峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段變形施工技術(shù)研究

李新亮

(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 404100)

0 引言

隨著隧道工程得到越來越廣泛的應(yīng)用，在地形、地貌及地質(zhì)背景復(fù)雜的地區(qū)，修建穿越高地應(yīng)力且地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖區(qū)的長大隧道工程不可避免［1］。在山嶺深埋隧道建設(shè)過程中，除了需考慮松弛壓力，還需考慮在高地應(yīng)力作用下的軟弱圍巖蠕變壓力，隧道在此狀態(tài)下圍巖自穩(wěn)能力差，開挖易發(fā)生擠壓變形，嚴(yán)重破壞隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，常規(guī)的施工技術(shù)無法有效遏制其變形的發(fā)展。由于隧道圍巖軟弱、地應(yīng)力較高、變形大且持續(xù)時間較長，為高速公路長大隧道的設(shè)計和施工帶來了重大的挑戰(zhàn)［2］。目前我國在高地應(yīng)力軟巖隧道建設(shè)時，對隧道圍巖變形和控制的理論缺乏系統(tǒng)研究，設(shè)計和施工的工程措施缺乏針對性，施工安全難以保證，工程投資難以有效控制［3］。

本文以峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段為依托，開展施工技術(shù)系統(tǒng)研究，分析高地應(yīng)力軟巖隧道的地質(zhì)條件、圍巖及初期支護(hù)變形特征，運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)手段，采用交叉中隔壁法開挖，采取噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和可伸縮性U形鋼架等相結(jié)合的聯(lián)合初期支護(hù)技術(shù)，并及時施作仰拱、二次襯砌等支護(hù)措施，有效地控制了峽口隧道進(jìn)口段高地應(yīng)力軟巖大變形。對國內(nèi)外同類工程施工具有很好的現(xiàn)實意義和借鑒價值。

1 工程概況

峽口隧道位于湖北省興山縣峽口鎮(zhèn)境內(nèi)，是宜巴高速公路重點控制性工程，具有“高地應(yīng)力、軟巖、順層、斷層、深埋、大變形”等特點，隧道區(qū)地層巖性主要為砂質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)泥巖，圍巖巖體較破碎、拱頂易順層片落。地下水以基巖裂隙水為主，偶有線狀滲水現(xiàn)象。隧道最大埋深約1 500 m，屬深埋特長隧道。

隧道圍巖內(nèi)部存在著高地應(yīng)力，隧道區(qū)的地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，水平地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主;其中，最大水平主應(yīng)力與隧道軸線的交角較大，對隧道圍巖的穩(wěn)定性不利;地應(yīng)力量值中炭質(zhì)頁巖為極高應(yīng)力。隧道現(xiàn)場斷面測試結(jié)果［4］顯示，洞身最大水平應(yīng)力為13.06 MPa，橫斷面最大初始應(yīng)力 σmax=12.37 MPa，對應(yīng)巖體(炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)泥巖)的單軸抗壓強(qiáng)度 Rc=2.5 MPa～8.7 MPa，Rc/σmax=0.2 ～0.7。根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》［5］，地應(yīng)力等級為高、極高地應(yīng)力，隧道極易產(chǎn)生大變形。

2 隧道變形特征

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段洞身圍巖巖體比較破碎，拱頂易順層片落，隧洞側(cè)壁偶有掉塊現(xiàn)象;洞室多呈干燥狀，且局部裂隙滴狀滲水，偶有線狀滲水現(xiàn)象。隧洞掌子面揭露的圍巖情況表明，該段圍巖巖體節(jié)理、裂隙遍布，巖體非常破碎，巖層多呈薄層、交互狀，開挖后圍巖自穩(wěn)能力差，易坍塌。

該洞在此段原設(shè)計采用臺階分部開挖法，初期支護(hù)施工實際采用Ⅰ16，Ⅰ18及Ⅰ20工字鋼+噴錨支護(hù)，榀間距60 cm～100 cm，噴射混凝土厚度22 cm～30 cm不等，錨桿長度3 m～3.5 m，錨桿縱向間距與鋼支撐間距一致，環(huán)向間距為1.2 m。隧道開挖支護(hù)完成后，圍巖發(fā)生大變形，部分?jǐn)嗝姘l(fā)生侵限現(xiàn)象。其中YK105+076～YK105+100段通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示局部最大拱頂下沉量累計達(dá)到了64 cm，周邊收斂最大11 cm，遠(yuǎn)大于初始預(yù)留變形量。

