大跨度軟弱圍巖隧道變形控制技術(shù)

劉立明

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司土建院，天津 300142)

大跨度軟弱圍巖隧道施工一直是個工程上的技術(shù)難題，由于圍巖軟弱、開挖跨度大，使得圍巖的穩(wěn)定性難以控制，施工控制不當(dāng)?shù)脑捒赡艹霈F(xiàn)大變形、塌方冒頂或邊仰坡垮塌等事故。尤其是結(jié)構(gòu)高跨比較小的隧道，其呈現(xiàn)出的扁平狀更加不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，扁平狀洞室開挖后很容易降低圍巖穩(wěn)定性，集中圍巖的應(yīng)力，相對地增大了其松弛壓力，當(dāng)圍巖變形應(yīng)力超過支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的內(nèi)力時，便會直接威脅到隧道的施工安全。因此，對于超大斷面隧道，特別是在淺埋軟弱圍巖條件下修建大斷面隧道，選擇一種合理的施工方法及相應(yīng)的支護(hù)體系對于安全、經(jīng)濟、快速地進(jìn)行隧道施工具有十分重要的意義。

新建京沈與盤營客專聯(lián)絡(luò)線工程燕都隧道，進(jìn)口段受京沈客專朝陽北站疏解方案及線路曲線影響，隧道內(nèi)線間距由8.4 m漸變至5.0 m。隧道最大開挖斷面寬18.2 m，開挖面積215 m2，埋深17.6 m，隧道穿越土層有人工填土、粉質(zhì)黏土、泥巖、砂巖、礫巖等。本項目在設(shè)計過程中，根據(jù)燕都隧道地質(zhì)、水文、地形條件的特點，提出一套適用于大跨度軟弱圍巖隧道開挖的新方法，即爆破控制、多層次強支護(hù)和三臺階法開挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)，有效地解決了大跨度淺埋軟弱圍巖隧道下穿建筑物而引起的地面變形過大、施工風(fēng)險過高等問題，為未來類似工程的建設(shè)提供了借鑒。本文將結(jié)合燕都隧道的特點，對爆破控制、多層次強支護(hù)和三臺階法開挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的論述。

1 工程概況

燕都隧道位于遼寧省朝陽市雙塔區(qū)燕都鎮(zhèn)姜家窩鋪村境內(nèi)，為單洞雙線隧道，隧道進(jìn)口里程為DIK4+868，出口里程為DIK6+000，全長1132 m。隧道位于低山丘陵地區(qū)，地形稍有起伏，植被較發(fā)育，多辟為耕地，隧道最大埋深52.91 m，在DIK5+310～DIK5+370 m處下穿既有環(huán)城公路。

隧道沿線地表周邊為某部隊?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練用地、朝陽市環(huán)城公路等。線路走行區(qū)地下管線較密集，主要有天然氣管線、雨水管及通信管線，基本沿環(huán)城公路路側(cè)分布。隧道洞身下穿既有環(huán)城公路、人行天橋及改移道路等構(gòu)筑物情況詳見表1。

表1 燕都隧道穿越既有環(huán)城公路、人行天橋等構(gòu)筑物情況統(tǒng)計

隧道區(qū)范圍內(nèi)表覆第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)粉質(zhì)黏土，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系上統(tǒng)九佛堂組(J3jf)砂巖、礫巖，巖層產(chǎn)狀160°∠19°。隧道區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水。基巖裂隙潛水分布較廣，以淺部為主，含于基巖風(fēng)化帶、風(fēng)化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中，水位和水量受季節(jié)降雨量影響明顯。

隧道進(jìn)口DK4+896～DK4+936段采用大跨路塹式明洞襯砌(內(nèi)輪廓標(biāo)準(zhǔn)線間距D=8.0 m)，填土高度不大于4 m。隧道進(jìn)口DIK4+936～DIK5+400段線間距由7.5 m漸變至5.0 m，漸變段長度464 m。綜合考慮大跨度變截面暗挖隧道地質(zhì)條件、工程風(fēng)險、近接構(gòu)筑物影響及施工難度等因素，將隧道進(jìn)口大跨暗挖段劃分為5個段落，具體情況如圖1所示。

2 大跨度軟弱圍巖隧道變形控制方法

對于大跨度軟弱圍巖隧道來說，選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ㄓ葹橹匾羰┕し椒ㄟx擇不當(dāng)，將會極大促進(jìn)隧道大變形的產(chǎn)生，隧道施工方法、支護(hù)措施以及支護(hù)強度將直接決定大變形的發(fā)生。

