順層偏壓巖層中隧道支護

蔣建成

國內(nèi)某順層偏壓隧道工程，在施工過程中初期支護出現(xiàn)了病害，通過專家會審、不斷調(diào)整支護參數(shù)進行了多次試驗后，最終確定了合理的支護參數(shù)。本文將處理順層偏壓病害的過程和措施進行總結(jié)，以便在以后施工過程中遇到相同病害時參考。

1 工程及地質(zhì)概況

重慶某高速公路隧道，位于烏江侵蝕河谷發(fā)育的中低山峽谷地區(qū)，最大埋深約 1 000 m。隧道設(shè)計為單向雙車道，全長約4 700 m。隧道穿越地層為志留系羅若坪組粉砂質(zhì)頁巖、頁巖，夾少量粉砂巖，深灰、灰黑、灰色，層理發(fā)育，薄～中厚層狀，粉砂狀泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。頁巖裂隙面一般平直、光滑，多呈閉合狀，無充填或鈣質(zhì)薄膜充填，巖芯失水后易起裂紋。巖石天然抗壓強度25 MPa～40 MPa，具有一定脆性。隧道通過區(qū)域構(gòu)造簡單，地層單斜，巖層產(chǎn)狀 280°～ 341°∠20°～ 48°，巖層走向與路線走向交角為 5°～20°，傾向路線右側(cè);主要節(jié)理有:110°～ 160°∠57°～ 72°，90°∠90°，節(jié)理間距1 m～2 m，多呈密閉或微張，延伸性一般。

2 工程地質(zhì)特點

1)隧道通過的巖性主要為砂質(zhì)頁巖，其強度介于硬質(zhì)巖與軟質(zhì)巖之間;巖層走向與路線走向交角小，隧道靠山側(cè)邊墻為順層。2)埋深較大，且部分埋深急劇增大，最大埋深約1 000 m。3)深孔巖芯表明，圍巖層理發(fā)育，發(fā)育 1組～2組裂面，裂面光滑、平直、密閉，與隧道開挖揭示的微節(jié)理發(fā)育一致。4)隧道深孔(孔深662.2 m)地應(yīng)力測試，最大水平主應(yīng)力為16 MPa，方向為N67°W，與隧道軸線交角約62°，且與巖層傾向基本一致，對隧道圍巖較為不利。

3 施工過程中出現(xiàn)的問題

在施工至埋深約328 m開始，局部段落拱部在初期支護完成后，拱架表面噴混凝土在7 d～10 d內(nèi)出現(xiàn)裂縫并逐漸變大，隨掌子面開挖逐步前移，最后發(fā)展為爆殼。且隨著時間推移，出現(xiàn)了格柵拱架變形現(xiàn)象。開挖后病害特點如下:1)隧道爆破后，圍巖完整性較好，施工炮眼痕跡一般殘留70%以上。2)在隧道埋深達350 m后，隧道支護變形量較大，沿隧道右側(cè)拱部范圍內(nèi)出現(xiàn)縱向開裂。3)施工面不封閉時，幾小時后圍巖會沿微節(jié)理面及層理面產(chǎn)生松弛破裂，在拱頂、洞壁及掌子面會出現(xiàn)響聲，且有圍巖剝落掉塊，開挖輪廓逐漸呈不規(guī)則狀等現(xiàn)象，之后暴露面呈現(xiàn)出破碎～較破碎狀態(tài)。4)圍巖應(yīng)力釋放緩慢，時間長，且具有突然大量釋放的特點，使得初期支護變形開始不明顯，繼而突然開裂，變形發(fā)展較快。5)地應(yīng)力在左、右洞間，隧道進口段與出口段的表現(xiàn)不盡相同，具有不對稱性、非均勻性，使左右洞、進出口段處理措施效果差異明顯。

4 調(diào)整后支護參數(shù)及采取的措施

經(jīng)專家會審，不斷調(diào)整施工參數(shù)，分別進行了Ⅲ級圍巖復合式(D型)、Ⅲ級圍巖復合式(C型)、Ⅲ級圍巖復合式(D1型)、Ⅲ級圍巖復合式(E型)、Ⅲ級圍巖復合式(E型)過渡加強段、Ⅲ級圍巖復合式(F型)、Ⅲ級圍巖復合式(G型)、Ⅲ級圍巖復合式(H型)試驗段施工。其詳細支護參數(shù)見表1。

表1 隧道支護參數(shù)一覽表

5 采取措施后的效果

Ⅲ(D)及Ⅲ(C)試驗段施作的同時加強監(jiān)控量測工作，設(shè)置測點及測試元件，收集圍巖壓力、鋼支撐應(yīng)變、錨桿軸力、拱頂沉降、水平收斂等數(shù)據(jù)，以確定試驗段初支效果，指導后續(xù)施工。

