陽山隧道高地應力近水平巖層變形控制關鍵技術研究

郭尚坤

(中鐵二十局集團第二工程有限公司 北京 100042）

1 引言

隨著我國鐵路、公路建設的不斷推進，在地質環境惡劣、高地應力[1-3]地區建設長大隧道已不可避免。在高地應力軟巖[4]中修建隧道，往往出現圍巖大變形問題。南昆鐵路家竹箐隧道、蘭新復線烏鞘嶺隧道、奧地利陶恩隧道、日本中屋隧道施工中都出現過軟巖大變形問題[5]。在高地應力地區修建地下工程，最大的難題就是軟巖大變形控制問題[6]。地質構造發育地區的深埋地層由于曾經受到強烈地質構造擠壓作用，除完整性較差外，往往還累積了較大能量[7]。穿過此類地層的隧道，施工過程中由于開挖卸荷，圍巖累積的能量逐漸釋放，穩定性[8]較差，必然出現較大的圍巖變形。面對陽山隧道2號斜井正洞小里程復雜的地質環境，本文提出研究高地應力近水平巖層段落采用微臺階與初支拱頂設置鋼板型限阻器相結合的施工工法，最終達到變形控制、初支結構穩定的目的。

2 工程概況

新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道工程[9]陽山隧道2號斜井位于延安市延長縣七里村鄉白家臺村，小里程承擔DK385+850～DK384+370長1 480 m施工任務，設計為三疊系上統瓦窯堡組砂巖夾泥巖，砂巖灰白、淺灰色，泥巖灰黑色，弱風化，節理裂隙較發育，完整性較好，呈塊狀鑲嵌結構，近水平單斜構造，傾角1°～3°，埋深90 ～220 m。

設計為Ⅲ級圍巖，襯砌采用Ⅲb。實際開挖揭示:上臺階主要為砂巖，中厚層至厚層狀，夾薄層泥巖，拱部以下1.1～1.5 m為薄層砂巖，夾頁巖；下臺階為泥巖夾煤層，煤層共4層，厚度5～20 cm，塊煤為主；節理發育，巖體完整性好，開挖未見地下水，綜合判定圍巖級別為Ⅳ級。

3 高地應力判定

3.1 現場表現

2017年6月30日上午8點30分發現開挖掌子面后方DK385+220～DK385+048長172 m范圍，初支拱頂砼剝落掉塊嚴重且已縱向貫通，拱頂部位格柵鋼架主筋扭曲變形嚴重。DK385+106～DK385+045長61 m上臺階底板線左出現一條寬5～20 mm的裂縫，裂縫呈現為沿隧道中線方向錯臺，且肉眼觀察到上臺階地面有明顯隆起現象。該段埋深200 m左右，支護時間為2017年4月20日至6月26日。

2017年7月2日17點55分至18點10分DK385+143～DK385+125段長18 m初支開裂段落內拱頂巖層剝離，初支塌落。塌腔長18 m，寬5 m，高度1～4 m。塌體巖性為砂巖夾薄層泥巖，塌腔頂部巖面較為平整光滑，層間結合差。該段支護時間為2017年5月25日至5月30日。

2017年7月23日15點～7月24日7點DK385+106～DK385+038上臺階洞身巖體發出“嘭…嘭…”響聲，且聲音不斷加大，頻率出現增加，初支砼剝落掉塊、格柵鋼架主筋扭曲變形加劇。上臺階底板裂縫寬度、隆起現象有所發展，發生了突變。

2017年7月24日7點30分初支開裂段落內DK385+110～DK385+075段長35 m拱頂初支發生塌落，支護時間為2017年6月3日至6月14日。塌腔長35 m，寬6 m，高1.5～3.2 m。塌體巖性為砂巖夾薄層泥巖，塌腔頂部巖面較為平整光滑，層間結合差，與7月2日拱頂塌落段落處于同一水平巖層，為同一結構面引起的拱頂巖層剝離塌落向小里程方向發展延伸。

3.2 測試結果

為定量分析隧道的地應力狀況，中國地震局地殼應力研究所在陽山隧道2號斜井正洞DK385+170處鉆孔獲得4段地應力量值數據及2段地應力方向數據。通過地應力測試及結果分析，確定陽山隧道2號斜井鉆孔附近地應力狀態結論如下:

(1）初始地應力均值:最大水平主應力均值14.48 MPa，最小水平主應力均值9.23 MPa，垂直應力均值5.35 MPa，最大水平主應力平均方向N65.5°E。

(2）該鉆孔附近隧道圍巖屬于近水平砂巖[10]，根據《工程巖體分級標準》(GB 50218-14），陽山隧道2號斜井鉆孔附近處于高初始地應力狀態，平均強度應力比3.44，高初始地應力可能導致開挖過程中硬巖圍巖“發生剝離、新生裂隙多、圍巖易失穩”，軟巖圍巖“發生剝離、位移極為顯著、甚至發生大位移”。

4 變形控制關鍵技術

4.1 限阻器的設計與加工

鋼板型限阻器[11]按照圖1進行設計與加工，上下傳力連接鋼板厚10 mm，豎向限阻鋼板厚8 mm，豎向限阻鋼板垂直焊接在上下連接鋼板上，限阻器高30 cm，寬22 cm，長100 cm，限阻器與上臺階拱架一起安裝，布置在拱架拱頂正中間位置。

圖1 鋼板型限阻器（單位：mm）

4.2 掌子面開挖

高地應力近水平巖層段落采用微臺階施工工法，如圖2組織施工。上臺階作業采用分體式開挖臺架，上臺階高6.1 m，長6 m，開挖面距離仰拱初支成環不大于11 m。下臺階左右對齊與仰拱同時開挖支護。為保證爆破效果，采用光面爆破開挖，周邊眼加密，拱頂周邊眼根據現場實際地質情況適當從輪廓線往下降低。限阻器安裝部位采用人工配合風鎬向外擴挖10 cm，確保其能順利安裝。

單個上臺階分體式臺架總重量不超過2.5 t，按照圖3采用挖機挑送方式移動，下臺階采用自制小型短棧橋，保證上下同時開挖。

圖2 微臺階施工

圖3 開挖臺架及小棧橋

4.3 限阻器與格柵鋼架安裝

鋼架采用格柵鋼架，鋼架拱頂正中間加鋼板型限阻器，將限阻器與上臺階拱架一起安裝，在限阻器豎向鋼板之間焊接φ42 mm×3.5 mm無縫鋼管，作為后期初支拱頂注漿使用。無縫鋼管長35 cm，安裝時靠近圍巖側外露2 cm，靠近初支面側外露3 cm，管口用土工布包裹，無縫鋼管間距2 m預埋1根。每個限阻器的連接采用20 cm×10 cm×8 cm的鋼板進行綁焊。限阻器安裝效果如圖4所示。

4.4 鋼筋網片安裝

拱架背后環鋪1層φ6 mm(縱向）×φ8 mm(環向）鋼筋網片，網眼間距20 cm×20 cm，搭接不小于1個網格。沿限阻器環向左、右1 m范圍內增設1層鋼筋網，網眼間距30 cm×30 cm，靠近掌子面一側的鋼筋網片外露1～2個網格，以便于下一循環搭接。鋼筋網鋪設時網片節點與鋼架采用點焊的辦法逐點焊接牢固。

4.5 鎖腳錨管打設

鋼架采用鎖腳錨管加固，錨管采用4 m長的φ42×5 mm無縫鋼管，每榀拱架斜向下打設12根，與拱架成30°～45°，采用φ50 mm鉆頭成孔，成孔深度超過鎖腳錨管設計長度10 cm。錨管與鋼架采用φ25 mm鋼筋單面焊接，與鎖腳錨管和鋼架焊接長度均不小于25 cm，焊接完成后及時灌注M30水泥砂漿。

4.6 超前支護

超前小導管采用3.5 m長的φ42×3.5 mm無縫鋼管，環向間距40 cm，相鄰兩排的搭接長度不小于100 cm，外插角10°～15°，拱部 120°范圍布設 31根。施工時首先對小導管位置進行測量放樣，在設計孔位上做好標記，用風動鑿巖機成孔。成孔后，將小導管按設計要求用鑿巖機直接將導管從鋼架上部、中部頂入，頂入不小于設計長度的90%，外露鋼管用鋼墊板與靠近掌子面的鋼架焊接，與鋼架共同組成預支護體系。