2.1 控制爆破

掌子面前方巖體在未受到施工擾動時，處于初始應(yīng)力狀態(tài)。隨著隧道的開挖，受掌子面向前推進(jìn)和隧道爆破開挖的影響，巖體受到擾動，初始應(yīng)力場的平衡被打破，洞周巖體初始地應(yīng)力的大小和主應(yīng)力方向均會在一定程度上發(fā)生調(diào)整。尤其對于軟弱圍巖隧道，受開挖影響產(chǎn)生的松動區(qū)和塑性區(qū)范圍較大，圍巖的力學(xué)參數(shù)迅速降低，應(yīng)力重分布的結(jié)果往往會超過圍巖的承載力，這也就形成了變形失控的結(jié)果。在隧道開挖的過程中采用控制爆破的方式，減小對圍巖的擾動，保持圍巖的完整程度，對于控制大跨度軟弱圍巖隧道的變形尤為重要。

圖1 進(jìn)口線間距漸變段平面示意

2.2 多層次強支護(hù)

采用多層次強支護(hù)施工，先開挖斷面并施作相應(yīng)的支護(hù)，緊貼初期支護(hù)的松散巖體隨著第一層初期支護(hù)共同變形，力學(xué)參數(shù)增長恢復(fù)過程相對較慢，形成一定的壓密區(qū)。隨著第二層鋼架的施作，初期支護(hù)的支護(hù)強度大大提高，圍巖的變形受到支護(hù)反力增強，巖體力學(xué)參數(shù)被快速提高。隨著仰拱施作，初期支護(hù)閉合成環(huán)，壓密區(qū)受到的擠壓作用力逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖變形速率大幅減小，巖體力學(xué)參數(shù)增長速率逐漸減小，從而圍巖與支護(hù)體系達(dá)到了平衡狀態(tài)。在整個開挖—支護(hù)的過程中，隨著圍巖變形、破壞的發(fā)展，多層次強支護(hù)的支護(hù)方法將圍巖應(yīng)力向深部進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。

2.3 臺階法施工

采用臺階法施工，隧道斷面一次成型，通過加強永久支護(hù)的方式控制隧道圍巖變形，減少了拆換臨時支護(hù)的工序。若對大跨度隧道采用分?jǐn)嗝骈_挖時，臨時支護(hù)的拆除會打破支護(hù)結(jié)構(gòu)的平衡，破壞原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡，不利于充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，對于最終變形的控制，效果并不明顯，且臨時支護(hù)的施作不利于隧道內(nèi)快挖快支作業(yè)。臺階法配合控制爆破+多層次強支護(hù)的綜合施工技術(shù)適用于大跨度軟弱圍巖隧道的施工環(huán)境，可有效控制隧道變形，在確保施工質(zhì)量的同時，達(dá)到了安全且經(jīng)濟的效果。

3 燕都隧道施工方案

3.1 開挖工法

為保證燕都隧道的安全修建，在下穿既有建筑物地段采用三臺階法施工，同時優(yōu)化上臺階開挖高度，最終上臺階開挖高度4 m，一次開挖2榀鋼架間距，中臺階高度3.6 m，下臺階高度3.8 m，中、下臺階一次開挖進(jìn)尺均為1.2 m，如圖2所示。

圖2 燕都隧道三臺階法開挖示意(單位:cm)

圖3 燕都隧道復(fù)合式襯砌斷面(單位:cm)

3.2 施工順序

燕都隧道采用復(fù)合式襯砌斷面形式，如圖3所示，隧道施工順序為：

(1)開挖上臺階，上臺階高4 m，采取控制爆破+機械開挖相結(jié)合方式進(jìn)行施工，同時加強對燃?xì)夤芫€附近地表的監(jiān)測。

(2)開挖完成后，安裝鋼拱架與鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行超前支護(hù)，噴射混凝土混凝土至設(shè)計厚度進(jìn)行初期支護(hù)，最后根據(jù)要求施作系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿。

(3)繼續(xù)開挖上臺階，若下一次開挖上臺階后將與中臺階距離超過5 m，則停止開挖。

(4)開挖中臺階，中臺階兩側(cè)錯開施工，左右側(cè)縱向間距不小于3 m，中臺階與下臺階縱向間距控制在5～10 m。

(5)施作第二層初期支護(hù)，每個循環(huán)施作4～6榀鋼架，并在拱腳位置處施作鎖腳錨桿。

(6)開挖下臺階，下臺階兩側(cè)錯開施工，左右側(cè)縱向間距不小于3 m。下臺階兩層初期支護(hù)分層次進(jìn)行鋼架安裝，鋼筋網(wǎng)安裝和初期支護(hù)混凝土噴射。

(7)開挖深埋中心水溝，深埋中心水溝一次開挖長度不大于5 m。

(8)開挖隧底，施作鋼拱架進(jìn)行封閉成環(huán)。

(9)施作仰拱及仰拱填充。

(10)施作防水及二次襯砌。

3.3 控制爆破方案

燕都隧道實施光面爆破設(shè)計，不僅有利于圍巖穩(wěn)定，避免超、欠挖，同時具有減振的作用。為了充分發(fā)揮炸藥的最大爆破效率和減小對圍巖的破壞，周邊孔采用小直徑藥卷不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，并采用導(dǎo)爆索藥串引爆。采用的炸藥為低爆速(爆速2 000 m/s)或小直徑藥卷(25 mm或32 mm的藥卷)類型，采用這類炸藥與這種裝藥方式就可以達(dá)到良好的光面爆破效果。

