高地應力軟巖隧道初支侵限誘因及控制措施研究

李文輝，李小勇，鄧 湘，陳 露

(1.四川省公路院工程監理有限公司,四川 成都 610041; 2.四川川交路橋有限責任公司,四川 廣漢 618300;3.廣東虎門技術咨詢有限公司,廣東 廣州 510540; 4.四川金沙人力資源開發管理有限公司,四川 成都 610031)

隨著國家西部大開發及“一帶一路”重大戰略的推進,西南片區交通行業得到快速發展,公路隧道工程數量逐漸增加,但同時面臨的工程難點也逐漸增多。如高地應力軟弱圍巖隧道施工易發生軟巖大變形不良地質災害,進一步引發掌子面失穩塌方[1]、初支結構破壞[2]、鋼拱架彎折[3]、初支結構侵限[4]等不良現象,嚴重影響施工安全,阻礙工期。

繼而眾多學者開展了軟弱圍巖環境下隧道建設的研究,朱正國等[5]研究發現軟巖隧道掌子面擠出變形量值大小及特征規律與隧址區最大地應力作用方向有關;張藝騰等[6]借助有限差分軟件FLAC3D研究分析了錨桿結合超前支護在軟巖隧道開挖過程中具有互補作用,該組合支護方式可以同時控制洞周變形和掌子面擠出變形;唐國豐等[7]通過拉錨支護結構的模型試驗發現拉錨結構能夠形成拱支護效應,提高圍巖整體自承能力,減小圍巖變形;Song等[8]采用了FLAC/PFC耦合數值方法研究了隧道開挖后圍巖損傷區的發展規律;趙金鵬等[9]依托廣東省南山路工程,結合數值模擬與現場監控量測發現先開挖淺埋側比先開挖深埋側更有利于支護結構的穩定;左清軍等[10]借助有限元軟件MIDAS研究分析了膨脹性軟巖隧道的支護結構力學特性,結合室內縮尺模型試驗,首次提出了緩釋膨脹性軟巖隧道結構受力的方法;羅春雨等[11]研究了地下水對軟巖大變形隧道開挖穩定性的影響。

綜上,國內外大多學者結合室內試驗、數值分析、現場監測等研究手段對軟巖隧道開挖后結構受力特征及圍巖變形規律等方面展開了深入研究,并取得了顯著成果,而目前還較為缺乏對軟巖大變形隧道初支侵限專項處治方案的系統研究。本文依托九綿高速白馬隧道工程,結合工程特點,從圍巖本身力學特性及圍巖變形特征方面深入分析了白馬隧道初支侵限機理,并針對此特點,提出了一套適用于軟巖大變形初支結構侵限專項施工方案,可指點類似工程科學施工。

1 工程概況

九綿高速白馬隧道設計為分離式雙線四車道,隧道全長約13 km,最大埋深約1 092 m,屬深埋特長隧道。據現場地應力測試,隧址區最大地應力約12 MPa,屬高地應力環境[12]。受北部文縣弧形構造帶、西部的岷江—雪山—虎牙關斷裂帶和東南部的龍門山斷裂帶共同影響,地質構造復雜,斷裂構造發育,穿越多條斷層破碎帶,如圖1所示。

隧道洞身穿越地層巖性主要為炭質板巖、千枚巖等,巖體呈薄層狀結構,層間結合較差,受構造作用強烈,褶曲及次級斷層發育,巖體破碎,完整性極差,主要為軟巖、極軟巖,圍巖節理裂隙發育,多呈碎屑狀和碎塊狀,圍巖局部炭質含量較高,片理發育,片理面手感光滑,有絲絹光澤,自穩能力差。

2 初支侵限及誘因分析

2.1 初支侵限

據現場揭露,白馬隧道左線K43+590—K43+570段地質情況相較于原設計更差,為了控制圍巖變形,降低施工風險,將對此段進行方案變更。

變更前:采用Z5c型襯砌結構形式,具體支護參數為:系統采用φ22藥卷錨桿,長3 m;Ⅰ18工字鋼@0.6 m;φ8鋼筋網;C25初噴混凝土厚24 cm;預留變形量為12 cm。超前支護措施:φ42注漿小導管,長4.5 m,搭接長度不小于1 m,環向間距為40 cm。

