兩水隧道圍巖破壞原因分析與治理措施

柳 超，譚引剛，左清軍

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074;2.中交第二公路工程局有限公司，西安 710065)

1 地質(zhì)概況

兩水隧道是雙線鐵路大斷面隧道，全長4 928.3 m，是蘭渝鐵路全線被列為高風(fēng)險隧道群中最長的隧道。該隧道處于高地應(yīng)力環(huán)境中，具有變形位移速率快，變化規(guī)律不明顯的特征;其中 V級軟巖3 582.3 m，V級加強(qiáng)106 m，IV級圍巖1 240 m。

兩水隧道洞身涉及地層主要為志留系上統(tǒng)的千枚巖夾板巖;其中，千枚巖炭化嚴(yán)重。隧道區(qū)域內(nèi)山勢陡峻，地面起伏較大，基巖裸露，降水量較小，地下水補給來源不足。隧道內(nèi)的圍巖富水程度為弱富水區(qū)，對混凝土、鋼筋等不具氯鹽和硫酸鹽化學(xué)侵蝕性。

2 隧道圍巖破壞的特征

兩水隧道里程樁號為 DK357+082—DK362+090。在開挖DK357+295斷面過程時，發(fā)現(xiàn)已支護(hù)過的DK357+280斷面左側(cè)拱墻處出現(xiàn)一條長約2 m的裂縫，并且拱頂下沉和圍巖收斂遲遲不能穩(wěn)定。而后隨著隧道的進(jìn)一步開挖，雖然現(xiàn)場采取了臨時橫向和扇形支撐、環(huán)向注漿等加固措施，但 DK357+270—DK357+330段拱頂?shù)南鲁梁蛧鷰r收斂仍處于進(jìn)一步發(fā)展中。四個月后最大拱頂下沉已達(dá)到52.3 cm，最大水平收斂也達(dá)到32.5 cm。

根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)，DK357+275—DK357+330段、DK359+255—DK359+265段和 DK359+402—DK359+442段變形具有以下特征:

1)在上臺階開挖及支護(hù)完成后，前3 d圍巖收斂和拱頂下沉均較大(1.5～3.0 cm/d)，3 d以后變形速率有一定的緩和，圍巖收斂和拱頂下沉保持在1 cm/d左右。在開挖中、下臺階時，變形速率明顯加快，變形值明顯增大。

2)初期支護(hù)在開始階段正常受力變形，但是隨著時間的推移，變形未見明顯減小，一般在初期支護(hù)施工后15 d左右，初期支護(hù)出現(xiàn)開裂掉塊現(xiàn)象，局部鋼架開始扭曲(見圖1)。

圖1 DK357+275—DK357+285段鋼架扭曲變形

3)從變形發(fā)展趨勢來看，在施作仰拱封閉成環(huán)以后，變形速率有明顯的減小［1］，變形開始趨于穩(wěn)定，一般為2～10 mm/d。

4)通過前期的施工發(fā)現(xiàn)，在軟巖地質(zhì)隧道中采用普通的鉆爆法非常不利于圍巖的穩(wěn)定，尤其是對已穩(wěn)定段落的圍巖變形影響非常大(爆破后已支護(hù)好段落的圍巖變形數(shù)據(jù)明顯加大)。

3 隧道圍巖破壞的原因分析

3.1 巖性條件的影響

炭質(zhì)千枚巖屬副變質(zhì)巖，是一種具有千枚狀構(gòu)造的巖石，礦物成分以絹云母為主，多呈微粒狀或片狀，有時含有綠泥石、黑云母、石榴石或方解石。主要特征是能被剝成葉片狀的薄片，表面呈顯著的絲絹光澤，質(zhì)地軟，遇水易軟化。炭質(zhì)千枚巖吸水率極低，但一旦遇水則單軸抗壓強(qiáng)度、泊松比、黏聚力都急劇下降，這充分說明了炭質(zhì)千枚巖對水的敏感度極強(qiáng)［2］。炭質(zhì)千枚巖遇水后的性質(zhì)變化規(guī)律如表1所示。

表1 炭質(zhì)千枚巖遇水后的性質(zhì)變化規(guī)律

雖然擠壓緊密的炭質(zhì)千枚巖層具有弱透水性，是相對隔水層，但在隧道開挖卸荷后，由于炭質(zhì)千枚巖的黏聚力c、內(nèi)摩擦角 φ與泊松比等參數(shù)發(fā)生較大的變化，加上膨脹性和地下水的影響，圍巖易于發(fā)生塑性變形，向巷道內(nèi)擠入。密實的巖體變松散，圍巖自承能力繼續(xù)變差，變形也持續(xù)進(jìn)行。

