緩傾順層圍巖超大斷面隧道長錨桿作用機(jī)理及施工技術(shù)

王海軍

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原030032)

緩傾巖層的情況廣泛分布在我國西北、西南地區(qū)，隨著我國西部高速交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，修建穿越緩傾地層的大斷面隧道成為不可避免的技術(shù)難題。

軟巖具有變形量大，變形速度快，持續(xù)時間長等特點[1]，因此在軟巖中修建隧道極易發(fā)生大變形災(zāi)變，同時帶來的將會是初期支護(hù)的破壞，給隧道施工帶來不可估量的損失[2]。蘭渝鐵路木寨嶺隧道出現(xiàn)大面積開裂、掉塊、侵限現(xiàn)象，為確保施工及運營結(jié)構(gòu)安全，施工中采取了大量技術(shù)措施對正洞約5 470m初期支護(hù)拆換和約1 808m二襯拆除及重新施作[3-4]。中老鐵路會富萊隧道優(yōu)化初期支護(hù)措施、合理增加變形量，同時采用短臺階快速初支成環(huán)施工工藝，有效控制了圍巖變形[5]。麗香鐵路圓寶山隧道采用長錨桿、工字鋼及厚噴混凝土的方式對大變形段進(jìn)行拆換處理[6]。

對于地質(zhì)條件差，圍巖自支護(hù)能力弱，開挖掌子面的自穩(wěn)時間短的隧道，為避免開挖后發(fā)生過大變形或崩塌，施工過程強(qiáng)調(diào)“快”，盡量縮減單項作業(yè)時間[7]。而于軟巖大變形隧道中的錨桿支護(hù)而言，其施工質(zhì)量和速度則主要取決于施工機(jī)具和工藝。現(xiàn)今，國內(nèi)大多數(shù)隧道仍采用手持式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，如桃樹坪隧道采用的YG-80 液壓鉆機(jī)[8]，康家臺隧道采用的XY-28-300 電動鉆機(jī)鉆孔[9]，那馬隧道采用的MGJ-500 鉆機(jī)[10]。然對于軟巖大變形隧道中的長錨桿施工，上述機(jī)械設(shè)備普遍存在施工功效低的問題。

為此，以高坡隧道大變形段為工程背景，首先通過數(shù)值模擬軟件對錨桿長度進(jìn)行優(yōu)化分析，在確定了錨桿長度的情況下選用ZYS113全電腦三臂鑿巖臺車進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以期最終實現(xiàn)基于臺車式鉆機(jī)應(yīng)用的長錨桿快速施工。

1 工程概況

成貴鐵路高坡隧道位于云南省鎮(zhèn)雄縣黑樹鎮(zhèn)與貴州省畢節(jié)市何官屯鎮(zhèn)交界處，橫穿省界及赤水河、烏江的分水嶺，全長7 939m，隧道最大埋深約445m，為高瓦斯隧道，采用“2橫洞+主副斜井+洞身平導(dǎo)+1通風(fēng)豎井”輔助坑道方案組織施工，平導(dǎo)位于正洞右側(cè)，長4 928.54m。D3K342+060～D3K343+202.4段穿越二疊系龍?zhí)督M(P2L)煤系地層，長1 142.4m，巖性主要為砂巖、泥巖、炭質(zhì)頁巖、鋁土巖夾煤層，薄層狀為主，巖層產(chǎn)狀平緩，埋深300～445m。隧區(qū)位于云貴高原北部揚(yáng)子準(zhǔn)地臺滇東臺褶帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。斷裂、褶曲均比較發(fā)育，地層巖體破碎，以東西向構(gòu)造為主，線路多大角度穿越構(gòu)造線。

2 隧道變形破壞特征

2.1 襯砌破壞情況

隧道開工初期采用Va設(shè)計進(jìn)行施工，后出現(xiàn)嚴(yán)重變形，同時出現(xiàn)仰拱上鼓、開裂，邊墻開裂、拱頂砼剝落掉塊、鋼筋彎曲情況。襯砌開裂與仰拱上鼓情況如圖1、圖2所示。

圖1 鋼架扭曲及襯砌開裂

圖2 仰拱上鼓及拱頂開裂

2.2 圍巖變形特征

洞內(nèi)變形主要為拱頂沉降和仰拱底鼓，且裂縫基本為縱向發(fā)育。

變形趨勢拱頂下沉，仰拱向上，沿緩傾巖層法向變形，同時兩側(cè)向內(nèi)收斂。變形量較大，縱向影響范圍廣。變形受洞室影響大，表現(xiàn)為平導(dǎo)靠近橫通道附近鋼架扭曲變形，仰拱底鼓嚴(yán)重；7#橫通道附近平導(dǎo)最大上鼓達(dá)到80.34cm靠正洞側(cè)變形內(nèi)鼓最大約1.8m；正洞靠近橫通道附近上鼓5.9～39.54mm，二襯拱部掉塊；綜合洞室開裂，與正洞二襯交接處二襯鋼筋變形如圖3所示。

