碎裂圍巖隧道施工大變形及其控制方法

呂中英

(中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司, 北京 100042)

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碎裂圍巖隧道施工大變形及其控制方法

呂中英

(中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司, 北京 100042)

【摘要】針對雅康高速公路前碉3#隧道地質(zhì)條件較差、巖體碎裂且涌水量非常大且極易出現(xiàn)隧道大變形甚至垮塌事故等難題，運(yùn)用現(xiàn)場調(diào)查、理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對其工程條件進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，摸清了隧道在開挖施工過程出現(xiàn)的典型大變形和涌水實(shí)際并分析了其存在的問題，據(jù)此提出了涌水治理、施工排水、臨時(shí)加固、邊墻及隧底加固、侵限處理等一系列隧道大變形控制方法與參數(shù)?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，提出的隧道大變形控制技術(shù)可以較好地控制隧道碎裂圍巖變形，從而能夠保證隧道開挖安全。研究結(jié)果也可以為今后類似工程提供較好的借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】隧道工程；大變形；控制方法；碎裂巖體

正在修建的雅康高速公路前碉3#隧道位于天全縣兩路鄉(xiāng)境內(nèi)天全河右岸G318國道上行方向左側(cè)一山坡坡體中，右線起訖里程為K76+473～K78+134，全長1 661m，最大埋深268m。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌區(qū)，隧道整體位于一山體的N面斜坡上，整體坡度50°～70°，地下水主要有松散層孔隙水、巖漿巖裂隙水，隧道正常涌水量1 100m3/d，最大涌水量2 200m3/d。隧道右線采用從出口單向掘進(jìn)的方法施工，目前掌子面里程為K77+710，掌子面距離出口394m，邊墻變形段落為K77+740～K77+827。

由于地質(zhì)條件較差，屬于碎裂巖體且涌水量非常大，因此隧道開挖過程很容易出現(xiàn)大變形甚至垮塌，必須對其掘進(jìn)施工以及變形控制技術(shù)進(jìn)行研究，據(jù)此才能確保工程建設(shè)的安全與順利完工。

1工程條件分析

1.1地質(zhì)條件

前碉3#隧道K77+740～K77+827段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，該段巖體表層破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，把局部巖層切割成塊狀，洞頂圍巖及隧道右側(cè)洞壁圍巖穩(wěn)定性較差，易掉塊，滑脫現(xiàn)象比較頻繁。據(jù)目前開挖揭露圍巖情況，該段圍巖為灰色強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，圍巖破碎局部呈粉粒狀，圍巖條件較差，圍巖級(jí)別及其相應(yīng)支護(hù)條件須做調(diào)整，具體變化列于表1。

表1　前碉3#隧道右線K77+831～K77+732段變更統(tǒng)計(jì)

1.2隧道斷面條件

基于結(jié)構(gòu)安全出發(fā)，隧道設(shè)計(jì)為分離式，主洞襯砌內(nèi)輪廓斷面參數(shù)為：拱高715cm，上半圓半徑為553cm的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，周長(含仰拱)32.29m。主洞襯砌內(nèi)輪廓斷面如圖1所示。隧道襯砌類型支護(hù)和超前支護(hù)參數(shù)分別列于表2和表3。

2隧道右洞邊墻變形及其分析

隧道在開挖施工過程中分別出現(xiàn)了多次大變形和涌水事件，比較典型的有3次。

2.1.1右洞K77+820～K77+827右側(cè)邊墻突水

5月16日下午15:00，前碉3#隧道右洞出口掌子面K77+812施工時(shí)，掌子面后方K77+820～K77+827右側(cè)邊墻突然出現(xiàn)涌水，水量較大，約每小時(shí)300m3，掌子面最大積水深度達(dá)1.6m，同時(shí)K77+820～K77+827右側(cè)邊墻初支混凝土開裂，裂縫寬0.5～1cm，局部拱腳變形嚴(yán)重，侵限達(dá)到60cm(圖2)。在上述情況出現(xiàn)后，立即停止了掌子面施工，現(xiàn)場調(diào)用1臺(tái)45kW、4臺(tái)7.5kW水泵進(jìn)行抽水，將現(xiàn)場情況上報(bào)了監(jiān)理、業(yè)主和設(shè)計(jì)院，經(jīng)四方現(xiàn)場查勘后確定，對該段初支采取深孔泄水、架立護(hù)拱、增加鎖腳等加固措施，加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測，隨后恢復(fù)掌子面施工。

