關口埡隧道軟巖穩定性分析及施工方法探討

張 藝

(湖南路橋建設集團公司,湖南長沙 410004)

1 工程概況

1.1 施工概況

關口埡隧道位于常德至張家界高速公路上,設計為上下行分離式隧道,左右兩洞相距35～50m,長度為:左洞880m,右洞700 m;隧道凈寬11.1 m,凈高7.1m。隧道路面設計高程168.66～188.57 m,埋深大約在10～71 m。圍巖類別劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類,采用臺階法施工,支護采用復合式襯砌。施工初期在右洞張家界洞口端施工出現了滑坡,故在左右洞口增加了長大管棚超前預支護;右洞在施工至Yk73+908掌子面時,已完成初支的后方Yk73+958～Yk73+908段發生大型塌方。針對施工中出現的問題,開展了圍巖穩定性及施工方法研究。

1.2 隧道工程地質條件概況

隧道區域內巖性單一,為志留系下統龍馬溪淺海相泥質頁巖,一般出露地表,僅局部有不厚的第四系山麓堆積相覆蓋。頁巖呈深灰色,泥質結構,頁理構造,局部含炭質,巖性較軟,易風化,具明顯的遇水軟化、失水干裂性質,山坡表面大多風化嚴重,呈灰黃～黃灰色;隧道洞身段主要為弱風化頁巖,兩端洞口附近為強風化頁巖。受構造擠壓影響,巖體中次級褶皺發育,一般呈舒緩波狀,揉皺和擾曲現象多見,低序次小斷層也相當發育,巖層總體產狀300°～25°∠10°～25°,局部呈現大的變化,傾角可達60°,節理發育～非常發育,其中主要節理產狀為220°～240°∠65°～75°、120°～135°∠65°～80°、50°～60°∠70°～85°。

前兩組節理面光滑平直,為共扼剪節理,間隔較密集;后一組為壓扭性,產狀時有變化。另外,順巖層面中常見構造應力在巖層面集中形成的層間錯動擠壓夾泥帶,厚度一般0.5～20 cm不等,斷續分布,夾泥層性質軟弱。從附近的風化強烈的頁巖路塹邊坡和自然邊坡經常可以看見,小規模的滑坡比較普遍,由此可知,其強風化巖石邊坡穩定性極差。

關口埡隧道均在泥質頁巖巖體中掘進,隧道底高程高于附近較寬闊谷地,無較大地表水體向隧道處補給。隧道上方山上,因坡降一般較大,大氣降水會在較短時間排至附近谷地溪溝中,故一般情況地下水補給不良,并且頁巖總體透水和賦水性不好,水量較貧乏。但山坡上沖溝發育,淺埋隧道段因上部巖體風化強烈,層理和節理會有一定的卸荷張開,有利于地表水下滲,因其滲徑短,可能在隧道中形成滴水。

隧道圍巖物理力學指標為:巖石容重25.3～26.6 kN/m3,抗壓強度9.7～18.45 MPa,彈性模量1.07～1.78 GPa,內摩擦角28.6°～34.6°,粘結力1.09～1.38MPa。

2 監控量測

2.1 監控量測項目

為了更好地認識泥質頁巖在隧道開挖過程中應力重分布的變化特征以及對洞室穩定性的影響,弄清初期支護常出現開裂的原因,更好地運用量測數據指導設計及施工,在左洞k73+760～+840段及右洞塌方段進行了噴層應力、圍巖與初期支護間應力、圍巖內部位移、二次襯砌應力量測及爆破震動測試等項目的重點監測。

2.2 監控量測斷面選擇及測點布置

監控量測斷面的選擇充分考慮了圍巖類別、隧道埋深、節埋裂隙發育程度、是否存在偏壓、含水量大小等因素。根據現場實際施工位置,選擇在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中進行布點,具體量測斷面樁號見表1。

表1 量測內容及量測斷面表

監測中一般將測點布在:拱頂、拱腰、拱腳、墻腳、仰拱中部、兩腰。

3 圍巖變形規律

3.1 圍巖與初期支護間的接觸壓力分析

初期支護與圍巖接觸壓力采用壓力盒及噴層應力計進行量測,圖1為k73+839.5(設計為Ⅲ類圍巖,埋深為47m,屬深埋)斷面拱頂壓力隨時間變化曲線,最大值為0.197 MPa,從圖可看出,接觸壓力在開挖后半個月內變化較大,然后變化趨緩。根據深埋隧道圍巖松動壓力的計算方法可得:

式中:s為圍巖類別;γ為圍巖容重,kN/m3;ω為寬度影響系數。

圖1 圍巖與格柵拱架間壓力隨時間變化曲線(拱頂)

