敘畢鐵路軟弱破碎圍巖隧道初期支護大變形治理技術(shù)

劉強 梁辰

摘要 鐵路隧道施工建設(shè)過程中，途中經(jīng)過軟弱破碎圍巖段時，易發(fā)生支護大變形、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，給隧道建設(shè)帶來巨大影響。文章結(jié)合敘畢鐵路斑竹林隧道淺埋段隧道施工實例，通過分析地形地質(zhì)等形成原因，提出了地表全斷面注漿、超前地質(zhì)預(yù)報、支護、二次襯砌、防排水以及及時監(jiān)控量測等綜合處理方法，使隧道初期支護大變形得到安全有效的施工方法。

關(guān)鍵詞 隧道；支護；變形；治理

中圖分類號 U445文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0066-03

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，大量隧道工程的建設(shè)給軟巖、破碎圍巖地區(qū)鐵路隧道的建設(shè)帶來了諸多挑戰(zhàn)，大變形已經(jīng)成為隧道工程建設(shè)中最常見的一種問題。隧道初期支護在軟弱破碎圍巖地區(qū)遇到的問題主要有圍巖自穩(wěn)能力差、開挖后產(chǎn)生較大變形、初期支護易發(fā)生變形失穩(wěn)等[1]。其中，軟弱破碎圍巖隧道在開挖過程中常會出現(xiàn)大變形，從而使工程建設(shè)難以順利進行。因此，需要采取相應(yīng)措施對隧道大變形進行治理，而初期支護大變形治理技術(shù)是隧道工程施工中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

1 工程概況

斑竹林隧道淺埋段D2K230+910～D2K231+185，長275 m。D2K230+910～D2K231+185淺埋段屬低中山侵蝕地貌，地形連綿起伏，自然斜坡一般15 °～40 °，局部陡峻。基巖出露狀況一般，地表植被較發(fā)育，多為林地、灌木林、旱地。淺埋段扎西河為長江中上游珍稀魚類保護區(qū)緩沖區(qū)，民房較多，敘永至威信公路由此通過，地表溝中常年有水，平常期水量約100 L/s，洪水期水量約2 000～3 000 L/s。淺埋段上覆土層為第四系坡洪積層（Q4dl+pl）的碎石土、粉質(zhì)黏土，第四系殘坡積層（Qdl+pl）的粉質(zhì)黏土。下伏基巖為寒武系婁山關(guān)群（∈2-3ls）及Fbr斷層破碎帶、碎石土，灰黃色為主，軟塑狀，厚約1～4 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。D2K230+910～D2K231+185淺埋段溝谷內(nèi)的碎石土含水量豐富。D2K230+910～D2K231+185淺埋段屬于赤水河水系，該段隧道穿越的地層為寒武系婁山關(guān)群白云巖地層、斷層破碎帶、碎石土。

2 地質(zhì)概況

2.1 地層巖性

淺埋段上覆土層為第四系坡洪積層（（Q4dl+pl）的碎石土、粉質(zhì)黏土，第四系殘坡積層（Qdl+pl）的粉質(zhì)黏土。下伏基巖為寒武系婁山關(guān)群（∈2-3ls）及Fbr斷層破碎帶、碎石土。部分地層巖性如表1。

<3-2>粉質(zhì)黏土（Q4d+pl）：灰黃色為主，軟塑狀，厚約1～4 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。主要分布于淺埋段溝谷內(nèi)。

<3-3>粉質(zhì)黏土（Q4+pl）：灰黃色為主，硬塑狀，厚約1～4 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。主要分布于淺埋段溝谷內(nèi)。

<3-6>碎石土（Q4dl+el）：灰黃、雜色等，稍密，潮濕至飽和狀，結(jié)構(gòu)松散，一般厚度約3～15 m，屬Ⅱ級普通土。主要分布于淺埋段溝谷內(nèi)。

<5-2>粉質(zhì)黏土（Q4dl+el）：灰黃、褐紅、紫紅色等，硬塑狀，厚約0～5 m，局部緩坡、洼地段較厚，屬Ⅱ級普通土。分布于斜坡地段。

<26-1>白云巖（∈2-3 ls）：淺灰、灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密堅硬，中厚層狀，偶夾砂巖、泥巖及頁巖。局部含石膏、氯鹽假晶。強風(fēng)化層屬IV級軟石，弱風(fēng)化層屬V級次堅石。

<27-2>斷層破碎帶（Fbr）：威信主斷層（F5）斷層破碎帶寬度為70 m，因巖石受到強烈擠壓破碎，斷層角礫巖發(fā)育（角礫成分以硬質(zhì)巖為主）。角礫巖一般為強風(fēng)化巖石，屬IV級軟石，其物理力學(xué)性質(zhì)較差，建議不做填料。