圖1　主洞襯砌內(nèi)輪廓斷面(帶仰拱)

序號(hào)襯砌類型二襯厚度/cm預(yù)留變形量/cm噴混凝土厚度/cm鋼筋網(wǎng)片錨桿鋼架1Z440618?6.5,@25cm×25cm3.0m,環(huán)×縱@1.2m×1.0m格柵10×15@1.0m2Z4j40822?6.5,@20cm×20cm3.0m,環(huán)×縱@1.2m×0.8mI16@0.8m3Z5451024?8,@20cm×20cm3.0m,環(huán)×縱@1.0m×0.8mI18@0.8m4Z5j601226?8,@20cm×20cm/I20b@0.6m

表3　超前支護(hù)參數(shù)

圖2　隧道初支開裂

掌子面從K77+812開始，圍巖逐漸變差，所揭露的圍巖為灰色強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖體穩(wěn)定性極差，巖質(zhì)較軟，呈粉狀，遇水呈粘稠狀膠體，坍塌現(xiàn)象頻繁，現(xiàn)場圍巖情況如圖3。

圖3　K77+802掌子面圍巖粉狀并坍塌

2.1.2初支邊墻嚴(yán)重變形

5月19日～7月9日，掌子面施工過程中，拱頂和右側(cè)邊墻處圍巖多次出現(xiàn)垮塌，經(jīng)采取封閉掌子面、拱頂注漿加固后，繼續(xù)掌子面開挖，其中K77+755～K77+765段初支經(jīng)監(jiān)控量測結(jié)果顯示，邊墻變形越來越嚴(yán)重，量測結(jié)果顯示收斂值4～8mm/d，隨即對該段初支采取增加臨時(shí)環(huán)向鋼支撐。

2.1.3右側(cè)邊墻初支再次出現(xiàn)突然變形和開裂。

實(shí)施統(tǒng)一身份認(rèn)證前，企業(yè)的用戶數(shù)據(jù)可能存在于各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)都有一套自己的用戶數(shù)據(jù)，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，用戶數(shù)據(jù)也不盡相同，例如A系統(tǒng)中用戶登錄賬號(hào)為拼音，而B系統(tǒng)中用戶卻是使用工號(hào)編碼登錄，而且用戶信息新增或變更的實(shí)時(shí)性和同步性都很難保證。因此需要規(guī)范管理各應(yīng)用系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)，實(shí)施統(tǒng)一用戶管理。

7月9日，K77+827～K77+800右側(cè)邊墻初支再次出現(xiàn)突然變形和開裂，裂縫最大寬度70mm，K77+820處右側(cè)仰拱開裂。經(jīng)對初支復(fù)測，數(shù)據(jù)顯示該段初支已侵限120cm，項(xiàng)目部立即對該段邊墻增加臨時(shí)環(huán)向鋼支撐，并在鋼支撐內(nèi)側(cè)設(shè)斜撐。

經(jīng)進(jìn)一步觀測和初支斷面測量發(fā)現(xiàn)，K77+772～K77+797段初支變形嚴(yán)重，變形情況如圖4所示。

圖4　K77+787.7斷面大變形

根據(jù)近期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，K77+740～K77+770段拱頂沉降和周邊收斂速率平均為1.2mm/d，K77+770～K77+827段拱頂沉降和周邊收斂速率平均為0.8mm/d，變形仍在發(fā)展。

