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軟弱圍巖大變形隧道施工技術(shù)探討

2023-03-20 09:14:50高錫俊
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年7期
關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

高錫俊

(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司,北京 100855)

隧道作為鐵路網(wǎng)施工中主體結(jié)構(gòu)之一,對(duì)縮短線路距離、改善運(yùn)行條件等都具有突出作用。而我國(guó)地形條件復(fù)雜,在施工過程中常會(huì)遇到構(gòu)造影響強(qiáng)烈、節(jié)理裂隙發(fā)育、擠壓和蝕變等地質(zhì)條件,造成隧道在施工過程中圍巖出現(xiàn)大變形開裂,變形量大,變形速率高,變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和安全[1-3]。為此,超前掌握施工區(qū)域地質(zhì)條件,采用科學(xué)合理的開挖支護(hù)手段對(duì)容易發(fā)生大變形區(qū)域進(jìn)行控制,避免出現(xiàn)因地質(zhì)條件影響隧道圍巖出現(xiàn)大變形、坍塌等,是保證隧道安全施工的關(guān)鍵[2,4]。

1 工程概況

某隧道位于山南市桑日縣境內(nèi),全長(zhǎng)8 755 m,為單線隧道,共設(shè)置進(jìn)、出口,1 號(hào)及2 號(hào)橫洞4 個(gè)工區(qū),橫洞長(zhǎng)度合計(jì)1 350 m,是川藏鐵路的組成部分。根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示,隧道施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈,節(jié)理裂隙發(fā)育,且?guī)r層整體結(jié)構(gòu)破碎,常有軟巖夾層,造成隧道圍巖的整體強(qiáng)度低,在施工過程中容易造成圍巖在擾動(dòng)情況下發(fā)生變形,甚至發(fā)生塌方事故。

2 初期支護(hù)設(shè)計(jì)及變形

2.1 初期支護(hù)參數(shù)

根據(jù)隧道施工環(huán)境及所處地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)采用雙層初支及超前管棚支護(hù)方式,初期支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

1)第一層初支拱部設(shè)Φ89 管棚,每環(huán)設(shè)29 根,每根長(zhǎng)10 m,環(huán)向間距0.4 m,6.6 m/環(huán),搭接3.4 m;超前支護(hù)采用Φ42 小導(dǎo)管,1.8 m/環(huán),環(huán)向間距0.4 m,每根長(zhǎng)3.5 m,共29 根;全斷面采用HW175 鋼架,縱向間距為0.6 m/榀(中至中);相鄰鋼架采用HRB400Φ22 鋼筋連接,環(huán)向間距1.0 m,布置在型鋼鋼架內(nèi)側(cè)共38 根;拱部采用Φ22 中空組合錨桿,每榀設(shè)8 根,每根長(zhǎng)6 m;邊墻采用Φ32 自進(jìn)式錨桿,每榀設(shè)10 根,每根長(zhǎng)10 m;仰拱采用Φ32 自進(jìn)式錨桿,每榀設(shè)7 根,每根長(zhǎng)6 m;環(huán)縱向間距1.2 m×0.8 m。錨桿均采用徑向方式設(shè)置。拱腳及墻腳處Φ42 鎖腳錨管,每根長(zhǎng)4.0 m,設(shè)置于連接板上0~30 cm 左右,每榀鋼架設(shè)16 根Φ42 鎖腳錨管。采用C30 噴射混凝土,設(shè)計(jì)噴射厚度為25 cm。預(yù)留沉降量40 cm。

2)第二層初支全斷面設(shè)I20b 鋼架,縱向間距為0.6 m/榀(中至中);相鄰鋼架采用HRB400Φ22 鋼筋連接,環(huán)向間距1.0 m,布置在型鋼鋼架內(nèi)側(cè)共34 根。采用C30 噴射混凝土,設(shè)計(jì)噴射厚度為27 cm。預(yù)留沉降量20 cm。

二次襯砌參數(shù):襯砌主筋內(nèi)、外層均為HRB400Φ25螺紋鋼筋,縱向間距20 cm;縱向分布鋼筋內(nèi)、外層均為HPB300Φ12 光圓鋼筋圓鋼,環(huán)向間距25 cm;箍筋為HPB300Φ10 光圓鋼筋,環(huán)向間距20 cm,縱向間距25 cm;襯砌拱部、邊墻、仰拱混凝土采用C35 鋼筋混凝土,厚60 cm。