隧道初期支護(hù)襯砌裂縫先自拱腳部位產(chǎn)生，最初為羽狀剪裂紋，隨后向拱頂發(fā)展，最后形成貫穿裂縫，裂縫寬度達(dá)1 cm～2 cm。在高地應(yīng)力軟巖段，圍巖變形強(qiáng)烈，而且持續(xù)時間長。在初期變形后，變形并沒有停止，而是以等速繼續(xù)發(fā)展，甚至加速發(fā)展，多呈不收斂的趨勢，反映了高地應(yīng)力作用下圍巖具有軟弱和顯著的流變性特征。隧道圍巖的持續(xù)變形，使初期支護(hù)變形過大而發(fā)生破壞，不得不進(jìn)行拆換拱或套拱施工，對隧洞安全十分不利。

3 變形施工技術(shù)

在高地應(yīng)力軟巖隧道施工過程中，處于高地應(yīng)力環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)巖體遭到破壞，引起圍巖應(yīng)力重分布和局部區(qū)域應(yīng)力集中，引起圍巖塑性和粘性流動，產(chǎn)生隨時間增長的變形。另一方面，經(jīng)常由于設(shè)計施工初期對高地應(yīng)力軟巖隧道認(rèn)識不足，采用較弱的初期支護(hù)參數(shù)、不合理的開挖方法、未及時支護(hù)等，直接導(dǎo)致圍巖變形發(fā)展快，造成變形超限，甚至引起坍塌失穩(wěn)。

工程實踐表明，工程擾動是產(chǎn)生隧道大變形的主要外部因素;而不合理的支護(hù)參數(shù)、開挖方法等是產(chǎn)生大變形的直接原因。峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段施工過程中，采取深入分析圍巖變形機(jī)理，采用結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，調(diào)整優(yōu)化施工工藝、支護(hù)參數(shù)等綜合施工技術(shù)措施，控制圍巖變形的發(fā)展，使圍巖重新處于新的平衡狀態(tài)。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

目前國內(nèi)外超前預(yù)報主要采用TSP超前預(yù)報系統(tǒng)、圍巖地質(zhì)素描和超前水平鉆孔［6］等方式。在峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段開挖前，為了解前方地質(zhì)情況，主要采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)進(jìn)行工作面前方地質(zhì)預(yù)報，TSP超前預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。其中YK104+858～YK104+978范圍TSP探測結(jié)果的工程地質(zhì)評價如表1所示。

表1 TSP探測結(jié)果的工程地質(zhì)評價

探測段YK104+858～YK104+978中，巖性為灰?guī)r夾頁巖、頁巖;灰?guī)r呈中厚層狀，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu);頁巖呈中薄層狀結(jié)構(gòu);整體上水量不大，呈潮濕或滴水狀;炭巖段因巖性較硬且地層傾向掌子面前方，穩(wěn)定性一般，僅局部易掉塊;頁巖段，巖體軟弱，易大變形和坍塌，建議加強(qiáng)并及時進(jìn)行初期支護(hù)。

3.2 超前支護(hù)加固

峽口高地應(yīng)力軟巖段隧道，因隧洞區(qū)圍巖破碎、地應(yīng)力高、開挖施工后不能自穩(wěn)，為保持拱部圍巖穩(wěn)定。施工過程中在掌子面掘進(jìn)前采用小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù)。小導(dǎo)管制作采用的熱軋無縫鋼管外徑為42 mm、壁厚為3.5 mm，小導(dǎo)管前端呈尖錐狀，以減少入孔的阻力，注漿壓力選擇為0.5 MPa～1.0 MPa。在小導(dǎo)管2.9 m長度范圍內(nèi)的管壁四周鉆6 mm壓漿孔，呈梅花形布置。小導(dǎo)管間距為15 m，尾部有1 m不設(shè)壓漿孔，焊上Φ6的箍筋。前后兩循環(huán)小導(dǎo)管縱向搭接長度不小于1 m，以保證超前支護(hù)的連續(xù)性。施工時小導(dǎo)管與襯砌中線平行，以10°～15°仰角打入拱部圍巖，并通過小導(dǎo)管將水泥漿強(qiáng)制注入至拱部巖石裂隙內(nèi)，能夠極大的提高隧洞開挖安全性，有效的防止了坍塌。

