山嶺隧道軟弱圍巖變形機理分析與處治對策

趙 峰

(中鐵西南科學研究院有限公司,四川成都611731)

1 工程概況

國高網樂雅高速公路槽漁灘隧道全長2 923 m,分為上下雙洞行車,單洞兩車道。隧址區屬于四川盆地西南邊緣淺～中切剝、侵蝕構造低山地形,局部為侵蝕堆積臺地,隧道左線處于基巖強風化帶,巖石屬極軟巖～軟巖,巖體松動,受風化影響嚴重,層間結合差,巖體較破碎～破碎,以層狀破碎為主,含少量基巖裂隙水,呈滴水滲出。其中ZK74+158～ZK74+188段主要為中生界白堊系下統灌口組(K1g)粉砂巖夾粉砂質泥巖和夾關組(K1j)細砂巖夾粉砂巖、粉砂質泥巖,傾角為4°～15°,細粒結構,泥鈣質～鈣質膠結,為典型的緩傾角層狀巖層。該類圍巖在隧道開挖后,拱頂極易發生片狀坍塌,若有地下水的作用時,規模將明顯擴大,圍巖級別為Ⅴ級。該段復雜的水文地質、工程地質條件將對隧道施工產生重大影響。

2 監控量測

隧道于2011年6月10日開挖至ZK74+158處,為安全通過軟弱圍巖段,采用上下臺階法開挖,設超前小導管預支護,支護類型設計為Ⅴ型,設計斷面圖見圖1。

圖1 Ⅴ型支護襯砌

課題組在該段加強了監控量測[1-2],每間隔5 m布置6個監測斷面。6月27日監測人員在隧道左線掌子面附近ZK74+186處左拱腰到拱頂位置發現有較明顯裂縫,且裂縫發展較快,部分初期支護呈潰破形式,鋼拱架已外露,附近也均有裂縫在發展,掌子面呈散體狀結構并不時有碎塊塌落。通過對監測數據的分析發現,截止到裂縫出現當日,該兩個監測斷面拱頂下沉值與周邊收斂值都無較明顯增大。但出現裂縫當日,拱頂及凈空收斂變形急劇增大,典型斷面監測數據分析見圖2所示。

從圖2中可以看出,ZK74+162斷面從開挖至6月26日共13 d時間圍巖變形增長緩慢,累計拱頂下沉值不到20 mm,但6月27日,圍巖變形呈突增形式,拱頂下沉速率達35 mm/d,凈空收斂速率達43.9 mm/d,初期支護多處出現裂縫。

圖2 ZK74+162圍巖變形時態曲線

3 變形機理分析

3.1 初期支護背后空洞探測

為綜合分析變形原因,現場對ZK74+153～ZK74+173段進行了地質雷達檢測,檢測目的是探測初期支護背后是否存在空洞。現場共布置了5條雷達測線,分別為左右起拱線測線、左右拱腰測線和拱頂測線。對雷達檢測數據進行分析并結合現場實際情況,提出了4個鉆孔驗證位置,里程分別為:ZK74+158、ZK74+163、ZK74+168、ZK74+173,均位于左拱腰附近。通過對開孔揭露情況的仔細觀察分析,ZK74+158和ZK74+163處可以看到初期支護背后有較明顯空洞存在;ZK74+168和ZK74+173處未見有明顯空洞,鉆孔深處均被泥漿填充。

綜合分析認為:該檢測段落ZK74+158和ZK74+163處及其附近初期支護背后有空洞存在,其余位置所檢測測線處均未見有明顯空洞特征。

3.2 變形機理分析

軟弱圍巖段隧道變形主要表現在淺埋段地表沉降、洞周收斂、仰拱隆起、邊墻下沉,甚至初期支護結構破損[3](噴射混凝土開裂或表層脫落掉塊、鋼架扭曲、彎折、斷裂變形等)。