2.2 水文地質(zhì)條件

（1）孔隙水：淺埋段主要地下水類型。孔隙水賦存于地表粉質(zhì)黏土、碎石土中，接受大氣降水和地表水補給，孔隙水補給差，徑流排泄條件好，粉質(zhì)黏土中含水量弱。

（2）裂隙水：賦存并運移于基巖各類結(jié)構(gòu)面、破碎帶內(nèi)，主要接受大氣降水的補給。測區(qū)豐富的降雨為裂隙水提供了良好的補給條件。因受構(gòu)造影響程度及巖性不同，導(dǎo)致裂隙發(fā)育程度不同，富水條件差異較大。

（3）巖溶水：主要賦存于可溶巖的溶孔、溶蝕裂隙中，主要由大氣降水補給，局部通過洼地匯集大氣降水的補給。

該隧道段結(jié)合地形、地貌等地質(zhì)特征，分別采用地下水徑流模數(shù)法、大氣降水入滲法來預(yù)測隧道涌水量。淺埋段區(qū)域分段地下水發(fā)育情況如表2所示。

推薦該隧道分段及總的平常期涌水量及雨期最大涌水量采用大氣降水入滲法計算結(jié)果。

3 變形機理分析

軟弱破碎圍巖隧道初期支護大變形產(chǎn)生的原因是：在開挖過程中，巖體受到開挖擾動、壓力與自重等多方面因素的影響，巖體力學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布，使其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致巖體發(fā)生變形破壞[2]。基于此，可對隧道施工過程中大變形機理進行分析。

3.1 隧道圍巖自身力學(xué)性能差

軟巖由于其自身強度低、壓縮性高，而且多具有流變特性，因此在開挖過程中極易發(fā)生流變失穩(wěn)現(xiàn)象。這也是造成軟弱破碎圍巖隧道大變形的根本原因。軟弱破碎圍巖隧道施工時，開挖面會產(chǎn)生較大的壓力與自重荷載，使其開挖面周圍圍巖應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于壓力的影響，使巖體的抗剪強度降低、結(jié)構(gòu)變軟、裂隙變得更加發(fā)育、更容易發(fā)生流動等現(xiàn)象。

3.2 地下水的作用

在軟巖地區(qū)施工時，地下水是導(dǎo)致圍巖變形的重要原因之一。在地下水作用下，巖體的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生改變。當(dāng)應(yīng)力超過巖體強度極限時，巖體就會產(chǎn)生流變效應(yīng)。這種流變效應(yīng)會導(dǎo)致巖體強度降低后的結(jié)構(gòu)更易發(fā)生變形破壞。

3.3 隧道圍巖本身節(jié)理發(fā)育、節(jié)理間距小

軟弱破碎圍巖隧道開挖后圍巖會發(fā)生較大變形，在這種情況下，如果不對隧道圍巖采取及時有效支護措施，當(dāng)隧道開挖至一定深度后，將會出現(xiàn)拱頂沉降現(xiàn)象、掌子面附近出現(xiàn)較大規(guī)模的松動圈和離層現(xiàn)象等[3]。

3.4 隧道斷面小、長度短，結(jié)構(gòu)復(fù)雜

軟弱破碎圍巖隧道變形過程中最顯著的特點是變形大、持續(xù)時間長、變形速率快。這是因為軟弱破碎圍巖隧道多具有較小斷面、長度短的特點。隧道圍巖面積小以及地質(zhì)條件復(fù)雜會導(dǎo)致在開挖過程中地層應(yīng)力重新分布更為嚴(yán)重、巖體強度降低，從而引起軟巖變形大，而且在軟弱破碎圍巖地區(qū)隧道施工時應(yīng)采取相應(yīng)措施確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3]。因此，可以對軟弱破碎圍巖隧道初期支護大變形機理進行分析，軟弱破碎圍巖隧道開挖后巖體應(yīng)力重新分布導(dǎo)致巖體強度降低，在隧道開挖過程中巖體應(yīng)力重新分布加劇了巖體結(jié)構(gòu)松散狀態(tài)、支護結(jié)構(gòu)被擾動等均是產(chǎn)生大變形的原因。

4 敘畢鐵路軟弱破碎圍巖隧道初期支護變形及處理

4.1 地表全斷面注漿

結(jié)合隧道埋深與隧道穿越圍巖地質(zhì)等情況，D2K230+950～D2K231+100淺埋段施工前由地表垂直對該段隧道洞身及周邊影響區(qū)域注漿加固。該次方案研究采用鋼管樁注漿作為地表注漿固結(jié)措施。

