水利工程軟弱圍巖大變形隧洞施工技術(shù)

李永山

（中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南 昆明650200）

0 引言

隨著我國(guó)水利工程建設(shè)的快速發(fā)展，長(zhǎng)距離引調(diào)水工程越來(lái)越多，受地形條件限制，采用隧洞形式的輸水建筑物也越來(lái)越多，復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞修建技術(shù)也在不斷發(fā)展。當(dāng)隧洞通過(guò)高地應(yīng)力、軟弱破碎圍巖等不良地質(zhì)體時(shí)，易出現(xiàn)圍巖大變形、坍塌等后果。

滇中引水工程蔡家村隧洞穿越地質(zhì)斷裂帶，在KM1+160-+KM1+395軟弱圍巖段施工中，前期施工段落出現(xiàn)較大變形、坍塌等情況，文章以該段隧洞變形處理措施為例，總結(jié)軟弱圍巖大變形隧洞處理技術(shù)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

該隧洞屬于滇中引水工程楚雄段蔡家村隧洞，設(shè)計(jì)斷面尺寸8.12×8.78m（寬×高），馬蹄形斷面，設(shè)計(jì)流量95m3/s，為無(wú)壓洞，襯砌采用平壓結(jié)構(gòu)。KM1+160-+KM1+395大變形段由進(jìn)口工區(qū)負(fù)責(zé)施工，施工過(guò)程中變形較大，圍巖呈灰色、灰白色、灰綠色，巖性主要為泥質(zhì)、泥砂質(zhì)板巖，強(qiáng)風(fēng)化-全風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)極軟，呈碎裂結(jié)構(gòu)，碎石角礫狀或塊狀，有少量地下水滲出。

2 圍巖變形情況及變形特征

蔡家村隧洞KM1+160-+KM1+395段施工期間，隧洞變形最大達(dá)83cm，一次支護(hù)變形嚴(yán)重，噴射混凝土開(kāi)裂、剝落，鋼架扭曲、斷裂，墊層底鼓，125m隧洞一次支護(hù)因變形失穩(wěn)拆換，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)變形情況如圖1、圖2所示。

圖1 一次支護(hù)扭曲變形照片

圖2 墊層混凝土底鼓片

變形特征為：

一是大變形段圍巖為軟巖，隧洞埋深150-180m，設(shè)計(jì)階段試驗(yàn)反映該片區(qū)存在較高地應(yīng)力，應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度比值較高。

二是隧洞變形主要表現(xiàn)為擠壓后彎曲變形，在有滲水地段變形明顯加大，軟弱圍巖在地下水作用下持續(xù)軟化，失去自穩(wěn)能力，溜坍時(shí)有發(fā)生。

三是圍巖變形時(shí)間、空間效應(yīng)均表現(xiàn)明顯，圍巖自身變形量較大，掌子面開(kāi)挖造成的圍巖擾動(dòng)對(duì)后方已支護(hù)段落的影響距離大，表現(xiàn)為噴射混凝土開(kāi)裂掉塊、鋼架扭曲，侵入襯砌凈空，墊層混凝土底鼓等。

3 圍巖變形原因分析

隧洞穿越地層為震旦系與前震旦系昆陽(yáng)群，依次為：震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbdn）、下統(tǒng)澄江組（Zac2），昆陽(yáng)群鵝頭廠組（Pt1e）和美黨組板巖段（Pt1m），斷層及褶皺構(gòu)造發(fā)育，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖呈灰色、灰白色、灰綠色，巖性主要為泥質(zhì)、泥砂質(zhì)板巖，強(qiáng)風(fēng)化-全風(fēng)化。大變形段主要為豎向巖層、陡傾分布，在隧洞開(kāi)挖后，周邊巖體中出現(xiàn)剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，剪切圍巖中軟弱夾層，軟弱層被剪切破壞后，影響相鄰側(cè)巖層的破壞、變形，最終導(dǎo)致隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)和破壞，隨著變形的持續(xù)，又重復(fù)之前的剪切、破壞過(guò)程。如圖3所示。

圖3 陡傾巖層變形破壞形式

根據(jù)采取的施工措施及變形特征看，采用8m長(zhǎng)Φ89鋼花管鎖腳及徑向注漿固結(jié)的情況下，隧洞仍出現(xiàn)大量變形，隧洞鋼架環(huán)向凸起、縱向扭曲，噴射混凝土開(kāi)裂、剝落掉塊，墊層底鼓，判斷隧洞周邊圍巖松動(dòng)范圍較大，無(wú)自穩(wěn)能力，周邊圍巖擠壓支護(hù)結(jié)構(gòu)，既有支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度不足造成隧洞變形。

從施工工序及變形關(guān)系看，在不進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)擾動(dòng)圍巖的情況下，變形逐步趨于穩(wěn)定，在隧洞開(kāi)挖擾動(dòng)圍巖后，出現(xiàn)較大變形，且隧洞開(kāi)挖造成的變形影響范圍極大，在距掌子面80m位置仍出現(xiàn)較大收斂變形及墊層底鼓，判斷隧洞周邊存在極高地應(yīng)力，隧洞開(kāi)挖后地應(yīng)力釋放，圍巖壓力重分布，加大支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，從而造成支護(hù)失穩(wěn)變形。

該段隧洞最大變形達(dá)83cm，參考其他行業(yè)大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬最高等級(jí)III級(jí)大變形。綜上所述，蔡家村隧洞KM1+160-KM1+385段為高地應(yīng)力引起的軟巖大變形。

