談炭質(zhì)片巖隧道變形原理及三臺(tái)階錯(cuò)位施工法

陳永建

炭質(zhì)片巖是滬漢蓉通道武漢—安康增建第二線工程漢江峽谷段遇到的主要地質(zhì)問題,而該類圍巖隧道的開挖施工方法在目前國內(nèi)外隧道施工中仍是一道難題。主要原因是該類圍巖的穩(wěn)定性差,在地下水作用下,炭質(zhì)片巖易軟化變形,導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)變形或坍塌。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況和圍巖量測(cè)結(jié)果分析顯示,該類圍巖開挖后的變形具有不收斂性,特別是在開挖完成后15 d左右圍巖易發(fā)生突變產(chǎn)生塌方。因此研究炭質(zhì)片巖的圍巖特性和變形規(guī)律,解決該類圍巖的開挖施工方法勢(shì)在必行。

1 圍巖變形機(jī)理分析

1.1 圍巖特征及分類

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工揭示的炭質(zhì)片巖,按分布形態(tài)和巖性特征可分為透鏡體或薄夾層狀、互層狀和呈厚層或帶狀分布等不同類型,當(dāng)炭質(zhì)片巖以透鏡體、薄夾層狀或互層狀存在于石英云母片巖或云母石英片巖中時(shí),一般情況下對(duì)圍巖的整體穩(wěn)定性影響不大,但在地下水的作用下,炭質(zhì)片巖易軟化變形,強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低,局部可能出現(xiàn)變形或坍塌。厚層或帶狀分布的炭質(zhì)片巖,從工作面看圍巖大部分或全部分為炭質(zhì)片巖,連續(xù)出現(xiàn)長度數(shù)十米至數(shù)百米。受構(gòu)造等因素的影響,巖體的抗剪強(qiáng)度低,巖體扭曲、褶皺現(xiàn)象明顯,節(jié)理發(fā)育,巖體節(jié)理面光滑亮澤,多為曲面,往往夾雜有石英巖脈侵入體,并伴有地下水滲流,結(jié)構(gòu)面之間結(jié)合差,易分離剝落,在地下水的作用下,圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)一步降低,容易出現(xiàn)初期支護(hù)的開裂變形和塌方。

1.2 圍巖監(jiān)控量測(cè)及分析

1.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)實(shí)際情況,在隧道每個(gè)測(cè)量斷面各布置一個(gè)拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)D和三條凈空水平收斂量測(cè)線C,B,A,共7個(gè)測(cè)點(diǎn),布置見圖1,測(cè)點(diǎn)選用、頻次及要求參照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

1.2.2 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果繪制分析圖,見圖2。

根據(jù)繪制的數(shù)據(jù)分析圖,我們可以得出如下結(jié)論:

1)圍巖變形量大,且在個(gè)別時(shí)段變形加劇:施工過程中工序轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)圍巖收斂變形影響較大,從圖2我們可以看出在掌子面爆破、下臺(tái)階落底及仰拱開挖等施工時(shí),由于施工的干擾,破壞了圍巖的受力均衡性,從而加劇了圍巖的變形。圍巖最大變形量達(dá)到1 440 mm(水平收斂)。

2)變形持續(xù)時(shí)間長:圍巖蠕變比較嚴(yán)重,持續(xù)時(shí)間較長,二襯施工之后依然存在變形。如DZK256+475～DZK256+505共30 m段二襯拱頂和拱腰均出現(xiàn)較大的裂紋,很多地方甚至出現(xiàn)混凝土塊剝落,可見該類圍巖的變形持續(xù)時(shí)間很長。

3)變形分布不均勻,主要表現(xiàn)在以下兩方面:a.水平收斂明顯大于拱頂下沉:水平收斂的速度和累計(jì)變形量均明顯大于拱頂下沉,拱頂下沉一般累計(jì)變形在100 mm左右,水平收斂累計(jì)變形一般達(dá)到500 mm以上。局部段落最大變形量達(dá)到1 440 mm。b.隧道圍巖變形主要分布在初期支護(hù)鋼架的連接處、拱腳和墻角位置。初期支護(hù)完成后,由于受圍巖變形作用力的影響,圍巖應(yīng)力繼續(xù)重新分布,導(dǎo)致初期支護(hù)受力薄弱處或者圍巖壓力較大處開始開裂掉塊,侵入二襯空間;嚴(yán)重部位會(huì)出現(xiàn)鋼架扭曲變形,甚至被剪斷。