3.3 合理開挖方法

對于軟弱圍巖隧道采用臺階法施工，各施工工序間距太長，仰拱閉合滯后，無法及時形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，襯砌不能緊跟澆筑，致使初期支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度不足，易導(dǎo)致開挖大變形，甚至引起坍塌失穩(wěn)，經(jīng)常不得不進(jìn)行初期支護(hù)拆換、隧洞擴(kuò)挖等處理措施。

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段原設(shè)計施工采用環(huán)形臺階法開挖，出現(xiàn)圍巖大變形后，改用為中隔壁交叉法開挖。中隔壁交叉法采用先開挖隧道一側(cè)的一或二部分，并施作部分中隔壁和橫隔板;再開挖隧道另一側(cè)的一或二部分，完成橫隔板施工;然后再開挖最先施工一側(cè)的最后部分，并延長中隔壁，最后開挖剩余部分的施工方法。其將斷面分塊，減小開挖跨度和降低開挖高度，形成分部開挖，分塊成環(huán)，及時封閉，環(huán)環(huán)相扣，形成全斷面初期支護(hù)封閉結(jié)構(gòu)。中隔壁交叉法可有效減緩圍巖變形速率，承受圍巖壓力，對于控制圍巖大變形，具有明顯的效果。

3.4 強(qiáng)化初期支護(hù)

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段初期支護(hù)調(diào)整采用錨+噴+網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，按照初噴混凝土、立U形鋼架、打錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、復(fù)噴混凝土至襯砌設(shè)計厚度的順序，緊跟隧道開挖面進(jìn)行支護(hù)施工。其調(diào)整后參數(shù)為:噴射混凝土26 cm;全斷面布置φ8鋼筋網(wǎng)(25 cm×25 cm);鋼拱架采用U29的型鋼，其間距為1.2 m;型鋼間采用φ22縱向連接筋連接成整體;錨桿采用長4 m的φ22砂漿錨桿，縱環(huán)向間距為120 cm×100 cm，梅花形布置。

3.5 適時二次襯砌

隧道二次襯砌施作時機(jī)對于控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形具有重要作用，襯砌時機(jī)不當(dāng)，易導(dǎo)致二次襯砌破壞，隧道凈空被侵限。為保證隧道能夠抵御巨大形變壓力，峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段二次襯砌應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土最小厚度為45 cm，在圍巖監(jiān)控量測結(jié)果收斂后再進(jìn)行施工。對于大變形隧道，具有變形量大、收斂速度慢的特點，隧道在遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范要求的收斂變形速率時初期支護(hù)可能就已失穩(wěn)破壞，合理的二次襯砌施作時機(jī)對于大變形隧道至關(guān)重要。峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段變形速率小于1 mm/d～2 mm/d時，立即施作45 cm厚的鋼筋混凝土二次襯砌，距離掌子面70 m～80 m左右，讓襯砌承受部分形變壓力，可有效控制大變形發(fā)展。這是軟巖大變形控制中“先放后抗”的原則。

4 圍巖監(jiān)控量測

峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段圍巖監(jiān)控量測項目包括支護(hù)結(jié)構(gòu)受力量測和圍巖變形量量測。

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力量測

為掌握峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段隧洞開挖后圍巖壓力分布特點，以及初襯、二襯施作后受力隨時間的變化規(guī)律，研究隧洞在現(xiàn)有施工技術(shù)下的變形控制效果。開展現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)控量測。采用埋設(shè)壓力盒和鋼筋應(yīng)力計進(jìn)行量測，根據(jù)隧道現(xiàn)場情況，選定某些典型斷面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。分別在斷面拱頂、兩側(cè)拱腰和拱腳位置布設(shè)土壓力盒和鋼拱架表面應(yīng)變計。其中YK105+122斷面監(jiān)測結(jié)果如圖1，圖2所示。

圖1 YK105+122斷面接觸壓力監(jiān)測曲線

圖2 YK105+122斷面鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測曲線

YK105+122斷面在埋設(shè)監(jiān)測元件前，隧洞初襯已產(chǎn)生貫通性裂縫，并對拱頂進(jìn)行了清理和換拱工作，使得圍巖壓力得到進(jìn)一步的釋放。