2.3 圍巖大變形原因分析

對高坡隧道發(fā)生大變形分析原因有以下三點：

(1)隧道深埋較大，具有較高地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力。

(2)砂巖泥巖屬于軟質(zhì)巖類及緩傾層狀圍巖結(jié)構(gòu)。

(3)洞群效應(yīng)及施工過程不規(guī)范等綜合因素。

3 錨桿應(yīng)用效果分析

3.1 模型建立

本節(jié)模擬擬采用Flac3D有限差分軟件，建立三維地層結(jié)構(gòu)模型，模型尺寸120m×100m×30m，模型如圖4所示。以實測初始地應(yīng)力豎向9MPa，水平7.9MPa為應(yīng)力邊界條件施加在模型豎向及水平向，巖體及襯砌結(jié)構(gòu)為實體單元，錨桿為結(jié)構(gòu)單元，巖體采用遵循莫爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性模型，錨桿與襯砌為彈性模型，巖體參數(shù)如表1所示，支護(hù)參數(shù)如表2所示，錨桿參數(shù)如表3所示。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道處變形平面情況

圖4 計算模型

表1 巖體參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 錨桿支護(hù)參數(shù)

3.2 工況設(shè)置

采取圓形襯砌結(jié)構(gòu)，考慮不同長度錨桿作用，工況設(shè)置如表4所示。

表4 工況設(shè)置

3.3 計算結(jié)論

(1)無支護(hù)條件下開挖平導(dǎo)后再開挖正洞，計算不能達(dá)到平衡，圍巖變形過大失去自穩(wěn)能力。

(2)在當(dāng)前高地應(yīng)力、巖質(zhì)較軟條件下，兩洞開挖存在一定相互影響，并且后行洞對先行洞的影響較大。

(3)設(shè)置錨桿能減小位移和襯砌內(nèi)力，隨著錨桿長度的增加，錨桿內(nèi)力呈現(xiàn)出增加的趨勢，長度在一定范圍內(nèi)時，增大錨桿長度，內(nèi)力增長較快，但是超過一定范圍后加大錨桿長度，內(nèi)力增長較小，計算錨桿長度取8～12m較為適宜。

(4)正洞采用單層初支時，最大主應(yīng)力均超出混凝土的抗壓強(qiáng)度，采用雙層初支后能滿足檢算要求。

3.4 處置措施

根據(jù)目前地質(zhì)條件及為確保措施可靠，避免再次重復(fù)處理，本次設(shè)計按嚴(yán)重大變形考慮。采用雙層初期支護(hù)+12m長錨桿對高坡隧道進(jìn)行拆換處置，具體支護(hù)參數(shù)如表5所示。

表5 變更支護(hù)參數(shù)

4 長錨桿快速安裝技術(shù)

4.1 工藝原理

通過鐵建重工ZYS113全電腦三臂鑿巖臺車施工水平鉆孔的原理，更換鑿巖機(jī)鉆桿為錨桿體，并改造釬尾裝置，結(jié)合推進(jìn)梁和設(shè)計錨桿長度，選擇合理的錨桿體組合型式，結(jié)合隧道地質(zhì)條件、鉆進(jìn)效率、損耗、適用性及經(jīng)濟(jì)性，確定經(jīng)濟(jì)適用的鉆頭、連接套以及鑿巖機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)等，徑向施工自進(jìn)式系統(tǒng)長錨桿。

施工流程見圖5。

圖5 施工流程

4.2 操作要點

4.2.1 施工準(zhǔn)備

熟悉圖紙、規(guī)范，了解隧道地質(zhì)條件；施工水、電布設(shè)，鑿巖臺車整機(jī)功率325kW，鉆孔用水不小于30m3/h；根據(jù)錨桿環(huán)、縱向間距在初支噴射混凝土表面布點。

4.2.2 錨桿鉆進(jìn)

組裝鉆頭、錨桿體、連接套，連接鑿巖臺車釬尾推進(jìn)裝置，進(jìn)行錨桿鉆進(jìn)施工，利用操作平臺進(jìn)行人工接桿，在鉆進(jìn)完成后，用木楔臨時楔緊錨固。

4.2.3 錨桿注漿

根據(jù)現(xiàn)場試驗，注漿以PO42.5普通水泥單液漿為主，水泥漿水灰比0.8∶1，根據(jù)現(xiàn)場漏漿情況，對部分注水泥水玻璃雙液漿，水玻璃波美度=40，水泥漿∶水玻璃漿液為1∶1，注漿終孔壓力控制在1.5～2MPa。

4.2.4 錨墊板及螺母安裝

根據(jù)GB50086-2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求，自鉆式錨桿水泥漿體強(qiáng)度達(dá)5MPa后，可上緊螺母。根據(jù)現(xiàn)場同條件水泥漿試塊試驗，確定錨墊板及螺母安裝時間。

4.2.5 錨桿質(zhì)量檢驗

根據(jù)JGJ/T182-2009《錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)規(guī)程》要求，委托有資質(zhì)的第三方對錨桿錨固質(zhì)量按錨桿總數(shù)量的10 %進(jìn)行無損檢測。根據(jù)錨桿密實度和長度進(jìn)行錨固質(zhì)量綜合評定。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場在對出現(xiàn)災(zāi)害初期支護(hù)進(jìn)行拆換并打設(shè)12m長錨桿后，有效控制了隧道變形情況，襯砌開裂、掉塊現(xiàn)象沒有再次發(fā)生。長錨桿的應(yīng)用與其施工技術(shù)可在類似的軟巖大變形隧道中借鑒使用。