2.2 圍巖特點(diǎn)及變形特征

隧道開挖后的碴土多呈碎塊狀,風(fēng)化速度快,巖塊手掰易碎,巖體強(qiáng)度低。節(jié)理裂隙延伸性較好,傾角較陡,結(jié)構(gòu)面具鐵錳質(zhì)侵染,可見擦痕。受節(jié)理裂隙切割組合,易形成不穩(wěn)定塊體,圍巖自穩(wěn)能力差。開挖面擠出變形及收斂變形大,拱頂易發(fā)生坍塌掉塊。支護(hù)封閉后,有明顯擠壓性變形,收斂變形量大于拱頂下沉量,支護(hù)混凝土表面產(chǎn)生嚴(yán)重的薄殼、開裂,嚴(yán)重地段HW175 鋼架扭曲變形和如圖1 所示。

圖1 隧道開挖后圍巖變形圖

自2017 年4 月25 日起,DK169+025 處開始出現(xiàn)變形,DK169+025~DK169+273 均存在不同程度變形,尤以DK169+070~DK169+125 段最為突出,主要表現(xiàn)為初支砼開裂,拱部裂縫呈縱向展布,最大開裂縫寬達(dá)26 mm,鋼架扭曲變形甚至出現(xiàn)接頭直接斷裂的情況,侵線嚴(yán)重。DK169+025~140 段換拱前初支出現(xiàn)較大的圍巖移動(dòng),其中移動(dòng)最為明顯區(qū)域位于DK169+122處,該位置從開挖至換拱合計(jì)70 d 左右圍巖發(fā)生的移動(dòng)量達(dá)到了3 353.2 mm,并且左右兩幫移動(dòng)量存在較大差異,差異量約330 mm。圍巖發(fā)生最大下沉的位置位于DK169+125 處,該位置從開挖至換拱合計(jì)70 d 內(nèi)圍巖發(fā)生的下沉量達(dá)到近700 mm。根據(jù)隧道圍巖發(fā)生移動(dòng)和沉降現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,隧道圍巖移動(dòng)和下沉速率存在較大差異,圍巖變形主要集中在隧道開挖的最初幾天,隨著時(shí)間推移變形速率逐漸變小,而在開挖中下臺(tái)階時(shí)速率明顯加大;在對(duì)隧道進(jìn)行鋼架和長(zhǎng)錨桿支護(hù)過程中,隧道沒有發(fā)生較大的變形,而支護(hù)后開挖仰拱,隧道變形速率加劇,并且會(huì)出現(xiàn)1 次明顯變形;仰拱封閉后減緩趨勢(shì),但沒有終止。

3 軟巖大變形控制技術(shù)

軟巖大變形段隧道施工,概括為超前預(yù)判、過程管控和施工后監(jiān)控等。即對(duì)隧道施工區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行勘探分析,超前做好地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)判,根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)判及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化隧道施工設(shè)計(jì),并對(duì)隧道可能出現(xiàn)的圍巖變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,在隧道施工過程中做好圍巖變形的監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的支護(hù)措施,盡量減小初支變形,防止侵限,保證隧道施工安全。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用超前地質(zhì)鉆探、隧道地震波預(yù)報(bào)勘探(TSP)和地質(zhì)雷達(dá)方法及其他加深炮孔、掌子面地質(zhì)素描等預(yù)判掌子面前方圍巖情況,復(fù)核設(shè)計(jì),對(duì)預(yù)留變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析,開挖時(shí)留足變形量,通過地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)和分析,將預(yù)留變形量從原來3 cm 調(diào)整為60 cm。

3.2 超前支護(hù)

采用Φ89 中管棚和Φ42 超前小導(dǎo)管交錯(cuò)配合施工超前支護(hù)。

1)洞身設(shè)計(jì)Φ89 長(zhǎng)管棚,每環(huán)根數(shù)29 根,單根長(zhǎng)10 m,縱向間距與鋼架間距匹配,縱向間距6.6 m,搭接長(zhǎng)3.4 m。管棚導(dǎo)管選用Φ89×6 mm 熱軋無縫鋼管,環(huán)向間距40 cm,施工范圍為上臺(tái)階拱部140°,外插角10°~15°,施工誤差控制在徑向孔距±150 mm,孔深±50 mm。

2)超前小導(dǎo)管配合中管棚進(jìn)行超前支護(hù)施工,每進(jìn)尺三榀鋼架間距即1.8 m,打設(shè)一環(huán)Φ42 超前小導(dǎo)管,在型鋼腹板上設(shè)置孔位,孔間距0.4 m,超前小導(dǎo)管每環(huán)打設(shè)29 根,長(zhǎng)度為3.5 m。超前小導(dǎo)管選用外徑42 mm、壁厚3.5 mm 的熱軋鋼花管,施作范圍為拱部140°,外插角為10°~15°。