4.1.1 注漿加固范圍

地表全斷面注漿里程為D2K230+950～D2K231+100段（長150 m），注漿加固寬度為開挖輪廓線外兩側(cè)不小于3 m，如圖1所示。

注漿孔分為邊界孔、區(qū)間孔，邊界孔沿隧道四周布置，設(shè)置為三排，注漿間距0.6 m×0.6 m；區(qū)間內(nèi)注漿孔間距1.2 m×1.2 m。邊界孔、區(qū)間孔均采用梅花形布置。

注漿加固深度為隧道仰拱以下1 m或至少深入基巖1 m，注漿加固上方至隧道拱頂以上3 m 范圍內(nèi)，拱頂3 m 以上不注漿。

4.1.2 注漿設(shè)計

注漿鉆孔采用89鉆孔，袖閥管采用φ50 mmPVC管現(xiàn)場加工，單根長2.5～3 m，溢漿孔間距500 mm，接頭管箍連接。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗和該工程地質(zhì)條件，邊界孔注漿材料主要采用普通硅酸鹽水泥單液漿及普通水泥—水玻璃雙液漿；區(qū)間內(nèi)注漿主要采用普通硅酸鹽水泥單液漿。普通水泥單液漿水灰比為0.8∶1～1∶1，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，須根據(jù)現(xiàn)場試驗適當(dāng)優(yōu)化漿液配合比。注漿壓力控制在3～4 MPa，注漿壓力應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場注漿情況適當(dāng)調(diào)整。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報

采取常規(guī)地質(zhì)法+物探法（地震反射波法+地質(zhì)雷達+瞬變電磁法等）+超前鉆探法（超前鉆孔3孔+加深炮孔等）開展超前地質(zhì)預(yù)報。

4.3 處理方法

（1）采用臺階法施工，減少一次開斷面面積。

（2）采用控制爆破開挖，嚴(yán)格控制爆破規(guī)模，爆破振速到達地表30 m外屋處時不應(yīng)大于3 cm/s；爆破振速到達地表敘威公路時不應(yīng)大于5 cm/s。

（3）D2K231+000～D2K231+100段洞身位于碎石土中，施工時采用噴錨網(wǎng)封閉掌子面：噴C20混凝土厚12 cm，鋼筋網(wǎng)采用8鋼筋，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，錨桿采用22纖維錨桿梅花形布置，間距1.2 m×1.2 m，纖維錨桿每根長6 m。

4.4 支護

（1）采用89大管棚+42小導(dǎo)管超前支護，其中大管棚縱向每15 m一環(huán)，每環(huán)23根，每根長20 m；小導(dǎo)管每1.8 m一環(huán)，每環(huán)23根，每根長3.5 m，外插角為45 °。采用全環(huán)四肢格柵鋼架加強支護，縱向間距0.6 m/榻。

（2）拱墻采用幣42鋼花管徑向注漿，縱向間距1.2 m，環(huán)向間距1.2 m，注漿范圍為初期支護外4 m，漿液擴散半徑1～1.2 m，注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力0.6～0.8 MPa，具體漿液配合比和注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況試驗確定。注漿壓力達到設(shè)計終壓0.5～0.6 MPa之間，并持續(xù)注漿5 min，方可結(jié)束注漿。施工過程中加強控制及調(diào)整，嚴(yán)禁因壓力過大而導(dǎo)致地表出漿問題。

（3）初期支護采用噴錨網(wǎng)支護。

4.5 二次襯砌

淺埋段采用Vc型復(fù)合式鋼筋混凝土襯砌。

4.6 防排水

為保證該段地表水不滲漏，避免影響該處原有水環(huán)境，采用全封閉防水，取消襯砌背后縱向、環(huán)向盲管排水系統(tǒng)。

4.7 監(jiān)控量測

全段施工期間應(yīng)開展監(jiān)控量測，將監(jiān)控量測作為關(guān)鍵工序列入現(xiàn)場施工組織，并對支護體系的穩(wěn)定性進行判別，同時結(jié)合淺埋段地表特殊情況進行相應(yīng)監(jiān)測。淺埋段施工過程中須按要求進行洞內(nèi)變形監(jiān)測、洞內(nèi)水量變化觀測、地表沉降監(jiān)測、環(huán)境影響監(jiān)測、房屋沉降觀測、公路沉降觀測。

5 總結(jié)

在隧道開挖過程中，由于初期支護結(jié)構(gòu)承載能力差，受力不均勻，出現(xiàn)了不同程度的破壞，而隨著施工的進行，隧道周邊圍巖壓力逐漸增大，為保證隧道施工安全，必須采取相應(yīng)措施對其進行治理。

參考文獻

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