高應力軟巖大變形隧道仰拱上浮治理技術研究

程廣威

(中鐵十七局集團第一工程有限公司 山西太原 030032)

1 工程背景

成蘭鐵路茂縣隧道位于茂縣車站～龍塘車站區間，全長9 913 m，隧道最大埋深1 653 m，正線線間距30 m。隧道D8K127＋560～D8K128＋200段穿越茂汶活動斷裂帶，埋深410～655 m，茂汶活動斷裂為一條北東向的壓扭性大斷裂，斷層走向N40°E，傾向NW，傾角70°～80°，破碎帶寬度300～400 m。開挖揭示圍巖為志留系茂縣群(Smx5)的絹云千枚巖、炭質千枚巖[1]。掌子面圍巖破碎，夾石英巖脈。進入斷層核部后破碎程度逐漸加劇，開挖后，圍巖手捏即碎，呈粉末狀，無水，如圖1所示；緊接活動斷裂帶為大理巖，富水，隧道最大出水量30 000 m3/d，如圖2所示。

圖1 炭質千枚巖

圖2 大理巖富水

隧道以構造水平應力為主，最大水平主應力為27.51 MPa，最大主應力方向為N19.3°W，與洞軸線(N56°W)交角為 36.7°。

2 拱墻初支破壞及仰拱上浮特征

2.1 拱墻初支破壞特征

茂縣隧道左線大變形段2017年10月貫通，貫通后，持續進行監控量測。大部分斷面在3個月左右整體變形趨于收斂。

2018年7月，隧道左線監測顯示變形速率增大，之后出現初支噴砼起皮、掉塊，并發展為拱架扭曲、折斷，最終有較大范圍的初支侵限。

表現形式:初支破壞從輕微到嚴重依次表現為局部初支砼輕微剝落、鋼架連接板砼縱向呈直線剝落、鋼架縱橫向扭曲、鋼架肋板斷裂擠出上下錯動、初支及鋼架大范圍橫向擠出等。

破壞部位:主要表現在拱腰及邊墻(矮邊墻至內軌頂以上6.5 m范圍內)，拱部無明顯破壞特征(僅有少量初支砼剝落現象)。拱頂和邊墻變形趨勢關聯，即邊墻變形大的斷面其拱頂下沉量也相對較大[2]。

右線施工中，初期支護發生拆換，主要發生在邊墻部位，兩側邊墻均有發生。在正常掘進施工時，有發生錨桿拉斷現象，但主要為右線的右側，左側未發現。

D8K127＋950拱墻監控量測情況如圖3所示。

圖3 拱墻監測曲線(2016年12月～2019年6月)

左線拱墻初支變形破壞段落集中在D8K127＋815～D8K127＋990段(活動斷裂核部)，累計最大沉降值位于D8K127＋955處，達503.4 mm；最大收斂變形發生在D8K127＋930處，達903 mm。從監控量測曲線發現，有如下特點:

(1)大部分段落均長時間保持了穩定，但該段監控量測數據顯示在2018年7月后出現了變形速率加速的現象。

(2)根據D8K127＋880～D8K127＋930段變形曲線反映，2017年10月～2018年5月間變形趨于收斂，右線掌子面開始掘進時，左線量測數據出現變形速率增大的情況，左右線存在相互干擾現象。

2.2 仰拱上浮變形特征

2017年12月底開始設置監測點，2018年4月，左線部分仰拱存在上浮現象，2018年4月以后變形速率加劇。2019年4月，上浮最高斷面為D8K127＋985仰拱右側點，上浮451 mm。仰拱上浮呈現持續上浮不收斂的情況，D8K127＋970變形曲線如圖4所示。

圖4 仰拱監測曲線(2017年12月～2020年4月)

(1)左線D8K127＋740～D8K128＋010段270 m，存在仰拱上浮現象，該段拱墻二次襯砌未施作。其他已施作二襯段落未監測到仰拱上浮現象。

(2)上浮量值大，速率不衰減。截止2019年4月份，上浮最高斷面為D8K127＋985仰拱右側點，上浮451 mm，速率不衰減，說明變形一旦啟動則穩定發展，疑似蠕變現象。目前國內尚未發現已施作仰拱襯砌的段落有類似的上浮量級。

(3)上浮一側高，一側低。即左右線間側上浮量值大于線路外側上浮量值。

(4)仰拱上浮為仰拱襯砌整體上浮。對仰拱上浮段落進行排查，未發現明顯縱向、環向、斜向砼裂紋，單板仰拱砼整體性較好，整體上浮(部分接頭處破壞為施工機械車輛造成)。

2.3 仰拱上浮原因分析

(1)所處段落地應力條件的特殊復雜性

隧道穿越茂汶斷裂核部段落左線長達393 m，段落內由軟質巖過渡到硬質巖。現場破壞段正好處于圍巖軟硬分界的軟質巖側，而在遠離硬質巖時，雖然巖性仍然為粉末狀的千枚巖，但支護破壞程度卻逐漸降低，說明靠近巖性分界處，原始地應力可能呈現更復雜的狀態，對中巖柱穩定更加不利，從而加劇了變形的發生。由于圍巖破碎無法實現地應力測量，因此無法對此處地應力進行準確估計。