3.2 初期支護鋼拱架受力分析

初期支護中格柵拱架或工字鋼拱架所受力均較大,一般格柵受力為90～200 MPa,所測格柵最大應力點也在k73+839.5斷面,如圖2所示,由圖可以看出,前期格柵所受應力一直在增大,8月20～28日處在應力調整期,然后應力又繼續增大,9月7日應力達到260.1 MPa時,要求施工中對此段二襯應加強,同時應密切注意噴射混凝土表面變化,如有變化應果斷采取措施,9月9日格柵拱架所受應力達到267.7 MPa,在9月10日早上出現初期支護格柵變形,噴射混凝土開裂掉塊,于是采取了工字鋼臨時支撐,然后在初期支護外貼壁套上工字鋼,間距為1m,與此同時加長錨桿,通過以上措施,防止了塌方事故的發生。因開裂應力得到一定程度的釋放,隨后幾天應力慢慢減小,二襯施工完后,該點應力基本處于穩定,說明后期增加的圍巖壓力已由外貼工字鋼及二襯共同承受。由圖1、圖2可以看出,格柵應力的變化與此斷面初期支護接觸應力大致同步,說明監控數據基本能真實反映圍巖的壓力大小,同時也為后段施工對支護系統穩定性提供了判別依據,以便安全地組織施工。

為與實測結果進行比較,還運用數值法對格柵軸力進行計算分析,其結果如圖3所示,圖中拱腰處格柵的軸力為362 kN,則格柵所受應力:

σ=p/s=362 000N/(4×490)mm2=184.7 MPa

式中:P為格柵斷面所受軸力,N;s為格柵總截面積,mm2;單根φ25鋼筋截面積為490mm2。

以上計算結果與實測結果存在差距,再次說明此段圍巖類別劃分偏高。根據現場施工變形情況,軟巖現場實測值對圍巖類別準確判定及指導施工具有重要的指導意義。

3.3 圍巖變形分析

圖2 格柵拱架壓力隨時間變化曲線(左拱腰)

圖3 數值計算格柵軸力圖(單位:MN)

圍巖變形量測采用多點位移計及收斂計進行。總體規律是拱部圍巖內部位移大于邊墻,在左洞k73+740～+840段,拱部最大位移為7.63 cm,拱腳處最大位移值為5.86 cm,用收斂儀測得拱腳最大收斂為14.61 cm。兩者基本吻合。一般下臺階開挖對收斂的影響為2～4 cm。根據施工實際,軟巖地段沒有較明顯的拱效應,應按照“強支護”的理念,采用加強型初期支護。

3.4 二次襯砌受力分析

因監測斷面二次襯砌量測時間均不到兩個月,所測二襯應力均不大,扣除前期的收縮應力,一般為1～2MPa,由此說明初期支護達到了預期效果,二襯主要作為安全儲備。

4 施工措施

為了控制圍巖變形,確保施工質量及施工安全,針對關口埡泥質頁巖特點,采取了動態設計、動態施工、動態管理的方法,具體措施如下:

1)合理安排施工工序,確定最佳施工參數,優化施工組織,最大限度地減少因施工造成的變形量。

2)保證上下臺階的距離不大于50m,仰拱距離下臺階不大于20m,二次襯砌距離下臺階不大于40m;施工中嚴格控制爆破循環進尺,及時進行初期支護。

3)下臺階開挖后及時施做仰拱,做到早封閉、早成環。

4)加強初期支護參數的收集分析和提高支護質量,做到及時反饋,對癥下藥;對圍巖節理發育段采取注漿措施,對變形大地段增加錨桿數量及錨桿長度,并進行注漿,確保圍巖的二次穩定。系統錨桿的設置,尤其是長錨桿對圍巖變形的抑制是有效的,在拱肩、鋼支撐接頭、仰拱與曲墻交接處等關鍵部位應設鎖扣錨桿或錨管,確保初期支護結構的強度、剛度和穩定性。

5)采用TSP203超前地質預報手段,及時掌握掌子面前方的巖性變化情況;正確劃分圍巖類別,使支護參數更為合理。

6)對變形大地段,盡管變形速率還未達到規范要求值,為保證施工安全,仍需及時進行二次襯砌,并對二襯鋼筋進行加強,同時提高混凝土標號,以保證結構永久安全。

7)實行有效的光面爆破,根據現場爆破震動測試,原同段雷管裝藥的炮孔最大裝藥量為13 kg,掌子面最大震速為3～4 cm/s,對掌子面10m范圍內的初期支護均存在一定影響,因此施工中要求嚴格控制同段雷管炮孔的裝藥量不大于6 kg,減少爆破震動對初期支護及圍巖的影響。

8)加強量測和數據整理分析工作,發現情況或預測預報出可能發生的異常情況,及早上報,以便作出決策。

5 結論

通過前期的現場量測、理論分析和優化施工方法,已初步摸索出泥質頁巖變形及施工規律:

1)關口埡隧道泥質頁巖巖性較軟,易風化、具明顯的遇水軟化、失水干裂性質,因此特性的存在,原大部份地段圍巖類別劃分偏高。

2)泥質頁巖節理裂隙發育地段,上臺階開挖10 d后初期支護常出現開裂現象,特別是有節理裂隙水地段更加明顯,針對這種情況,圍巖類別應降低,初期支護及二襯結構應加強。

3)掘進時必須堅持短臺階法施工,嚴禁使用長臺階法,控制好各工序的施工距離。

4)搞好監控量測,工程中應根據監控信息反饋及時修改設計,施工中根據圍巖情況及時調整施工方法及支護參數,實現動態管理。

5)軟巖隧道工程的主要特點是允許圍巖進入塑性破壞狀態,其支護的核心是圍巖二次穩定問題,加強初期支護尤為重要。

[1]關寶樹.隧道施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

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[3]李世輝.隧道圍巖穩定系統分析[M].北京:中國鐵道出版社,1992.