采用注漿泵壓注水泥漿。注漿前先沖洗管內沉積物，漿液先稀后濃，由下至上順序進行。單孔注漿壓力達到設計注漿量80%或注漿壓力達到設計終壓并穩定10～15 min時可結束注漿。注漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，壓力0.5～1.0 MPa，水泥漿液水灰比1∶1。出現串漿時，采用分漿器多孔注漿或堵塞串漿孔隔空注漿；出現注漿壓力突然升高時，應停機查明原因；出現進漿量很大，壓力不變時，則應調整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時間，采用小流量低壓力注漿或間歇式注漿。

圖4 限阻器安裝效果

4.7 噴射混凝土

噴射混凝土分為兩次進行施工:第一次噴射拱架部位，第二次補噴限阻器部位。

噴射混凝土采用濕噴工藝，一次噴射厚度拱部3～5 cm，邊墻6～8 cm，分層噴至設計厚度。為保證初支在限阻器部位變形，限阻器部位未噴射混凝土。在噴射混凝土之前，為防止混凝土進入限阻器中，用防水板對限阻器部位進行遮擋，或在限阻器空隙中填入土工布，待混凝土噴射完后則人工拆除遮擋部位防水板或抽出所填充的土工布，并清理限阻器中的雜物及混凝土。

待監控量測數據穩定后，在二襯施工前對限阻器部位進行補噴。補噴時清理限阻器中的黃土、松散混凝土，清理干凈后噴射C25混凝土至設計厚度。若出現限阻器變形大于15 cm時，對該處限阻器補噴至設計厚度。限阻器補噴結束后及時清除預埋注漿管上回彈砼，待初支混凝土強度達到100%時，進行初支拱頂脫空注漿，注漿漿液采用水泥漿，注漿壓力1～2 MPa。

5 初支監控量測分析

5.1 監測斷面布置

陽山隧道2號斜井小里程開挖方法采用微臺階法，拱頂沉降、水平收斂線1、水平收斂線2按照圖5進行布設。

圖5 監測斷面布置（單位：cm）

5.2 監控量測控制標準

該段圍巖級別為Ⅳ級，初支變形量測斷面間距為5 m。每個斷面拱頂沉降測點1個，水平收斂測線2組，隧道初支結構變形控制標準[12]采用《蒙西華中鐵路隧道施工監控量測實施方案(試行）》(蒙華公司工技〔2016〕92號文）表1～表2標準。

表1 監控量測變形速率控制標準 mm

表2 監控量測累計變形控制標準 mm

5.3 監測數據收集

5.3.1 DK385+030斷面監測數據

DK385+030斷面從2017年9月23日初測，11月13日停測，累計值分別為:拱頂下沉累計40 mm，水平收斂線1累計42 mm，水平收斂線2累計36 mm。

5.3.2 DK385+020斷面監測數據

DK385+020斷面從2017年9月30日初測，11月21日停測，累計值分別為:拱頂下沉累計42 mm，水平收斂線1累計38 mm，水平收斂線2累計10 mm。

5.3.3 DK385+010斷面監測數據

DK385+010斷面從2017年10月6日初測，11月20日停測，累計值分別為:拱頂下沉累計57 mm，水平收斂線1累計38 mm，水平收斂線2累計22 mm。

5.4 監控量測與現場結合分析

監控量測數據顯示，拱頂沉降及周邊收斂均未出現異常值。經現場實際量測拱頂限阻器總變形:DK385+030斷面18 mm，DK385+020斷面106 mm，DK385+010斷面6 mm，但拱頂混凝土未出現剝離、掉塊現象，說明限阻器變形可以吸收來自圍巖的構造應力，控制拱頂開裂、掉塊。

6 其他安全保證措施

為了保證隧道施工安全，陽山隧道引進微震監測技術，對高地應力段落24 h監測，通過對微震事件進行分析，研究其時空分布規律和震級變化規律，達到預警巖爆、崩塌的目的，降低施工風險。

7 結束語

通過合理調整施工方法，采用微臺階與初支拱頂設置鋼板型限阻器相結合的工法，使陽山隧道高地應力造成的拱頂變形、剝落現象得到有效控制，隧道順利貫通，大大提高了高地應力近水平巖層隧道施工安全，同時也驗證了該工法的科學性。