深埋軟巖隧道襯砌開裂原因分析及整治技術研究

杜志勇

(中鐵十二局集團第二工程有限公司,太原 034100)

深埋高地應力軟巖隧道具有穿越地質復雜、圍巖強度低、巖體破碎、埋深大等特點[1-5],往往會出現大變形問題。。隧道支護開裂或破壞與大變形有關[6-7],如華麗高速東馬場1號隧道[8]、哈巴雪山隧道[9]、蒙華鐵路中條山隧道[10]、成貴高鐵高坡隧道[11]等,均在施工期間出現初期支護變形侵限及襯砌開裂等問題,若處置不當將危及施工及后期運營安全,因此明確深埋軟巖隧道變形開裂原因、提出相應的控制措施成為隧道施工安全及順利貫通的關鍵。

新建某鐵路A隧道左右線間距約30 m,左線長16 262 m、右線長16 257.5 m,最大埋深約1410 m。隧道設置3橫洞+2斜井進行施工,洞身主要穿越炭質千枚巖、千枚巖夾石英巖、灰巖,受構造影響,多表現出強烈的褶皺變形和擠壓破碎。斷層發育、圍巖以軟巖為主,巖體極為軟弱破碎,自穩能力差,構造帶應力集中,軟巖大變形問題突出。地形地貌屬構造剝濁深切割高中山地貌,溝谷縱橫,地形起伏大,自然橫坡15°～65°,局部為陡壁。施工期間,3號橫洞工區施工段出現襯砌開裂現象。

1 隧道變形特征及開裂原因

1.1 變形特征

D8K146+366～D8K146+390段拱頂沉降最大值為90.8 mm,周邊收斂最大值為126.3～204.1 mm,D8K146+366處的軌面高程抬高3～6 mm,通過現場監測數據分析得到該段變形具有如下特征:①變形滯后、變形持續時間長。開挖支護完成約半個月開始出現變形突變情況。由于高地應力條件下軟巖的流變特性,圍巖的應力重分布及變形持續時間長。②變形量大。圍巖強度低,軟巖隧道變形收斂速率高,在很短時間內圍巖與支護結構的相互擠壓作用造成支護結構侵限、開裂甚至破壞,如施工期間三號橫洞工區左線里程D8K146+366～D8K146+525、右線里程YD8K146+315～YD8K146+465按大變形I型施工,D8K146+238～D8K146+366、YD8K146+233～YD8K146+323段初期支護變形速率增大,拱部鋼架出現扭曲變形,邊墻鋼架折斷侵限。③隧道施工相互影響作用。后行洞施工至先行洞相同里程時,開挖時引起先行洞周圍應力再次重新分布,對先行洞已施作支護結構產生不利影響。④變形方向復雜。軟巖隧道所處的地應力強度方向具有明顯的各向異性,在隧道不同部位產生變形破壞程度不同,變形破壞在方向上的差異導致支護結構受力不均,造成支護結構局部產生較大的內力。

1.2 現場開裂情況

YD8K146+323～YD8K146+441段二襯左右側邊墻及拱部出現環、縱向裂縫,局部有剝皮掉塊和錯臺現象。D8K146+366-D8K146+390段落同樣出現襯砌開裂問題。D8K146+366～D8K146+378襯砌線路右側邊墻擠出約5 cm,拱腳斜向裂紋4條,水溝電纜槽脫離襯砌10～16 cm,施工縫處1 m范圍掉塊。水溝電纜槽錯位最大距離10 cm,水溝內墻上端水平傾斜11 cm。現場開裂照片如圖1所示。該段埋深約1020 m,開挖揭示圍巖巖性為千枚巖,泥質結構,節理裂隙較發育,巖體較破碎。根據開挖揭示圍巖地質條件及超前地質預報資料分析,綜合判識D8K146+366～D8K146+390段圍巖級別由Ⅲ級調整為Ⅳ級。

圖1 現場開裂Fig.1 On-site cracking

1.3 襯砌開裂原因分析

經調查,襯砌開裂與圍巖大變形息息相關,致使襯砌結構超過自身承載力,引發局部的開裂問題,主要有以下原因:①復雜地質構造。大變形段位于活動構造帶與活動斷裂帶交匯復合轉折三角區,靠近活動斷裂帶末端,區域弧形構造發育,分布有隱伏埋藏式擠壓蝕變帶,地質構造具有地域性復雜狀態。②高地應力。大變形段處于深埋千米級高地應力動態調整區域,且局部高地應力場變化快,地應力方向及量值具有隨時間調整的復雜多變特征。③破碎巖層。大變形段處于區域動力變質巖區,復合巖性以負變質千枚巖為主,絹云母化明顯,圍巖產狀陡傾,軟硬相間,橫向切割節理時隱時現,層間結合力易損傷,離層效應明顯。④巖體流變特性。隧道圍巖變形具滯后性和突變性,深埋高地應力條件下巖體流變特性明顯,圍巖變形屬擠壓態至松動態轉變的特殊大變形類型。