2 三臺(tái)階錯(cuò)位施工法

由于施工掌子面圍巖為炭質(zhì)片巖,屬軟弱圍巖,施工方法選用三臺(tái)階六部錯(cuò)位法進(jìn)行掘進(jìn)施工。臺(tái)階長度根據(jù)實(shí)際情況,留出施工平臺(tái),放置小臺(tái)架即可,一般為3 m～5 m,仰拱與下臺(tái)階的距離以方便出碴即可,一般為10 m～15 m,二襯緊跟仰拱施作。在開挖過程中,三臺(tái)階同時(shí)起爆,其不同于其他施工方法處有:1)工作面多,循環(huán)作業(yè)時(shí)間短;2)支護(hù)及時(shí)、穩(wěn)定;3)施工安全。

2.1 三臺(tái)階施工法布置形式

上臺(tái)階長度控制在4.5 m,根據(jù)高度必須滿足矢跨比h/L＞0.3,因此上臺(tái)階高度按3.6 m控制;中臺(tái)階長度控制在6 m,高度為2.8 m;下臺(tái)階長度為5 m,高度為3.1 m;仰拱與下臺(tái)階的長度控制在10 m～14 m(保證澆筑完仰拱后距下臺(tái)階的長度在10 m),具體見圖3。

2.2 施工工藝及流程

1)在上臺(tái)階按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置φ42的超前支護(hù)(超前小導(dǎo)管),小導(dǎo)管長度 3.5 m,環(huán)向間距0.3 m,小導(dǎo)管的縱向搭接長度必須大于1.0 m,并按照要求在導(dǎo)管上設(shè)置注漿孔并及時(shí)注水泥漿,尾部與鋼拱架焊接牢固。

2)在上、中、下三個(gè)臺(tái)階同時(shí)進(jìn)行鉆眼施工,根據(jù)Ⅴ級(jí)加強(qiáng)圍巖(炭質(zhì)片巖)確定每次爆破掘進(jìn)進(jìn)尺在0.5 m～1.0 m,開挖的輪廓線根據(jù)圍巖量測(cè)分析資料預(yù)留變形量40 mm～50 mm(設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為25 mm)。開挖后立即進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù),設(shè)立型鋼鋼架并復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度,形成較穩(wěn)定的承載拱墻。施工中應(yīng)在上臺(tái)階的左側(cè)中部設(shè)置超前探孔(可在施工超前小導(dǎo)管時(shí)設(shè)置),深度為5 m,及時(shí)了解前方施工圍巖情況和有無重大險(xiǎn)情。

3)待所有鉆孔全部施工完畢后,立即進(jìn)行裝藥爆破,施工順序如下:上臺(tái)階、中臺(tái)階和下臺(tái)階同時(shí)爆破(利用雷管的段數(shù)可以調(diào)整爆破時(shí)間和順序)后,首先挖掘機(jī)開到下臺(tái)階,將中臺(tái)階第2,3部分的碴扒到下臺(tái)階;然后將挖掘機(jī)開到中臺(tái)階第2部分的位置(該部分寬度比第3部分寬,方便挖掘機(jī)作業(yè)),將上臺(tái)階碴扒下來;最后挖掘機(jī)下到下臺(tái)階,開始裝碴,運(yùn)出洞外。待碴基本出完后,立即同時(shí)對(duì)三個(gè)臺(tái)階進(jìn)行初期支護(hù)。

3 取得成果

自2006年8月開始,滬漢蓉通道武漢—安康增建第二線工程楊河隧道西河灣橫洞正洞施工遇到了大段落的炭質(zhì)片巖段,由于起先對(duì)該類圍巖的變形情況不了解,圍巖發(fā)生多次變形及塌方,施工進(jìn)度非常緩慢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)計(jì),2006年8月～2007年4月的8個(gè)月時(shí)間內(nèi)總掘進(jìn)不到50 m,嚴(yán)重制約了襄渝二線總工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。2007年5月16日,我局根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整開挖施工方案,針對(duì)該類炭質(zhì)片巖采用三臺(tái)階六部錯(cuò)位法施工后,每月掘進(jìn)施工進(jìn)度約40 m～50 m,確保了楊河隧道西河灣橫洞于2008年12月30日順利貫通,也為襄渝二線旬陽—蜀河段2009年“8.30”開通奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。