(2)地下水環境發生變化

開挖揭示掌子面顯示，千枚巖地段圍巖干燥無水，相鄰段落大理巖、灰巖地段富水。隧道貫通后，地下水環境變化，極易造成千枚巖地段圍巖軟化，圍巖強度的降低，導致大變形段落松動圈進一步擴大，從而導致地下水再下滲。惡性循環弱化基礎作用，支護措施對變形的抑制作用難以控制。

(3)圍巖流變影響

茂縣隧道千枚巖段存在明顯流變特性，考慮二次襯砌抵抗流變作用，先行洞在變形段采取與后行洞同時施作二次襯砌的原則，以免二次襯砌可能的破壞，圍巖流變也是造成支護破壞的因素之一。

(4)先后行洞影響

本段落左右線線間距30 m，采用圓形襯砌后凈巖柱寬度小于17 m。通過分析監控量測曲線可以發現，幾乎所有變形破壞的斷面均在變形穩定一段時間后出現加劇的現象。在發生變形破壞段落，左線變形與右線施工可能存在相關性。

3 仰拱上浮治理措施

3.1 主要思路

結合茂縣隧道地質情況研判，過程施工、監測情況及造成仰拱上浮的成因分析，確定仰拱上浮治理的主要思路為:隔絕上游水，降低水對基底的影響，注漿加固圍巖抵抗圍巖流變，拆除破壞的原支護體系重構，增設加固措施確保中巖柱穩定，設加強型仰拱抑制水平地應力對結構的影響。

3.2 工藝性試驗

鑒于千枚巖特性及地應力特征，開展了孔口管注漿加固圍巖及直徑300 mm，長度30 m抗浮樁試驗，試驗結論如下:

(1)圍巖內夾雜硬度高的石英，采用常規的風動鑿巖機成孔，一是成孔時間長，無法快速成孔，易塌孔；二是石英卡鉆，形成無效孔；三是千枚巖遇水易泥化，自然條件下無貫通裂隙，采用孔口管注漿，擴散半徑有限。同時，采用孔口管徑向注漿，注漿壓力0.8～1 MPa，受孔口封堵長度(30 cm)限制，無法有效阻斷雙層初支砼與圍巖間的空隙，漿液易從初支面散失，注漿壓力上不去，注漿壓力不夠大難以突破圍巖自身壓力形成灌漿通道。調整注漿方式為分段注漿，增加注漿壓力，可實現注漿加固圍巖的效果[3]。

(2)抗浮樁試驗:成孔深度未達到設計30 m，對成孔有干擾的因素，一是炭質千枚巖夾雜無規律分布的石英，石英脈硬度較高，加之高地應力，塌孔、卡鉆，成孔困難；二是上游滲水導致圍巖軟化、塌孔[4]。采用干作業成孔，縮小孔徑，縮短孔長可實現成孔[5]。

3.3 治理措施

(1)隔水注漿

在大理巖與千枚巖分界上游，采用袖閥管全環徑向注漿形成隔水帷幕。中巖柱側將中巖柱圍巖裂隙全部進行填充封堵，其余拱墻及仰拱范圍加固至開挖輪廓線外8 m范圍。注漿采用?48×3 mm袖閥管注漿，分段注漿，注漿壓力不小于2 MPa。

(2)高壓徑向注漿加固圍巖

對未施作二襯段，采用袖閥管徑向注漿加固圍巖。注漿參數及工藝同隔水注漿，袖閥管注漿分區域施工、間隔施作、跳孔進行。注漿壓力、擴散半徑、單孔設計注漿量等根據現場注漿實驗及注漿的部位進行優化調整[6]。

徑向注漿加固圍巖按照邊墻鉆孔、拱部鉆孔、灌注套殼料、初次注漿、二次注漿及管內回填施工工序作業[7]。

施工技術卡控要點:

①干作業成孔:考慮千枚巖遇水泥化情況，注漿加固圍巖過程中，采用干作業成孔，避免圍巖進一步軟化。

②快速成孔:選取功率大等可適應的設備，減緩變形縮孔、避免石英卡鉆等。

③快速完成袖閥管的安裝及套殼料的灌注，盡快形成受力體系。

④長邊墻短拱部:鉆孔深度設置為邊墻8 m、拱部5 m，對應圍巖和初支變形的分布規律設置。

⑤確保三次注漿。注漿分初次注漿、二次補漿、袖閥管內回填注漿。初次注漿控制終止壓力不小于2 MPa，持壓注漿10 min以上，結束時的進漿量小于20 L/min；二次注漿在初次注漿初凝后進行，加大注漿范圍，彌補漿液收縮；三次注漿對袖閥管內空腔進行回填，防止圍巖擠壓收縮變形[8]。

