組合拱控制破碎片巖隧道大變形技術的應用

郝尚斌

(中鐵十一局集團第一工程有限公司,湖北 襄陽 441104)

0 引言

鄂西北地質條件復雜,隧道施工過程中選擇合適的支護方式控制隧道變形破壞是施工難點,尤其是隧道片巖、斷裂破碎帶等地段受巖層變化、開挖、超前支護、初期支護等影響易導致隧道發生大變形、塌方等嚴重病害[1-2]。

某隧道地處富水弱膠結地層,施工中受突涌水出現土體流動,導致初期支護懸空,產生大變形。王懷正等提出隧道底部雙導洞超前法,采用分部開挖、加強排水、回填注漿等措施,通過數值模擬與現場量測相結合的方法實現隧道變形控制[3]。王超等提出圍巖壓力與鋼架內力存在先增后回彈、最后趨于平緩的規律[4]。張圣強等提出改變隧道曲面形式及隧道開挖方式、增強支護強度等措施,降低紅層隧道軟巖大變形[5-6]。高付才提出三臺階微臺階開挖、型鋼與預應力錨桿聯合支護、控制隧道大變形的措施[7]。張金龍等提出隧道變形呈非對稱性,右邊墻至拱頂范圍內變形較大,右拱肩值最大[8]。李志軍等提出隧道大變形機制為巖體在地應力影響下的力學響應機制,將大變形分為擠壓、膨脹、松散三種類型[9-12]。

以某高鐵隧道(以下簡稱A隧道)工程為例,結合工程現場,研究破碎片巖段大變形控制技術,對初支結構應力進行監測,總結出適合片巖破碎段隧道施工的支護方法,為類似工程施工提供技術參考。

1 工程概況

該隧道全長6495.7 m,共設進口、橫洞、出口斜井三個工區,分4個掌子面進行施工,其中隧道橫洞位于某村南側,長334 m,與正洞85°相交,橫洞工區負擔任務與大里程段共計3016 m。全隧設計Ⅲ級圍巖670 m、Ⅳ級圍巖4460 m、V級圍巖1365.7 m。其中,Ⅲ級圍巖占比10.3%、Ⅳ級圍巖占比為68.7%、V級圍巖占比21%。

1.1 地質特點

A隧道施工中揭露圍巖隧道洞身通過的地層主要為中元古界武當山群第一至第三巖組片巖、變粒巖,構造巖類主要為壓碎巖、片巖,淺灰色為主,主要成分以石英、長石、云母、綠泥石為主,呈斑狀變晶結構、片狀構造、薄層狀。

隧道范圍內主要發育褶皺構造與節理構造。線路穿越一個次級背斜,受褶皺構造及斷裂構造影響,區內巖層產狀多變,巖體一般三組節理、裂隙發育,并在洞身發育有節理密集帶。

1.2 水文情況

地表水特征。隧道通過水系區域屬漢江水系,洞頂經過各溝谷經實地調查無常年流水,僅有季節性流水,經過區域內溝谷發育,地表植被覆蓋好。

地下水特征。根據地層巖性的組合特征及含水介質特征,地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂原水。松散巖類孔隙水主要賦存于第四系松散層中,分布于溝谷沖、洪積層及殘坡積層中。基巖裂隙水含水巖組主要為中元古界武當山群第一至第三巖組片巖夾變粒巖。松撒巖類孔隙水與基巖裂隙水主要接受大氣降水補給,動態隨季節變化明顯。

1.3 施工難點

該隧道施工存在以下施工難點:圍巖抗壓強度低,開挖后自穩性差。圍巖遇空氣風化快,遇水后軟化。原有的隧道支護參數不能保證隧道初支穩定,出現支護變形。隧道現場大變形如圖1、圖2、圖3、圖4。

圖1 核心土崩裂Fig.1 Core soil collapse

圖2 邊墻處初支開裂Fig.2 Initial support of the cracked side wall

圖3 掌子面溜塌Fig.3 Palm has fallen

圖4 拱頂初支剝落Fig.4 The first branch of the vault has fallen off

2 片巖破碎段隧道施工方法

2.1 原施工參數

A隧道Ⅳa原施工采取25 cm厚C25噴射混凝土,1.2 m間距格柵鋼架,3.5 m長φ22 mm砂漿錨桿,預留沉降量10 cm,具體參數見表1。

表1 隧道片巖破碎段原支護參數Tab.1 Original supporting parameters of fractured schist section of tunnel