但在試驗段施作一個星期之后，試驗段的Ⅲ(C)及Ⅲ(D)再次出現(xiàn)不同程度的裂縫，其中有幾榀格柵拱部局部彎曲，主筋彎曲凸出，左線情況較為嚴重，右線支護開裂不明顯。

相關(guān)專家對現(xiàn)場進行實地踏勘后，確定對支護進行加強，調(diào)整為格柵間距1.0 m/榀Ⅲ(D1)及格柵間距0.8 m/榀Ⅲ(E)襯砌，并在左、右線分別施作Ⅲ(D1)及Ⅲ(E)試驗段，對比支護效果。

試驗段施作過程中左洞Ⅲ(D1型)試驗段在拱肩處的拱架位置出現(xiàn)開裂，并使格柵拱架外凸變形，初期支護局部輕微表面崩殼;Ⅲ(E型)個別輕微崩殼，在K41+165靠山側(cè)拱腰處有一斜條裂紋，其余初期支護較完好。右洞Ⅲ(D1型)試驗段拱頂噴混凝土開裂，開裂位置與掌子面距離13 m～20 m，其后開裂位置隨開挖面前移，開裂處逐漸增長、擴大;Ⅲ(E型)在距離掌子面6 m～15 m拱頂位置出現(xiàn)崩殼、開裂。開裂距離較之前Ⅲ(D1)試驗段距掌子面更近。

經(jīng)專家會審，施作0.8 m/榀的工字鋼架的Ⅲ(G)型襯砌、0.6 m/榀的格柵鋼架的Ⅲ(F)型襯砌，在左右線分別進行對比試驗。

根據(jù)試驗段施作效果，上半斷面初支僅左、右線在同一對應(yīng)的里程上，左、右線的右半拱部附近有幾榀鋼架處有局部的剝落掉塊現(xiàn)象外，其余均未發(fā)現(xiàn)異常，開裂變形情況遠比Ⅲ(D1)，Ⅲ(E)等試驗段要好，拱頂下沉累計值均在8 mm～33 mm之間，且趨于穩(wěn)定。專家組經(jīng)過現(xiàn)場對比各試驗段支護效果，聽取各方提供的資料，認為Ⅲ(F)，Ⅲ(G)支護均能滿足要求，但從經(jīng)濟上比較，Ⅲ(G)要優(yōu)于Ⅲ(F)，故決定Ⅲ(G)類型為后續(xù)施工段支護類型。

按照Ⅲ(G)襯砌施工至左線ZK41+420及右線K41+390以前段，均正常施工無異常情況。但施工左線ZK41+420～ZK41+510，右線K41+390～K41+568段初期支護噴混凝土再次縱向開裂和局部拱架變形，其中右線K41+395～K41+465段尤為嚴重，鋼架嚴重扭曲變形，初支嚴重侵限，K41+395～K41+405右側(cè)下部鋼架發(fā)生剪切變形。

Ⅲ(H)試驗段施作完成后，初支未見病害，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，拱頂下沉累計值均在8 mm～33 mm之間，且趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)語

隧道的病害是由于上覆地層自重應(yīng)力、順層地層偏壓、巖體微裂隙發(fā)育、巖體的強度介于軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖之間等多種因素組合所形成的巖體在隧道開挖后的二次應(yīng)力作用下發(fā)生的二次破壞，是一種特殊的地質(zhì)病害。由于隧道圍巖順層偏壓情況受地層巖性、埋深、巖體節(jié)理、地應(yīng)力等多種因素影響，規(guī)律性不強，且左右洞對應(yīng)段落也存在差異，這給準確的進行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的難度，唯有在施工過程中，根據(jù)監(jiān)控量測的資料，及時分析反饋，動態(tài)調(diào)整初期支護，確定合理的支護措施。

[1] 鐵道第二勘察設(shè)計院.西部開發(fā)省際公路通道重慶至長沙公路彭水至武隆段共和隧道設(shè)計圖[Z].2005.

[2] 中國科學院武漢巖土力學研究所.渝湘高速公路彭武段共和隧道地應(yīng)力測量報告[R].2006.

[3] JTJ 042-94，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 夏才初，潘國榮.土木工程檢測技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[5] 張祉道.關(guān)于擠壓性圍巖隧道大變形的探討和研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003(4):5-12.

[6] 李清泰.高地應(yīng)力順層偏壓隧道施工力學分析與實踐[J].山西建筑，2008，34(17):19-20.