根據(jù)現(xiàn)場實際開挖斷面及高度，制定相應(yīng)鉆孔參數(shù)，輔助炮眼交錯均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深20 cm，采用直孔掏槽。嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，采用間隔裝藥，使藥量沿炮眼全長均勻分布，導(dǎo)爆索起爆(圖4)。

圖4 炮孔布置示意

4 施工監(jiān)測及效果分析

4.1 爆破監(jiān)測

(1)測點處質(zhì)點振動能真實反映爆破振動對被保護(hù)燃?xì)夤芫€的影響。

(2)測點處介質(zhì)振動須排除其他振動的影響。

(3)在燃?xì)夤芫€附近地面布置測點。

(4)若需獲得振動衰減規(guī)律，測點至爆源距離按近密遠(yuǎn)疏的對數(shù)規(guī)律布置。

(5)根據(jù)測振結(jié)果來驗證控制爆破振動的效果，如出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)值異常，應(yīng)分析原因及時調(diào)整。

4.2 變形監(jiān)測

地面沉降直接在地表布置監(jiān)測點，通過測量位移監(jiān)測沉降。

洞內(nèi)變形監(jiān)測點的埋設(shè)方法和拱頂下沉監(jiān)測點的埋設(shè)方法相同；圍巖周邊收斂點與拱頂下沉監(jiān)測點布置在同一斷面上，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)合監(jiān)控量測點位埋設(shè)要求及現(xiàn)場施工現(xiàn)狀，對于三臺階開挖方法，凈空變化設(shè)置的高度為臺階底以上1.5 m，如圖5所示。

圖5 隧道監(jiān)控量測測點布置

4.3 監(jiān)測結(jié)果分析

對隧道開挖爆破進(jìn)行監(jiān)測：隧道在不同里程爆破開挖產(chǎn)生的質(zhì)點最大震動速度均小于5.5 cm/s，滿足規(guī)范要求，表明燕都隧道施工控制爆破措施有效。

對隧道洞內(nèi)變形進(jìn)行監(jiān)測：洞內(nèi)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)最大的位置產(chǎn)生在DK5+080處，最大拱頂沉降為21.9 mm；洞內(nèi)收斂值最大位置產(chǎn)生在DK4+975處，最大收斂值為26.2 mm。兩處圍巖均穩(wěn)定，不影響正常施工。

對隧道地表上方環(huán)城公路左右邊坡和路肩分別進(jìn)行沉降觀測：其中左側(cè)邊坡坡頂累計沉降量最大值1.5 mm，坡腳累計沉降量最大值1.3 mm；右側(cè)邊坡坡頂累計沉降量最大值1.4 mm，坡腳累計沉降量最大值1.3 mm；左側(cè)路肩累計沉降量最大值0.4 mm，右側(cè)路肩累計沉降量最大值0.2 mm。根據(jù)設(shè)計中對周邊環(huán)境檢測項目控制值的要求，周邊環(huán)境穩(wěn)定，變形均控制在容許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文通過對大跨度軟弱圍巖隧道結(jié)構(gòu)受力特點的認(rèn)識，并結(jié)合燕都隧道的施工技術(shù)與經(jīng)驗，形成了大跨度軟弱圍巖隧道變形控制關(guān)鍵技術(shù)。主要包括以下幾點：

(1)本文結(jié)合新建京沈與盤營客專聯(lián)絡(luò)線燕都隧道的設(shè)計與施工情況，從設(shè)計的角度介紹了一種適用于復(fù)雜環(huán)境下大跨度軟弱圍巖隧道修建技術(shù)——控制爆破、多層次強支護(hù)和三臺階法開挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)。

(2)從施工力學(xué)角度闡述了軟弱圍巖隧道巖體力學(xué)參數(shù)隨施工的動態(tài)演化過程，并提出“多層次強支護(hù)臺階法”的施工理念；基于燕都隧道的成功實施，從能量釋放和軟弱圍巖支護(hù)原理角度，提出控制爆破、多層次強支護(hù)和三臺階法開挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)。

(3)燕都隧道大跨度段的成功開挖表明，采用控制爆破、多層次強支護(hù)和三臺階法開挖相結(jié)合施工方案是可行的，達(dá)到了控制大跨度軟弱圍巖隧道變形和安全施工的目的。

(4)本施工技術(shù)將開挖方法與支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理組合，成功地解決了復(fù)雜環(huán)境下大跨度軟弱圍巖隧道修建時變形難以控制的技術(shù)難題，拓展了隧道建設(shè)新思路，建立了隧道建設(shè)新方法。