4 大變形隧洞處理技術(shù)

隧洞開(kāi)挖后，既有巖體受開(kāi)挖擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布，在破碎圍巖地層條件下，洞身周圍出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，隨著開(kāi)挖引起圍巖移動(dòng)，加上塑性區(qū)的剪切作用，將產(chǎn)生很大位移，需要及時(shí)支護(hù)才能保持穩(wěn)定。在對(duì)蔡家村隧洞大變形段圍巖變形特征、相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、變形原因等分析后，采取如下技術(shù)措施進(jìn)行處理。

4.1 合理設(shè)置預(yù)留變形量

大變形隧洞施工中，需把變形控制在一定范圍內(nèi)，防止支護(hù)因變形過(guò)大造成失穩(wěn)破壞。施工過(guò)程中，根據(jù)隧洞變形及監(jiān)測(cè)情況，結(jié)合支護(hù)參數(shù)及施工方法合理設(shè)置預(yù)留變形量。蔡家村隧洞大變形段預(yù)留變形量逐步調(diào)整，從最初的15cm調(diào)整至25cm、40cm、60cm、80cm,最后調(diào)整支護(hù)參數(shù)后至30cm。

4.2 調(diào)整支護(hù)參數(shù)

大變形段施工中支護(hù)參數(shù)逐步加強(qiáng)，最初采用I20a鋼架（邊頂拱設(shè)置），間距1.0m,后調(diào)整至0.7m、0.5m，變形值均較大，出現(xiàn)鋼架扭曲、斷裂等現(xiàn)象。后采用I25b鋼架，間距0.5m，支護(hù)變形得到一定控制，仍出現(xiàn)噴射混凝土開(kāi)裂、剝落掉塊現(xiàn)象，最終采用雙層I20a鋼架支護(hù)及墊層增設(shè)鋼架的措施，配合短臺(tái)階法緊跟成環(huán)施工，支護(hù)變形明顯減小，無(wú)異常情況出現(xiàn)。

大變形施工過(guò)程中，采用過(guò)Φ89鋼花管鎖腳錨管（長(zhǎng)8m）、徑向注漿加固等常規(guī)加強(qiáng)措施，變形控制效果不明顯。

4.3 施工方法選擇

大變形段施工過(guò)程中，施工方法的選擇，主要滿足支護(hù)快速成環(huán)、減少圍巖擾動(dòng)、確保施工安全三個(gè)基本條件。蔡家村隧洞大變形段最終選用短臺(tái)階法（三臺(tái)階、臺(tái)階長(zhǎng)度5-10m）及預(yù)留核心土的單工序施工方法。即先開(kāi)挖上臺(tái)階約5m，再開(kāi)挖中、下臺(tái)階約5m，后按先上后下的單工序作業(yè)循環(huán)逐步施工的方法，同時(shí)，墊層混凝土緊跟下臺(tái)階施工成環(huán)。

4.4 及時(shí)施作襯砌

在采取上述施工方法及施工參數(shù)情況下，變形得到有效控制，支護(hù)未出現(xiàn)較大變形，為確保支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖擠壓下失穩(wěn)，及時(shí)施作襯砌鋼筋混凝土，增加支撐結(jié)構(gòu)剛度，保證施工及結(jié)構(gòu)安全。

5 總結(jié)及建議

1）通過(guò)蔡家村隧洞KM1+160-KM1+385大變形段施工，對(duì)隧洞預(yù)留變形量、支護(hù)參數(shù)及施工方法進(jìn)行試驗(yàn)、調(diào)整及驗(yàn)證，最終形成了以雙層型鋼支護(hù)的大變形隧洞施工方案。此方案抵抗變形能力強(qiáng)，后期變形緩慢，是控制變形及保證施工安全的有效方案。

蔡家村隧洞KM1+160-KM1+385段前期平均月進(jìn)尺約20m，施工過(guò)程中支護(hù)參數(shù)不斷加強(qiáng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)部分失穩(wěn)拆換，經(jīng)過(guò)調(diào)整及總結(jié)了施工參數(shù)及施工方法后，后期平均月進(jìn)尺約45m，未出現(xiàn)支護(hù)失穩(wěn)等異常情況，安全順利通過(guò)大變形段。

2）對(duì)于以泥質(zhì)、泥砂質(zhì)板巖為主，巖質(zhì)偏軟的圍巖，應(yīng)根據(jù)隧洞變形情況及監(jiān)控量測(cè)情況適時(shí)調(diào)整施工參數(shù)及施工方法，充分監(jiān)測(cè)圍巖變形過(guò)程，結(jié)合變形特征分析變形原因，對(duì)癥下藥調(diào)整參數(shù)。當(dāng)隧洞整體變形較大時(shí)，為保證施工安全及結(jié)構(gòu)安全，建議采用雙層型鋼支護(hù)加強(qiáng)支護(hù)處理。

通過(guò)采用雙層型鋼加強(qiáng)支護(hù)，短臺(tái)階法及預(yù)留核心土的單工序施工方法，使支護(hù)及時(shí)形成整體受力，減小隧洞拱腰和上下臺(tái)階連接部位受力薄弱、變形較大的情況，保證了隧洞支護(hù)的整體性和穩(wěn)定性，對(duì)抑制軟弱圍巖隧洞變形效果顯著，對(duì)其他類似隧洞施工具有一定參考意義。