據(jù)現(xiàn)場開挖揭露情況，該段地質(zhì)為地震斷裂帶，斷層與線路方向關(guān)系如圖5所示。

圖5　斷層結(jié)構(gòu)及走向

2.2大變形及其待解決問題分析

依據(jù)當(dāng)前隧道工程理論[1-3]，對存在問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)方面對隧道大變形以下影響較大。

(1)斷層構(gòu)造尚不清晰。根據(jù)目前開挖揭露圍巖情況判斷，該斷層橫穿線路左、右線，但對斷層構(gòu)造的了解還不夠詳細(xì)準(zhǔn)確，需進(jìn)一步進(jìn)行地質(zhì)勘查，以便制定更為合理的治理措施。

(2)涌水水路和來源不夠清楚。根據(jù)前期調(diào)查，斷層處地表沖溝曾有常流水，洞內(nèi)出現(xiàn)涌水后沖溝已干涸，但地表水源不明晰；尚不明確水路是否經(jīng)過左線隧道洞身。因此，無法確定完善的治理涌水的措施。

3隧道大變形控制方法

參考隧道大變形控制技術(shù)[4-5]，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際確定了治理及控制方案。

3.1涌水治理

(1) 邊墻堵、排水：邊墻涌水采用堵、排結(jié)合的方法，在K77+827～K77+740段右側(cè)邊墻上施工PE泄水管，泄水管直徑φ90mm，長度8m,通過仰拱預(yù)埋排水管將涌水引入中央排水溝，并對邊墻進(jìn)行注漿，封堵部分涌水。

(2) 施工排水：施工期間排水采用水泵抽水方式排出洞外。

3.2邊墻變形處治

(1) 臨時(shí)加固：K77+827～K77+800及K77+755～K77+765段右側(cè)增加臨時(shí)斜撐，采用I18工字鋼，斜撐角度45°，與初支拱架焊接；

(2) 邊墻加固：對K77+827～K77+750段右側(cè)邊墻開挖輪廓線外5m范圍進(jìn)行周邊注漿加固，采用φ42的小導(dǎo)管和純水泥漿注漿；

(3) 隧底加固：對K77+827～K77+740段仰拱加固處理，右半幅仰拱基底施做φ70注漿鋼花管。

(4) 侵限處理： 對初支侵限段落，進(jìn)行換拱處理，換拱后及時(shí)施工二襯。

K77+740～K77+827邊墻處治主要工程數(shù)量見表4。

表4　主要工程數(shù)量

在采取封閉掌子面并拱頂注漿加固后，繼續(xù)隧道掘進(jìn)開挖，邊墻變形仍然有繼續(xù)加大的趨勢，但在對初支采取增加臨時(shí)環(huán)向鋼支撐并在鋼支撐內(nèi)側(cè)設(shè)斜撐后，邊墻變形可以得到較好的控制，且初支沒有再次出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，說明控制方案及選取的參數(shù)是合理可行的。

4結(jié)論

(1) 由于前碉3#隧道地質(zhì)條件較差、巖體碎裂且涌水量非常大，一不小心將會(huì)出現(xiàn)隧道大變形甚至垮塌事故，必須結(jié)合工程地質(zhì)、隧道圍巖及其結(jié)構(gòu)等條件對其掘進(jìn)施工以及變形控制技術(shù)進(jìn)行研究，據(jù)此才能確保工程建設(shè)的安全與順利完工。

(2) 依據(jù)地質(zhì)和斷面條件以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，在分析隧道大變形及涌水實(shí)際情況和存在問題的基礎(chǔ)上，提出的隧道大變形控制方法及參數(shù)能夠較好地控制隧道變形，可確保隧道開挖安全。

(3) 鑒于隧道碎裂巖體及地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道大變形和涌水存在的問題還應(yīng)結(jié)合后續(xù)掘進(jìn)施工做詳細(xì)分析，進(jìn)而據(jù)此對變形規(guī)律及其控制參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化。

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[作者簡介]呂中英(1983～)，女，工程師。

【中圖分類號(hào)】U455.49

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-05-20