變更后:采用Db型襯砌結構形式,具體支護參數為:系統采用6 m長φ32自進式錨桿+3.5 m長φ42注漿小導管,環縱間距為120 cm×50 cm,梅花形布置;Ⅰ20b工字鋼@0.5 m;φ8鋼筋網;C25初噴混凝土厚26 cm;預留變形量為40 cm。超前支護措施:φ60中管棚,長8 m,搭接長度3 m,環向間距為40 cm。

如圖2所示,該段按變更支護參數施作完成后,初支變形嚴重,現場出現初支噴射混凝土開裂掉塊、拱架扭曲變形現象,局部已出現初支侵限,初期支護變形復測結果如表1所示。

表1 斷面復測結果一覽表

本段落圍巖部分洞周收斂及拱頂沉降時程變形曲線如圖3所示。

2.2 施工現狀

1)變形速率:截止目前,左洞仰拱已經施工至K43+558,即該變形段20 m范圍內的仰拱二襯已經施工完畢,拱墻二襯樁號為K43+605距離變形段約15 m。根據目前監控量測數據反饋日變形速率小于2 mm/d,屬于基本穩定狀態。

2)變形范圍:K43+590—K43+570段變形主要集中為拱頂隆起,線路右側(進洞左側)侵限。拱頂單元隆起高度最大為106 cm(K43+587),進洞左側邊墻侵限最大為20 cm(K43+574),進洞右側拱墻變形較小,最大侵限為10 cm(K43+584)。

2.3 初支侵限誘因分析

據現場揭露,白馬隧道K43+590—K43+570段地質情況與原設計不同,圍巖以炭質板巖夾千枚巖為主,為強風化帶巖石,屬軟—極軟巖,圍巖極破碎,產狀紊亂,巖體松散,層間結合極差,自穩能力弱。同時,此段地下水較發育,隧道開挖后,掌子面以滲水、滴狀出水為主,局部線狀出水,炭質千枚巖被地下水侵蝕后發生軟化,巖石力學性質變差,自穩能力降低,在高地應力作用下,圍巖易發生擠壓大變形。方案變更后,6 m錨桿結合小導管注漿加固對圍巖變形有一定控制作用,但6 m長錨桿無法將松動區巖塊錨固在穩定母體中,不能充分發揮錨桿懸吊能力,對圍巖變形控制效果有限,無法滿足現場圍巖變形需求,造成初支結構侵限。

3 大變形初支侵限處治方案

3.1 預加固方案

1)二襯跟進:K43+590—K43+570段初支侵限,為保證后方安全,隧道二次襯砌繼續施工至K43+590附近。

2)施作臨時護拱:為減小圍巖進一步變形,在K43+590—K43+570段落施作 Ⅰ 18臨時工字鋼支撐護拱,護拱間距1.0 m,共計20榀,臨時護拱布置如圖4所示。

3)小導管注漿加固:為了提高圍巖自承能力,在K43+590—K43+570段采用小導管注漿加固圍巖,小導管長為3.0 m,直徑φ42 mm,小環向間距1.2 m,縱向間距1.0 m,注漿加固范圍如圖5所示。通過注漿將離散的巖塊連接在一起,可增強圍巖整體性,提高圍巖自承能力,減小圍巖變形。

4)長錨桿加固:該段完成后注漿加固后,即在該段邊墻施作長錨桿進行進一步加固,選擇外徑φ60 mm無縫鋼管,錨桿長8 m,環向間距2 m,縱向間距2 m,呈梅花形布設,如圖6所示。變更方案采用錨桿長為6 m的自進式錨桿,卻不能滿足現場大變形控制需求,究其原因,6 m長錨桿無法將松動區巖塊錨固在穩定母體中,不能充分發揮錨桿懸吊能力,對圍巖變形控制效果有限。

3.2 換拱方案

換拱應堅持“先加固后拆換”的原則,從出口端往內逐榀、逐單元進行拆換。換拱施工關鍵工藝流程為:超前支護→拆除護拱→拆除侵限→初噴混凝土→安裝拱架→復噴混凝土→下一循環,具體施工工藝如下:

1)超前支護:對需要換拱范圍先采用φ60 mm中管棚進行超前支護,管棚長8 m,外徑60 mm,搭接長3 m,環向間距40 cm,外插角5°～10°,并根據現場實際情況進行實時調整。

管棚鉆孔,并呈梅花形布置,其縱向、橫向間距為15 cm,尾部為設止漿段30 cm,導管前端做成尖錐形封閉,管棚施作完成后進行注漿。

2)拆除護拱:采用拱架安裝臺車配合拆除臨時護拱,拆除時,先用拱架臺車抓手牢牢夾住兩側拱架,再依次割除鎖腳錨管和縱向連接鋼筋,松開拱部連接螺栓,然后利用拱架臺車將護拱鋼架平穩拆放,完成護拱拆除。

3)拆除侵限初支:a.鎖腳加固未侵限鋼拱架。換拱前先施作鎖腳錨管對未失效拱架單元進行錨固,同時還需對擬拆除單元上部拱架單元進行鎖腳錨固,以防止出現掉拱情況。b.原初支拱架拆除。如圖7所示,先采用人工風鎬配合破錘頭鑿除A單元范圍內噴射混凝土和侵限圍巖,待侵限部位鑿除完成后,測量人員對鑿除部位進行斷面測量,鑿除后開挖輪廓線應符合設計要求。

侵限部位鑿除并驗收合格后,即進行拱架拆除作業。拱架拆除盡量選擇在連接板處,一般不得在拱架中部直接割斷。但為了盡量少擾動初支未侵限部位,最大限度減小對原初支結構的影響,確需在中部割斷變形鋼拱架時,必須在割斷處重新按要求焊接連接鋼板。待A單元重新完成初期支護后,再分別進行B單元和C單元拱架拆換。

4)噴射混凝土及鋼拱架安裝:a.初噴混凝土:待侵限或嚴重變形部位初支混凝土及拱架單元拆除完成后,即對拆除部位進行初噴混凝土,初噴厚度2 cm～5 cm。b.安裝鋼拱架:初噴混凝土完成后進行鋼拱架安裝,鋼架在鋼材加工中心根據現場測量尺寸設計加工成型,鋼拱架采用原變更參數規格Ⅰ20b工字鋼,鋼架采用拱架安裝臺車進行安裝。換拱需從大樁號往小樁號逐榀、逐單元拆換,換拱前需提前施作鎖腳錨桿,將未失效單元錨固后,再進行逐單元換拱。c.安裝鋼筋網及復噴混凝土:鋼拱架施作完成采用φ8鋼筋網單層形式,網格間距均為20 cm×20 cm。最后復噴C25混凝土,噴射混凝土總厚度為28 cm。

初支侵限段加固后暫不實施換拱,跳過處治段施作二襯,待處治段前后二襯均施作完成后,再對該段進行換拱。同時,在拆換鋼架過程中應實時監測圍巖變化情況,對監控量測點位開展絕對值監測,明確圍巖變化方向、速率、累計值等,并根據現場實時監測數據反饋施工,實時調整支護參數,確保施工質量。

3.3 襯砌加固方案

初支侵限拆換拱完成后,持續加強監控量測工作,待各測試項目的位移速率明顯收斂,圍巖基本穩定后,及時進行二次襯砌的施作。二次襯砌按照變更設計厚度60 cm控制,二襯拱墻環向主筋由原設計φ22 HRB400鋼筋加強為φ25 HRB400鋼筋。

4 結論

1)由于地下水的侵蝕,炭質千枚巖發生軟化,巖體力學性質變差,自承能力降低,在高地應力持續作用下,圍巖發生擠壓大變形,進一步誘導初支侵限。2)6 m錨桿結合小導管注漿加固對圍巖變形有一定控制作用,但6 m錨桿無法將松動區巖塊錨固在穩定母體中,不能充分發揮錨桿懸吊能力,對圍巖變形控制效果有限,無法滿足現場圍巖變形需求,建議采用8 m長錨桿。3)初支拆換過程中應實時監測圍巖變化情況,對監控量測點位開展絕對值監測,明確圍巖變化方向、速率、累計值等,并根據現場實時監測數據反饋施工,實時調整支護參數,確保施工質量。