現場施工出現以下問題:上臺階初期支護完成后,收斂變形大于5 cm/d;初支混凝土開裂、掉塊;鎖腳錨管下沉變形,無法承受初支背部圍巖壓力;掌子面圍巖揭露后,拱頂與邊墻發生圍巖溜塌,破碎體圍巖自穩性差。

現場施工調整預留沉降量至50 cm,但破碎片巖段仍然存在初支侵限,導致初支換拱,隧道貫通節點時間滯后。

2.2 調整施工參數與方法

對于隧道破碎片巖段存在的開挖及支護問題,調整開挖工法,增強隧道支護參數。隧道由臺階法開挖工法調整為三臺階預留核心土開挖法,增強掌子面穩定性。初期支護由格柵鋼架調整為I22a鋼拱架,間距由1.2 m/榀調整為0.6 m/榀。根據監控量測結果預留沉降量擴大至50 cm,C25噴射混凝土厚度由25 cm調整為28 cm,45 cm厚二襯C30鋼筋混凝土調整為60 cm。初支φ22 mm砂漿錨桿長度由3.5 m調整為4 m;鎖腳錨管采用雙排φ42 mm注漿小導管,重筑組合拱增強支護結構穩定性。鋼拱架之間采用I16焊接,增加鋼架整體穩定性。超前小導管環向間距40 cm,每循環施作46根,單根長度4.5 m,縱向間距3 m(6榀拱架),搭接1.5 m。

A隧道破碎片巖段支護困難,采用地質雷達與TSP等超前地質預報方法預判掌子面前方圍巖狀況,選擇適宜的施工參數與施工方法。破碎片巖無水段注漿采用水泥凈漿方式進行超前支護、縮腳錨桿加固,富水段改用水泥漿+水玻璃雙液漿加固。

2.3 超前支護與注漿措施

根據破碎片巖松散體分布及圍巖富水情況,采用懸挑式超前小導管技術、富水段水泥漿+水玻璃雙液漿技術穩定開挖面。

懸挑式超前小導管。現場超前小導管施工中,在掌子面端頭鋼拱架腹板開設超前小導管孔,將超前小導管穿過腹板,超前前端搭接于圍巖內。受片巖破碎體荷載作用,掌子面開挖后出現溜塌,鋼拱架變形,超前支護失效。為防止下一榀拱架開挖時頂部松散堆積體溜塌,在第一榀鋼架后方第二榀位置施作懸挑式超前小導管,更改超前小導管簡支梁結構為懸臂結構,提升鋼拱架結構完整性、穩定性。懸挑式φ42 mm超前小導管環向間距15 cm,長度4.5 m。

超前注漿固結。懸挑式超前小導管鉆安完成后,利用超前小導管進行注漿加固片巖破碎體,富水段采用注水泥漿+水玻璃雙液漿,將超前小導管錨固于破碎圍巖體內,超前小導管周圍破碎巖體黏結一體,初步形成支撐拱結構,避免了掌子面開挖后圍巖坍塌。其中,水泥漿配合比為水泥∶水=1∶0.8,水玻璃∶水=1∶2,水泥漿與水玻璃體積比為水泥漿(0.8)∶水玻璃=1∶0.5(體積比),注漿壓力為0.5～1 MPa。根據掌子面涌水狀況動態調整水泥漿水灰比,涌水量較大地段水泥漿水灰比為0.5,涌水量較小地段水泥漿水灰比為0.8,富水段雙液漿凝固時間控制在42 s。

2.4 隧道開挖與支護措施

隧道破碎片巖段原開挖方式為臺階法開挖,改進后采用三臺階預留核心土法,上臺階高度3 m,中下臺階高度2.5 m,其中中下臺階根據破碎體溜塌情況動態調整每次開挖臺階高度。上臺階核心土占上臺階掌子面面積50%,核心土為上臺階拱架安裝提供平臺,核心土的留存保證了掌子面穩定。

開挖方法。采用鉆爆方法,爆破振動擾動掌子面圍巖穩定,增加了掌子面圍巖溜塌風險,采用機械方式開挖,利用破碎錘與挖機相配合的方式進行機械開挖,較好地控制了圍巖超挖量,保證了掌子面穩定。

