連拱隧道軟巖大變形特征分析及施工方法研究

韋 景 宇

(中國中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

連拱隧道軟巖大變形特征分析及施工方法研究

韋 景 宇

(中國中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

通過邵家臺連拱隧道施工中開展的軟巖大變形研究及現場施工實踐，分析和總結了軟弱圍巖在施工過程中出現的地質、地應力及圍巖變形特征等，針對其特點探討了控制變形支護參數及有效的施工方法，解決了現場施工難以正常掘進問題，同時也保證了隧道的施工安全和質量。

連拱隧道，軟巖，變形特征，施工方法

湖北省谷城至竹溪高速公路邵家臺連拱隧道地處南秦嶺構造帶內，地質構造復雜，且構造變形、褶皺，圍巖軟弱，節理裂隙發育。開挖后在地質構造應力作用下，圍巖大變形頻繁、突出，初支變形開裂、侵限，模筑二襯混凝土開裂、下沉和移位等現象，導致掘進無法正常進行，經常出現施工中斷或停工現象，嚴重危及現場施工安全及工程質量，由此引起了建設方、設計、監理及公司本部的高度關注。通過建設方多次主持召開湖北省專家技術專題研討會及現場勘驗，對工程揭露實際圍巖的地質特征及支護結構破壞形式及特征進行系統分析和研討，找出該隧道圍巖及支護大變形發展的規律及原因，制定了相關變形控制標準和施工方法要求，最終有效解決了施工難以掘進問題，隧道施工也得以正常開展。

1 工程概況

1.1 概述

湖北省新建谷(城)至竹(溪)高速公路第16合同段邵家臺連拱隧道位于十堰市房縣青峰鎮紅塔鄉黨家灣襯境內，呈東西向展布，隧道全長365 m(K87+785～K88+150)，屬于短隧道，最大埋深約54.9 m。省道S305兩次穿過隧道進出口上方，隧道設計建筑界限凈寬23.5 m，凈高5.0 m，Ⅴ級圍巖175 m，占隧道總長48%，Ⅳ級圍巖190 m，占隧道總長52%，隧道施工采用新奧法原理組織施工。

1.2 工程地質

隧址區在大地構造上位于南秦嶺構造帶內，地處南秦嶺—青峰斷裂帶上，地質構造復雜。地表覆蓋層為第四系褐黃色粉質粘土，夾有少量礫石，基巖及其風化層為強風化炭質片巖，變晶結構、片狀構造，主要礦物成分為長石、石英、絹云母等，圍巖屬軟巖，穩定性差。隧道圍巖分級及變更情況見表1。

表1 圍巖分級變更表

1.3 水文地質

隧址區地表水系不發育，主要為大氣降水形成的地表面流及山體溝谷內季節性流水等，水量受季節性影響變化較大，自然排泄暢通，對隧道施工影響小。地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，主要受大氣降水補給，補給條件較好，雨季隧道開挖受影響較大，極易出現滴水、滲水，甚至涌水現象。

2 不良地質

2.1 開挖揭露圍巖描述

1)隧道正洞開挖掘進后，發現圍巖受地質構造作用嚴重，節理裂隙極為發育、破碎，且褶曲明顯，自穩性差，手可捏成團，呈黑褐色，開挖后多呈塑性流動狀(見圖1)。2)巖體節理切割形成松散小塊體，結構松散破碎，為強風化片巖，且裂隙中充填石英、云母及泥化物，局部形成軟泥夾層或破碎帶，穩定性差(見圖2)。3)通過委外進行巖石力學及自由膨脹率實驗，圍巖單軸抗壓強度基本為12 MPa～20 MPa之間，屬于軟質巖石，且千枚巖遇水自由膨脹率達12%～15%之間。

2.2 軟巖變形特征

1)變形量大，部位明顯。洞身圍巖變形監控量測按每5 m一個量測斷面設置，每個斷面從拱頂—上拱腰—中拱腰布設觀測點，重點監控拱頂至拱腰外側下沉、收斂情況，見圖3。例如：隧道出口端右洞YK88+900～YK88+910段15 d監控量測結果：YK87+900斷面拱頂累計沉降量152.5 mm，最大累計收斂(A—A″)571.21 mm；YK87+905斷面拱頂累計沉降量121.7 mm，最大累計收斂476.18 mm；YK87+910斷面拱頂累計沉降量102.3 mm，最大累計收斂432.43 mm，其中A點部位變形非常明顯。2)變形速率大，突變明顯。初支結構分段施工變形速率：掌子面上臺階掘進時實測最大變形速率為32 mm/d，中臺階外側施工時實測最大變形速率為65 mm/d，但下臺階及仰拱開挖施工時實測最大變形速率達103 mm/d，突變明顯。初支閉合成環及仰拱混凝土回填施工完后，洞身整體結構趨于相對穩定，變形速率小于3 mm/d或為零。3)變形持續時間較長。2014年9月4日，隧道左洞進口端K87+862～K87+890段二次襯砌在中隔墻側(仰拱回填頂面向上約3 m處)出現縱向開裂，裂縫長28 m，最大開裂寬度約25 mm，據K87+875斷面量測數據顯示：襯砌后拱頂累計下沉125 mm，水平收斂累計47.5 mm，斷面整體凈空內收18 cm(見圖4)。表明二襯后期承擔圍巖持續變形產生較大應力。