(3)初支破壞段落處理

考慮原支護措施能保證支護的長時間穩定，故待注漿措施完成后，對初支破壞段落按原大變形支護參數進行拆換，錨桿由?32自進式錨桿調整為?38自進式錨桿。

(4)中巖柱加固

中巖柱圍巖變形主要為拱腰以上圍巖擠入變形。采用對拉錨索及邊墻錨索支護的方式控制圍巖變形。

對拉錨索設3根，長度根據實際巖柱厚度截取，間距為1.8 m×1.5 m(縱×環)[11]，設置于內軌頂以上5 m范圍。邊墻錨索中巖柱兩側各設1根，長度20 m，縱向間距1.8 m，與水平方向呈45°斜向下設置。單孔6束錨索張拉控制力按450 kN控制(預留空間)，布置情況如圖5所示。

圖5 中巖柱錨索布置示意

錨索施工按照“錨索鉆孔→錨索編束→錨索安裝→注漿→鋼墊板安裝→預應力張拉→封錨”的流程進行。

施工技術卡控要點:

①穿一留二不沖突。嚴重大變形段雙層初支，鋼架間錨桿密、空隙小，為保證對拉錨索成孔效率，在左線一支施作后二支施作前鉆孔，避免打孔對二支鋼拱架的損傷。

②先注后拉等強度。因活動斷裂地層破碎，為避免塌孔影響錨索孔質量，必須成一孔，灌注一孔。因錨索穿過孔口錨墊板時，錨索中心空隙較小，封口時不能完全封堵，注漿時存在少量漏漿，故注漿后采用二次加壓注漿，確保孔內注漿飽滿密實，補漿壓力一般為0.6～1 MPa。為避免塌孔，成孔后安裝錨索并立刻注漿，在注漿體和初支混凝土強度增長至設計強度的80%后再張拉，提高施工效率，保證兩側錨固端的質量。

(5)隧底加固

隧底加固分為兩部分，隧底微型樁及錨索。隧底微型約束樁布置于填充頂面以下5.5 cm處，樁徑140 mm，樁長20 m，間距1.2 m×1.8 m(橫×縱)梅花形布設[12]，如圖6所示。微型樁鋼筋束由4根?25鋼筋和?42連接鋼管組成，頂部設置90°彎鉤并與整體式仰拱鋼筋進行焊接。

圖6 隧底微型樁及拉力型錨索示意

錨索設置于側溝底附近部位，間距1.8 m，與豎向交角約35°，長20 m。

隧底微型樁加固樁按照“鉆機就位→鉆孔清孔→鋼筋籠制作、安裝→注漿→鋼筋接頭處理”的工藝施工[11]。

施工技術卡控要點:

①考慮地應力高、圍巖軟弱破碎變形快，為保證措施的施工質量，采用快速成孔、快速安裝鋼筋束和及時注漿的方式進行，嚴禁多孔同時進行、互相干擾。

②采用孔底返漿法注漿，在初凝后及時進行補注漿，注一孔成一孔，確保孔內漿體飽滿。

③鉆孔時提高空壓機功率，用以提高清孔質量。清孔后立即安裝鋼筋籠，安裝時輕下輕放，做好孔口圍堵，防止孔口虛渣掉落孔內堆積。成孔長度略大于鋼筋籠安裝長度。

(6)仰拱加強

將仰拱二襯、仰拱填充調整為鋼筋混凝土仰拱結構，整體澆筑[12]，如圖7所示。

圖7 整體仰拱鋼筋布置形式

4 結束語

2020年6月，仰拱上浮段落拱墻襯砌施作，拆換段落128 m，仰拱上浮-5.26～1.28 mm，速率平均0.01 mm/d。上浮最大1.28 mm，沉降最大5.26 mm，排除掉過程施工影響及測量誤差，仰拱總體沉降無變化。

茂縣隧道仰拱上浮處理關鍵技術主要有:

(1)通過地應力測試、補勘等綜合手段運用，研判分析出了仰拱上浮的因素，做到了針對性治理。

(2)采用隔水注漿，將圍巖中的水盡量隔絕在大理巖、灰巖地段，降低了水對軟巖地段的影響。

(3)采用高壓徑向注漿的方式，使千枚巖地段的圍巖加固得以實現，從而對穿越活動斷裂帶圍巖流變的抑制起到了最大的預防作用。

(4)通過對拉錨索、仰拱錨索、微型約束樁等綜合處理技術，針對性地施加措施，確保了該段仰拱上浮治理的工后效果。