隧道開挖后,由于解除了部分圍巖的約束,原始的應力平衡被破壞,圍巖將進行二次應力重新分布,圍巖向隧道內部空間變形。在軟弱圍巖中,巖體強度很小,不能承受開挖后急劇增大的隧道周邊應力而產生塑性變形,沿隧道周邊圍巖應力松弛而形成一個應力降低了的區域,高應力向圍巖深部轉移。擾動了的巖體向隧道內變形,當變形超過一定數值就會出現圍巖失穩和坍塌[3-6]。

槽漁灘隧道軟弱圍巖地段主要為泥質砂土,呈散狀結構,地下水發育,圍巖遇水軟化,容易坍塌;由于施工質量缺陷,初期支護與圍巖之間的空洞導致初期支護與圍巖不能形成整體而共同產生協調變形,且空洞的存在導致該部位相當于未作支護,坍塌的圍巖松散體堆積在初期支護結構上,當初期支護承受超過其承載能力的荷載時,初期支護結構就會產生大變形甚至破損。

4 變形處治對策

4.1 初期支護凈空斷面檢測

為確定處治方案,確保變形段二次襯砌厚度及隧道凈空滿足設計要求[7],對槽漁灘隧道初期支護凈空斷面進行了測量,共測量了4個斷面,里程分別為ZK74+158、ZK74+163、ZK74+168和ZK74+173,測量結果統計見表1。

4.2 變形處治方案設計

考慮到工程現場的實際情況,制定了ZK74+158～ZK74+188共30 m變形段的處治方案:

(1)洞身嚴重變形段設臨時支撐

表1 測量斷面侵限情況統計

①臨時工字鋼支撐:

在初期支護嚴重變形段ZK74+158～ZK74+188(30 m)初期支護外側,增加臨時鋼支撐,采用I18工字鋼鋼架。

其中,ZK74+158～ZK74+178(20 m),為已施工Ⅴ型襯砌段,臨時鋼架間距平均1 m。ZK74+178～ZK74+188(10 m),為已施工Ⅴ加強型襯砌段,臨時鋼架間距平均0.6 m。實際施工段落和間距可以根據現場實時監控量測資料作調整。

②臨時混凝土基礎:ZK74+158～ZK74+188(30 m)上半斷面初期支護底部,增設C20混凝土基礎,寬40 m、高40 cm。

(2)洞內開挖后注漿

鑒于ZK74+158～ZK74+188(30 m)初期支護目前處于持續變形之中,初期支護背后有空洞以致大范圍坍塌,并導致圍巖松弛圈擴大。在臨時鋼支撐施作且變形基本穩定后,避開雨季,適時施作周邊注漿,加固圍巖和減小圍巖空隙率。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿加固范圍4.5 m,注漿孔環向間距1.5 m,注漿順序為先兩側,后拱頂。

(3)拆除嚴重變形段已施作的初期支護

對ZK74+158～ZK74+188(30 m)已施工的初期支護因變形較大需拆除重建,其數量包括以下四部分:

①ZK74+158～ZK74+188(30 m)施工的臨時工字鋼鋼架;

②ZK74+158～ZK74+188(30 m)上半斷面初期支護底部增設的C20混凝土基礎;

③ZK74+158～ZK74+178(20 m)已施工的Ⅴ型襯砌段的初期支護;

④ZK74+178～ZK74+188(10 m)已施工Ⅴ加強型襯砌段的初期支護。

(4)隧道初期支護變形嚴重段重新支護

對初期支護侵限較大和變形較大的段落30 m(ZK74+158～ZK74+188段),在施工過程中因地質情況持續惡化造成該段初期支護嚴重變形,采用“置換初支、加強二襯”的支護方案,襯砌基本型式采用型襯砌。

其中,ZK74+158～ZK74+173段由于變形侵限相對較小,采用工字鋼間距為60 cm的V特加強-1型襯砌;ZK74+173～ZK74+188段由于變形侵限較大,采用工字鋼間距為40 cm的V特加強-2型襯砌。具體設計參數為:

①割除原初期支護工字鋼之間的噴射混凝土和連接鋼筋,嵌槽置換V特加強型I20b型工字鋼鋼架,恢復初期支護。

②采用φ 25中空注漿錨桿作為系統錨桿,兼鋼架定位作用,長度3.5 m。

③二次襯砌采用厚度60 cm的C25鋼筋混凝土。

④根據現場處理情況,對拱頂穩定性較差的段落增設φ 42小導管作超前支護。

(5)加強排水措施

對ZK74+158～ZK74+188段,為防止和減小地下水靜水壓力對結構造成影響、防止細小顆粒對主縱向排水溝(管)造成堵塞,在原有排水系統基礎上,增設環向排水措施,將該段地下水直接排入隧道中央排水溝,主要措施如下:

在初期支護施作完成后,在拱頂鉆孔布置φ 50泄水孔,深度5 m,按間距5 m×3 m(縱×橫)布設,布孔時應結合利用加密、加長原有泄水孔;在泄水孔對應位置,用市售三通管連接,將地下水集中引排進入環向設置的φ 50HDPE單壁波紋管,每處φ 50HDPE管設置3根,將墻背水直接排入中央排水溝內。φ 50HDPE單壁波紋管墻背環向設置段采用有孔結構,基底下橫向排水支管采用無孔結構。

5 施工建議

(1)施工中應堅持“管超前、嚴注漿、短進尺、留核心、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”的二十四字方針;

(2)隧道施工時,應特別加強對該段地表以及隧道的巖體和水體的監控量測,防止巖體失穩;

(3)隧道開挖建議采用微臺階環形掏槽留核心土法,當圍巖特別軟弱含水時,可以采用中隔壁法(CD法)或交叉中隔壁法(CRD法),并可兼作超前導坑作用;

(4)工字鋼鋼架施作時,應注意鋼架接長應穩妥可靠,每次只能有1～2個鋼架腳短時間懸空。定位錨桿和縱向連接鋼筋應及時施作。如發現邊墻有坍塌,必要時還應縱向設置鋼板或混凝土基礎。施工邊墻和仰拱工字鋼時,還應注意必須保證圍巖和結構的穩定性。

通過上述處治措施,隧道施工順利通過大變形段,從對變形過大區域的監測結果來看,后期沒有出現異常情況,說明處治方案合理、有效。

6 結 語

槽漁灘隧道施工通過軟弱圍巖地段時產生了初期支護變形開裂的現象,為查找原因,有針對性的提出合理的處治方案,通過現場檢測的手段,對變形原因進行了深入分析,并根據檢測結果,提出了合理的處治對策,解決了工程實際問題,也為今后類似工程積累了寶貴經驗。

(1)軟弱圍巖由于巖體強度小,不能承受開挖后急劇增大的隧道周邊應力而產生塑性變形,當變形超過一定數值就會出現圍巖失穩和坍塌。而通過地質雷達及鉆孔檢測發現初期支護與圍巖之間存在空洞,導致初期支護與圍巖不能形成整體而共同產生協調變形,坍塌的圍巖松散體堆積在初期支護結構上,當初期支護承受超過其承載能力的荷載時,初期支護結構就會產生大變形直至破損。

(2)在制定處治方案時,對變形段初期支護侵限情況進行詳細檢測,對侵限地段采用拆除原支護重新開挖支護的方法,能有效避免二襯厚度不足或二襯凈空侵限。

[1]蔣樹屏,趙 陽.復雜地質條件下公路隧道圍巖監控量測與非確定性反分析研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(20):3460-3464.

[2]徐林生,孫 均,蔣樹屏.洋碰隧道進口右線施工中的現場監控量測[J].巖石力學與工程學報,2002,21(5):675-678.

[3]李偉平.公路隧道穿越軟弱圍巖的變形與控制方法[J].現代隧道技術,2009,(2):44-49.

[4]關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社,1993:86-90.

[5]李樹軍.高地應力大變形隧道變形特性及工程應對措施分析[J].水利與建筑工程學報,2009,7(3):33-35,45.

[6]廖祥元,肖啟航.青坑隧道地質復雜段坍塌機理分析與治理[J].現代隧道技術,2008,(S1):482-484.

[7]中華人民共和國交通部.JTG F80-1-2004.公路工程質量檢驗評定標準[S].北京:人民交通出版社,2004:112-123.