3.3 支護(hù)參數(shù)調(diào)整

原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)Ⅲa復(fù)合式襯砌,噴射C25混凝土厚8 cm,局部掛Φ6 鋼筋網(wǎng),拱部設(shè)Φ22 組合中空錨桿,每根長(zhǎng)2.5 m,每米5.67 根,邊墻設(shè)Φ22 砂漿錨桿,每根長(zhǎng)2.5 m,每米5.33 根。根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)和分析,以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,將大變形段支護(hù)設(shè)計(jì)變更為V 級(jí)Ⅲ型大變形段支護(hù)參數(shù),見表1。根據(jù)隧道圍巖變形實(shí)測(cè)資料,仰拱初期支護(hù)與整體隧道形成支護(hù)網(wǎng)后開始對(duì)隧道圍巖進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),設(shè)定變形閾值為150 mm,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,如果變形量達(dá)到閾值,及時(shí)進(jìn)行仰拱襯砌及仰拱填充施工,為了達(dá)到充填效果,填充施工必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行。具體要求:根據(jù)變形區(qū)域及變形量施工長(zhǎng)度保持在6~12 m,為了防止仰拱襯砌持續(xù)變形或者發(fā)生明顯變形,采用C35 鋼筋砼,環(huán)向主筋采用Φ25 螺紋鋼,間距200 mm;采用C20 砼進(jìn)行分層澆筑填充。加強(qiáng)支護(hù)和填充完成后,持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍巖發(fā)生變形處于基本穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行。變形基本穩(wěn)定的評(píng)判條件為:①圍巖變形速率較初期發(fā)生明顯下降且速率處于平穩(wěn)狀態(tài);②持續(xù)在1 周以上圍巖水平方向變形量小于0.2 mm/d、頂部圍巖沉降速率小于0.15 mm/d;③或根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),圍巖發(fā)生的累計(jì)變形量已經(jīng)達(dá)到設(shè)定極限量的0.8 倍以上;④如果圍巖塑性變形造成圍巖表面發(fā)生裂縫,需要對(duì)裂縫進(jìn)行持續(xù)觀察,裂縫不再繼續(xù)發(fā)生延伸、擴(kuò)大,同樣可以作為變形穩(wěn)定條件。如果加強(qiáng)支護(hù)后圍巖變形仍舊難以控制或者圍巖持續(xù)變形,應(yīng)當(dāng)提前進(jìn)行2 次襯砌,主動(dòng)強(qiáng)化應(yīng)力作用。

表1 變更為V 級(jí)Ⅲ型大變形段支護(hù)參數(shù)

3.4 施工工藝調(diào)整

未更改設(shè)計(jì)前臺(tái)階施工采用兩臺(tái)階法,造成2 個(gè)臺(tái)階延伸距離較長(zhǎng),從開挖到仰拱封閉,再到二襯混凝土澆筑,需要40 m 左右的距離,且施工工期較長(zhǎng),需要近4 個(gè)月的時(shí)間。在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),隧道圍巖變形處于持續(xù)發(fā)展階段,導(dǎo)致圍巖變形量持續(xù)加大,進(jìn)而侵入2 次襯砌。為了重新對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),必須拆換初期支護(hù),從而造成巷道支護(hù)的惡性循環(huán)。為此,通過綜合分析和圍巖變形預(yù)計(jì)分析,縮短三臺(tái)階的長(zhǎng)度,仰拱到開挖面的距離調(diào)整到25 m 以內(nèi),如圖2 所示。

圖2 臺(tái)階法施工工序橫斷面示意圖

1)將原二階臺(tái)階開挖,縮短為上、中和下三臺(tái)階開挖,首先開挖上部(①部),并對(duì)上部臺(tái)階進(jìn)行圍巖初期支護(hù),施做下1 循環(huán)超前支護(hù)(僅適用于有超前支護(hù)情況)。

2)架設(shè)①部臨時(shí)橫撐(根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)必要時(shí)設(shè)置)。

3)在滯后①部5~10 m 后,開挖②部,施做邊墻初期支護(hù)。

4)在滯后②部10~15 m 后,開挖③部,施做隧底噴混凝土。

3.5 監(jiān)控量測(cè)