3 產生變形原因剖析

邵家臺連拱隧道施工過程中不斷發生的圍巖及支護結構嚴重變形經過剖析其原因，主要有以下幾點：

1)不良地質因素：該隧道圍巖軟弱破碎、自穩能力差、強度低，加上圍巖結構混雜，受地質構造作用嚴重，褶曲明顯、節理發育、千枚巖遇水膨脹而發生塑性蠕變等不利因素，使得地質應力突出明顯是隧道大變形的內因。2)結構類型不合理因素：因受地理條件限制而設計為連拱隧道，其結構類型勢必造成在多次開挖過程中不僅嚴重擾動圍巖自身穩定性，而且還造成圍巖應力分布反復發生變化和轉換，加劇了大變形的產生和發展。3)結構設計不足因素：主要體現在對不良地層中隧道多次開挖擾動后發生大變形發展程度估計不足，不但沒有因地制宜采取加強或特殊設計，初支結構偏弱，在初支無法穩定情況下，僅通過加大部分段落二襯混凝土厚度來加強支護明顯不足。4)工序銜接時間的影響：該隧道掘進采用三臺階法施工，初支未能及時封閉成環，加上受連拱隧道先后行主洞掘進嚴格要求控制，兩洞工序不僅受到制約，相互影響也極大，二襯往往相對滯后。如果能及時二襯跟進，可盡早完成隧道整體支護，圍巖及支護結構變形即可盡早減小，從而可趨于穩定。

4 變形控制標準要求

根據施工過程中監控量測結果及圍巖和初支變形特征，結合現場實際施工狀況，制定變形控制標準要求：最大變形量：沉降量不大于350 mm，水平收斂不大于600 mm；變形速率不大于5 mm/d。

5 控制變形施工方法

通過多次開展研討及現場施工實踐，掌握軟巖變形產生規律，進而科學合理制定相應的施工方法，局部調整支護參數，采取有效措施，動態優化施工。

5.1 調整或增設部分支護參數

1)在中隔墻上部左右正洞的每榀初支25b工字鋼之間增設兩排φ25對拉錨桿進行加強，見圖5；2)正洞每榀初支25b工字鋼之間環向增設8根間距為3.2 m的18b工字鋼連接，提高工字鋼整體支護作用，見圖6；3)正洞外側拱腰處(變形收斂最突出A部位)每榀初支25b工字鋼上增設雙排長度為4.5 m～6 m的φ25自制中空注漿錨桿，加強拱腰處鎖腳錨固力，減小收斂；4)將變形預留量由設計的15 cm調整為45 cm，加大并優化鋼拱架結構；5)二襯鋼筋中增設環向格柵鋼架，鋼筋規格與設計相同，縱向間距1.5 m。

5.2 嚴格控制開挖方法

該隧道正洞采用短臺階預留核心土“三臺階法”施工，針對實際圍巖軟弱情況，開挖以機械為主人工為輔，避免采用鉆爆法施工，盡量減少對周邊圍巖的擾動破壞，中隔墻頂部則采用人工配風鎬鑿除施工,見圖7。

5.3 嚴格控制先后行主洞施工工序

由于連拱隧道左右兩洞同時施工其受力結構相互影響很大，為確保施工安全及工程質量，必須嚴格控制兩洞掘進施工時各工序，并盡早初支封閉，二襯及時跟進，見圖8。

1)掘進臺階長度控制：上臺階3 m～5 m；中臺階5 m～6 m；仰拱及下臺階6 m～8 m，每臺階掘進長度控制以滿足小挖掘機及人工工作需要即可，同時保證左右兩洞掌子面之間的距離不得大于15 m；2)仰拱施作控制：根據隧道變形控制標準和日常量測變化情況確定仰拱施作時間，為避免仰拱一次開挖過長容易造成初支沉降過大或突變失穩，故每組仰拱開挖長度按不超過3 m控制，并及時澆筑仰拱回填，使初支盡早穩定；3)二襯模筑混凝土施作控制：根據隧道掘進進度及仰拱施作進度情況，采用6 m整體式鋼模板臺車澆筑，及時跟進，同時必須嚴格控制先行主洞二襯施作在對應后行主洞仰拱已施工完范圍內，否則不得施作。

5.4 掘進中斷或暫停施工輔助措施

隧道施工過程中，經常避免不了因特殊情況而出現掘進中斷或暫停施工，當暫停時間較長時，為防止初支結構因停工時間過長而產生大變形時，需要采取臨時輔助措施予以加固，以確保變形受控(見圖9)。

6 結語

邵家臺連拱隧道施工中最突出問題是因圍巖及初支經常發生大變形而無法正常掘進。經過多次專題技術研討和專家指導，包括中國工程院王夢恕院士蒞臨現場勘查與指導，現場施工中基本掌握軟巖地質及應力特征、大變形發展規律及產生原因，采取相應的技術及施工調整措施，解決了隧道無法正常掘進難題，保障了隧道的施工安全和工程質量，同時也提高工效，縮短施工周期，降低施工成本。

[1] 關寶樹.隧道力學概論[M].成都：西南交通大學出版社，1993.

[2] 曾佐勛，樊光明.構造地質學[M].第3版.北京：中國地質大學出版社，2008.

On analysis of features of large-deformation of multiple-arch tunnel in soft rock and its construction method

Wei Jingyu

(No.4EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailwayFirstBureauGroup,Xianyang712000,China)

According to the research on the large-deformation of Shaojiatai multiple-arch tunnel in soft rock construction and its site practice, the paper analyzes and sums up the geological features, crustal stress and surrounding rock deformation in the construction process of the weak surrounding rock, and explores the controlling and deformation support parameter and effective construction methods, so as to solve some problems in the jacking of the site construction and ensure the tunnel construction safety and quality.

multiple-arch tunnel, soft rock, deformation feature, construction method

1009-6825(2015)32-0147-03

2015-09-02

韋景宇(1975- )，男，工程師

U451.2

A