2 開裂襯砌整治技術

針對已開裂的襯砌采取圍巖加固+拆換襯砌相結合的措施進行處置,A隧道3號橫洞工區施工段內D8K146+366～D8K146+390襯砌開裂變形段按照拆除完成后進行加強支護總體思路實施,遵循短開挖、快封閉、強支護、勤量測的原則。

拆除二襯前采用Φ42鋼花管對拱墻范圍徑向注漿加固圍巖,注漿加固設計如圖2所示。注漿材料使用水泥漿,中巖柱側加固深度8 m,靠河一側加固深度3 m,注漿孔口環向間距150 cm,縱向間距160 cm,交錯布置。注漿跳孔進行,先邊墻后拱部,注漿完成后對變形侵限段進行拆換。

圖2 注漿加固設計Fig.2 Design of grouting reinforcement

拆換襯砌段落前后10 m范圍設置I20b型鋼臨時支撐,間距為0.5 m/榀,臨時鋼架縱向采用Φ20鋼筋連接,環向間距1.0 m。

襯砌拆除一次性拆除的二襯混凝土控制在2 m范圍內,為防止拆除過程對圍巖造成過度擾動,松動圈范圍擴大,采用水磨鉆開鑿兩端形成臨空面,使用潛孔鉆及錨桿作業平臺鉆孔后采用液壓靜態爆破其余部分,人工鑿除為輔,挖機在另一側防護掉塊及鋼筋清理。

二襯拆除后,對已破壞的鋼架進行拆換,拆除由拱部開始至下導分步進行,拆除拱部及邊墻鋼架,拆除下導鋼架。存在侵限的初支進行鑿除修補,根據現場實際情況適當補強初支鋼架。鋼架拆除完成后立即對開挖面采用C30混凝土進行初噴,快速封閉開挖巖面。鋼架安裝完畢后進行復噴混凝土施工,復噴至設計厚度。

左線中巖柱側墻腳及仰拱下方設置20 m長錨索,靠河側邊墻腳設置15 m長錨索,錨索布置如圖3(a)所示,錨索間距1.5 m×1.6 m(環×縱),環向交錯布置,縱向與預應力錨桿隔排布置。除了設置長錨索外,左線中巖柱側邊墻及仰拱增設8 m長YE38-8型預應力錨桿,間距1.0 m×1.6 m(環×縱),預應力錨桿布置如圖3(b)所示,環向交錯布置,縱向與錨索隔排布置,長錨索與預應力錨桿布置如圖3所示。錨索墊板采用95 cm(長)×30 cm(寬)×3.2 cm(厚)的鋼墊板,鋼墊板與初噴混凝土密貼,并與初支鋼架翼緣焊接。

圖3 長錨索及預應力錨桿布置Fig.3 Layout of long anchor cables and prestressed anchor rods

襯砌換成加強襯砌,二襯厚45 cm,采用C40合成纖維混凝土,環向主筋調整為雙肢Φ20@200。

加強監控量測,其中D8K146+366～D8K146+445段及其對應右線段落監控量測斷面5 m設置一處,其余段落間距10 m設置一處。驗證支護措施的設計效果,保證圍巖穩定及施工安全,提供判斷圍巖和支護系統基本穩定的依據,確定仰拱拆除及襯砌的施作時間。

3 結束語

高地應力軟巖大變形隧道支護結構開裂是施工過程面臨的巨大難題,通過分析其變形開裂原因才能采取有效措施進行控制。通過現場地質調查、地應力環境及變形數據分析,該鐵路A隧道3號橫洞工區施工段襯砌開裂主要由于復雜活動斷裂地質構造及高地應力與軟弱破碎圍巖等因素共同作用下圍巖持續變形、二襯承受荷載超過承載能力引起局部開裂。提出圍巖加固+拆換襯砌相結合的整治技術,有效控制圍巖變形,確保支護結構穩定,為隧道后期運營安全提供保障。