根據(jù)圍巖接觸壓力監(jiān)測結(jié)果圖1可知，在監(jiān)測時段內(nèi)，該斷面圍巖與結(jié)構(gòu)接觸壓力具有不斷增加趨勢，最大應(yīng)力達(dá)100 kPa左右。鋼拱架表面應(yīng)變計監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，其顯示斷面換拱后鋼拱架受力持續(xù)增加，兩拱腰與拱頂處受力最大，其中右拱腰最大應(yīng)力為223.5 MPa。雖然該斷面目前仍處于非穩(wěn)定受力狀態(tài)，但均處在安全范圍，且隨時間變化其應(yīng)力增加緩慢。說明斷面受高地應(yīng)力作用，圍巖巖性較差，不斷向洞內(nèi)擠壓變形，后期伴隨高地應(yīng)力的完全釋放、二次襯砌施作，圍巖將重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，鋼拱架受力將趨于穩(wěn)定。

4.2 圍巖變形量量測

隧道圍巖變形量量測包括拱頂下沉量量測和水平位移量量測。圍巖變形量量測是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映，為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的數(shù)據(jù)，可根據(jù)變形速度判斷隧道圍巖的穩(wěn)定程度。主要用于指導(dǎo)施工，判斷施工技術(shù)效果，能夠及時掌握隧道整體的穩(wěn)定情況。

拱頂下沉與水平位移量測點布設(shè)為同一斷面，采用隧道周邊、拱頂位置埋設(shè)測點進(jìn)行拱頂變形量測。隧道拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀、收斂計和掛鉤鋼尺量測，并配以拱頂點掛鉤吊掛;水平收斂量測采用數(shù)顯式收斂計進(jìn)行監(jiān)測。洞內(nèi)每隔5 m～20 m設(shè)置一處觀察斷面，盡可能靠近開挖工作面埋設(shè)，一般為0.5 m～2 m。初讀數(shù)在開挖后12 h內(nèi)讀取，最遲不超過24 h，而且在下一循環(huán)開挖前，完成初期變形值讀數(shù)。其中YK105+240斷面圍巖變形量測結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3 YK105+240斷面拱頂累計沉降量與沉降速率

圖3顯示，監(jiān)測斷面 YK105+240拱頂累計沉降量達(dá)－116.4 mm;拱頂沉降變形較大，支護(hù)初期沉降速率較大，圍巖變形發(fā)展較快。

圖4表明，監(jiān)測斷面YK105+240累計水平收斂66.64 mm;顯示斷面開挖卸荷后水平收斂速率較大，水平位移快速增長。說明該段隧洞圍巖巖性較差，初始地應(yīng)力水平高，隧洞開挖后圍巖產(chǎn)生擠壓大變形，圍巖自穩(wěn)能力差。但伴隨高地應(yīng)力軟巖隧道變形施工技術(shù)的相關(guān)施工措施實施，圍巖變形速率明顯得到很好的控制，拱頂位移緩慢增長、下沉量不再增長，水平位移增長緩慢，圍巖趨于穩(wěn)定。

圖4 YK105+240斷面周邊收斂量與收斂速率

5 結(jié)語

1)高地應(yīng)力軟巖隧道具有圍巖變形強(qiáng)烈，且持續(xù)時間長。通過采用超前地質(zhì)預(yù)報探明掌子面前方地質(zhì)情況，對施工可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害建立預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行動態(tài)化施工，是高地應(yīng)力軟巖隧道變形施工技術(shù)有效的手段。

2)峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段采用的小導(dǎo)管注漿預(yù)加固，交叉中隔壁法開挖，錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，適時二次襯砌等綜合變形施工技術(shù)，是保證隧道圍巖變形穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的重要技術(shù)措施。

3)隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力量測和凈空變形量測結(jié)果顯示，峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段伴隨變形施工技術(shù)的相關(guān)施工措施實施，圍巖變形速率明顯得到很好控制，位移增長緩慢，圍巖趨于穩(wěn)定。表明峽口隧道高地應(yīng)力軟巖段變形施工技術(shù)是科學(xué)的、合理的，對國內(nèi)外類似工程建設(shè)具有很好的借鑒意義。

［1］劉 高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機(jī)理分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(S2)：5521-5526.

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