)來(lái)評(píng)判仰拱曲率的合理性，得出最佳仰拱曲率以應(yīng)對(duì)施工中發(fā)生的仰拱底鼓病害問(wèn)題，如圖8所示。

圖8 不同仰拱曲率

隨著仰拱曲率的增大，仰拱的安全系數(shù)逐漸增大，最后趨向于一個(gè)穩(wěn)定值；當(dāng)仰拱半徑大于4.5 m時(shí)，仰拱的豎向位移有較大程度增大；當(dāng)仰拱半徑大于6 m時(shí)，其豎向位移趨向于穩(wěn)定。仰拱半徑過(guò)小對(duì)結(jié)構(gòu)整體性并不合理，同時(shí)也會(huì)增加造價(jià)、增減施工難度。

綜上分析，針對(duì)此段仰拱開(kāi)裂段，仰拱半徑可考慮采用4.0 m，且應(yīng)在原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)以上技術(shù)措施的應(yīng)用，有效控制了隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障了本工程建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度。通過(guò)本工程實(shí)踐總結(jié)以下四點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)或建議，以期對(duì)今后類似工程有切實(shí)借鑒意義。

(1)曲墻斷面較直墻斷面受力更加合理，在泥巖膨脹地層采用曲墻斷面可以減少初支變形量，降低換拱頻率。

(2)擠壓型大變形隧道爆破施工應(yīng)根據(jù)圍巖變化動(dòng)態(tài)調(diào)整周邊眼炮孔間距和裝藥量，以降低隧道爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

(3)臺(tái)階法施工時(shí)臺(tái)階高度不僅要考慮施工便捷性，還應(yīng)綜合考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的合理性，以防止下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)初支結(jié)構(gòu)受力不合理造成變形急劇增大。

(4)增大鋼拱架剛度、加強(qiáng)鋼拱架縱向連接、增加鋼拱架混凝土墊塊，可以有效減小初支變形；增大仰拱曲率，將素混凝土優(yōu)化為鋼筋混凝土，可增大仰拱安全系數(shù)，避免出現(xiàn)仰拱隆起現(xiàn)象。