結(jié)合《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》,制定大變形段相應(yīng)的主要監(jiān)控監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及要求標(biāo)準(zhǔn),主要包括現(xiàn)場(chǎng)觀察、拱頂下沉及水平收斂測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試等內(nèi)容。拱頂下沉及水平收斂測(cè)量主要采用全站儀非接觸法,分別在拱頂、隧道圍巖水平對(duì)應(yīng)布設(shè)2 個(gè)測(cè)點(diǎn),斷面間距小于5 m,根據(jù)臺(tái)階數(shù)進(jìn)行適當(dāng)加密,定期對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行觀測(cè),對(duì)比分析。隧道圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要采用埋設(shè)壓力盒、測(cè)力錨桿等方式,并將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋和分析,從而對(duì)原有設(shè)計(jì)支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。除此之外,對(duì)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合全面分析,對(duì)不同施工階段、圍巖支護(hù)的不同時(shí)間段、圍巖變形率發(fā)生明顯變化的不同節(jié)點(diǎn)等特殊時(shí)期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4 大變形隧道開挖安全保障及質(zhì)量控制

4.1 安全保障

1)針對(duì)軟弱大變形圍巖隧道施工,三臺(tái)階法施工必須嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計(jì)要求、施工流程和操作規(guī)程等進(jìn)行施工,嚴(yán)禁越級(jí)違章施工。

2)嚴(yán)格把控隧道支護(hù),做到超前預(yù)判、過程把控,嚴(yán)禁類似二級(jí)臺(tái)階距離過長(zhǎng)造成施工時(shí)間跨度大等問題的出現(xiàn)。

3)堅(jiān)持以人為本的安全施工原則,軟弱大變形圍巖隧道施工,更應(yīng)做好人身防護(hù)和安全逃生等工作,必須在掌子面附近設(shè)置安全逃生管道,能夠滿足在發(fā)生塌方等事故的時(shí)候逃生管道能夠支撐塌方應(yīng)力作用強(qiáng)度。具有足夠逃生空間,利于逃生。

4)為了獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建議設(shè)定專門的監(jiān)測(cè)監(jiān)控團(tuán)隊(duì),且選擇經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)能力過硬的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)監(jiān)控,并堅(jiān)持以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)指導(dǎo)施工的原則,確保隧道施工安全。

4.2 質(zhì)量保障措施

1)圍巖松散破碎,為防坍塌掉塊,必要時(shí)預(yù)留核心土法。

2)開挖工法采用兩臺(tái)階法,按較短臺(tái)階開挖,上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺不超過1 榀鋼架間距0.6 m,開挖后組織初噴作業(yè)進(jìn)行封閉。下臺(tái)階開挖左右交錯(cuò),錯(cuò)開距離必須保證3 m 以上,1 次開挖進(jìn)尺不超過2 榀鋼架間距,控制一次擾動(dòng)變形。

3)上臺(tái)階臨時(shí)橫撐必要時(shí)盡快施作,封閉成環(huán)。

4)第二層鋼架與第一層鋼架錯(cuò)開設(shè)置,確保初支拱架整體穩(wěn)定性,型鋼鋼架腳支墊槽鋼或鋼板。第二層鋼架支護(hù)完成后,進(jìn)行仰拱開挖施工封閉成環(huán)。為增加鋼架縱向抗扭強(qiáng)度,可根據(jù)鋼架變形情況,若第一層鋼架扭曲嚴(yán)重,為增加鋼架縱向連接,可考慮在鋼架之間增設(shè)縱向連接槽鋼,槽鋼型號(hào)為28a,每環(huán)共5 根縱向連接槽鋼,設(shè)置于拱墻A、B 單元中心。

5)拱架作為主要支護(hù)承重結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)確保噴砼面的平順度、鋼架的圓順度及鋼架接頭施工質(zhì)量。

6)網(wǎng)片必須與巖面密貼。

7)嚴(yán)格控制錨桿施工鉆進(jìn)深度、角度。錨桿注漿施工,必須現(xiàn)場(chǎng)值班記錄。利用專業(yè)錨桿機(jī)械設(shè)備進(jìn)行10 m 長(zhǎng)Φ32 自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿施工,確保施工質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

在前期施工中由于初期支護(hù)大變形,經(jīng)常出現(xiàn)鋼架扭曲、侵限,而頻繁拆換鋼架,月施工進(jìn)度平均不到15 m,最大進(jìn)度達(dá)到15 m。通過不斷分析和探索,多次調(diào)整施工工藝、支護(hù)參數(shù)等,并控制仰拱封閉時(shí)間和距離等,初步摸索出了1 套適合該種地質(zhì)條件的施工方法。實(shí)踐證明,采用“超前支護(hù)、短進(jìn)尺、早封閉、快成環(huán)、長(zhǎng)短錨桿結(jié)合徑向注漿加固洞身圍和放抗結(jié)合”等措施,施工效果明顯改觀,施工進(jìn)度也有所提高,后來施工進(jìn)度最高可達(dá)到每月30 m 的好成績(jī)。

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