鋼拱架長度動態調整。中下臺階開挖時,受初支背部松散破碎體的影響,中下臺階無法按照設計臺階高度成型,根據實際開挖臺階高度動態調整初支鋼拱架長度,至鋼拱架落底。

排水固結大鎖腳補強。富水段初支鋼架采用φ42 mm鎖腳錨桿注水泥+水玻璃雙液漿加固。在中臺階與下臺階拱架連接處增設長度6 m、φ89 mm熱軋無縫鋼管作為加強大鎖腳。加強鎖腳搭設完成后作為初支背部排水通道,待涌水量降低后,后期對鎖腳注漿加固,增加鎖腳強度。

注漿小導管重筑組合拱。原有砂漿錨桿鉆孔在松散體內無法成孔,砂漿錨桿在松散體內無法形成錨固支撐結構。故破碎片巖段原有φ22 mm砂漿錨桿調整為φ42 mm注漿小導管,注漿小導管長度3.5 m,環向×縱向間距為0.8 m×1.0 m。富水段注水泥+水玻璃雙液漿,雙液漿參數與富水段超前注漿相同,無水段改用1∶1水泥凈漿固結加固。環向注漿小導管注漿后將初支背部松散體固結呈環形拱狀結構,注漿小導管錨固于固結體內,形成組合拱結構,降低初支結構受力,避免初支變形、破壞。

3 初期支護監測

隧道破碎片巖段初支鋼架安裝后緊貼圍巖面安裝土壓力盒。噴射混凝土完成后布設沉降觀測點,對破碎段進行監測。

3.1 沉降變形監測分析

在隧道拱頂、上下臺階位置對稱布置沉降觀測標,定期采集數據。繪制沉降觀測數據變化曲線,見圖5。

圖5 監控量測數據Fig.5 Monitoring measurement data

根據測量數據曲線分析,拱頂沉降數據在第9 d趨于穩定,累計沉降變形數值約130 mm,中下臺階監測點位移在第10 d收斂,最終趨于穩定。初支結構采用調整后的施工參數與施工方法保證了穩定性,為襯砌封閉成環施工提供了安全保障。

3.2 初支受力監測分析

結合現場監控量測點位的布設位置,在鋼支撐背部圍巖面上布置土壓力盒,在上中臺階縮腳位置各布置1處,拱頂布置1處,記錄初始壓力盒數值,初支混凝土噴射完成后定期測量土壓力盒數據。土壓力布置點及現場安裝見圖6。

圖6 土壓力盒點位布置(左)與設備安裝(右)Fig.6 Earth pressure box location (left) and equipment installation (right)

根據數據監測結果繪制不同位置土壓力盒數據變化曲線,見圖7。

圖7 不同位置土壓力盒點監測數據曲線Fig.7 Monitoring data curves of earth pressure box points at different locations

根據土壓力盒監測數據曲線變化規律可知,拱頂監測點壓力最大,最后穩定時達到293 kPa,上臺階左右側拱腳壓力值最大190 kPa,而中臺階左側拱腳壓力值最大為89 kPa。土壓力盒監測應力在第10 d后變化率降低,表明支護結構背部圍巖變形趨于穩定。

3.3 監測數據分析

通過分析應力監測數據可知,中臺階壓力小于上臺階壓力,上臺階施工中徑向注漿形成了組合拱,加上補強縮腳錨固作用,在中臺階開挖過程中,上臺階已形成穩定結構,故壓力數值較小。壓力監測數據變化與沉降變形觀測數據變化規律相符,表明調整后支護結構能有效控制破碎片巖段大變形。

4 結論

在隧道軟弱破碎段,圍巖自穩性差,改變超前小導管受力狀態,進行注漿加固破碎體,是保證掌子面安全開挖的有效措施。改進注漿小導管在松散破碎體中的受力狀態,富水段采用水泥漿+水玻璃雙液漿固結,形成組合拱結構,改善隧道拱部應力分布狀態,可降低隧道初期支護結構變形量。動態控制破碎段臺階開挖高度,增設補強大鎖腳,兼顧初支背部排水泄壓,大鎖腳注漿固結,進一步提升了上臺階初支結構及組合拱的穩定性,有效降低了隧道工程沉降變形。