3.2 地下水條件的影響

地下水在隧道施工中，對圍巖的穩(wěn)定性起著很大的作用，特別是在軟弱的炭質(zhì)千枚巖區(qū)，更是起著控制作用。

根據(jù)隧道的勘察情況并結(jié)合區(qū)域資料綜合分析，圍巖的富水程度為弱富水區(qū)。但是就目前兩水隧道進(jìn)口施工情況來看，地下水較豐富，掌子面濕潤，含水量飽和，有水從掌子面滲出，局部水量成股狀流出。考慮其原因，可能是圍巖洞身為炭質(zhì)千枚巖時，當(dāng)千枚巖厚度達(dá)到一定程度，洞身就不會出現(xiàn)地下水。然而在開挖過程中，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，發(fā)生變形，形成松動區(qū)與塑性區(qū)。特別是當(dāng)初期支護(hù)不及時或初期支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗千枚巖的變形時，塑性區(qū)范圍可能會進(jìn)一步擴(kuò)大，這都誘發(fā)了地下水的發(fā)育［3］。塑性區(qū)的加大與地下水的發(fā)育互相促進(jìn)，互相作用，使圍巖穩(wěn)定性不斷變差。

3.3 地應(yīng)力條件的影響

工程區(qū)位于武都山字型構(gòu)造體系前弧，受多期次構(gòu)造的復(fù)合，揉皺及構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，其展布與區(qū)域構(gòu)造線基本一致，以近東西和北西西向為主。隧道范圍未見區(qū)域性大斷裂通過，但巖體受構(gòu)造運動的影響，揉皺、褶皺發(fā)育，軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊狀，巖體破碎，完整性差，其主要節(jié)理如表2所示。

表2 隧道區(qū)主要節(jié)理產(chǎn)狀表

由表2可見，隧道區(qū)主要發(fā)育5組構(gòu)造，其中明顯的方位有 N55°W，N60°E，N30°E，反映存在不同方向不同期次構(gòu)造運動的疊加，其結(jié)果是構(gòu)造與變形更復(fù)雜，巖體更加破碎［4］。這就使得兩水隧道圍巖穩(wěn)定性總體上都很差，容易出現(xiàn)各種病害。

4 隧道圍巖破壞的治理措施

根據(jù)以上對兩水隧道變形破壞特征、圍巖特性的分析，確定在施工中采取以下治理措施。

4.1 采用雙漿液雙層注漿的方式

隧道穿越主要地層為炭質(zhì)千枚巖，因該巖體遇水后極易軟化，為防止地下水的發(fā)育，故選定漿液為水泥-水玻璃漿液。工地試驗室根據(jù)隧道涌水量、水壓等對雙液漿的配合比做了大量的試驗，以確定最佳的凝膠時間。在取得大量試驗參數(shù)的基礎(chǔ)上，以充分滿足注漿擴(kuò)散范圍為準(zhǔn)，保證一次注漿段(5 m)固結(jié)強(qiáng)度，又方便施工，選定水灰比為(0.75～0.8)∶1.0，水玻璃溶液的濃度為 30 ～35°Be'，體積比為 1.0∶0.3 ～1.0∶1.0。

在開挖掘進(jìn)時采用雙層φ42 mm注漿小導(dǎo)管，長度5 m，環(huán)向間距40 cm，縱向搭接不小于1 m，第一層仰角 10°～15°，第二層仰角 35°～45°。

4.2 加大預(yù)留變形量，提高初期支護(hù)與圍巖共同變形的能力

兩水隧道軟巖段預(yù)留變形量50～60 cm，且采用大拱腳臺階法施工，其施工工序如圖2所示。鋼架由原來的I20b調(diào)整為H175，縱向間距仍為0.5 m，且增大預(yù)留變形按55 cm設(shè)置，鎖腳錨桿采用4根8 m長R32N自進(jìn)式錨桿，在邊墻部位增設(shè)3 m長φ42 mm注漿小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，間距1.5 m×1.5 m。上導(dǎo)鋼架按照大拱腳施工，上導(dǎo)拱腳處擴(kuò)大尺寸50 cm，且在原設(shè)計基礎(chǔ)上，在底部0.2 m與1.2 m高度處各加2根I18鋼架連接，在上導(dǎo)與中導(dǎo)連接處，焊接4根長20 cm的φ22 mm環(huán)向鋼筋，以提高連接薄弱處的抗剪能力［5］。在上臺階底部加設(shè)臨時仰拱，采用 I20b型鋼與上導(dǎo)鋼架連接為一體，抑制圍巖的沉降及收斂變形，使初期支護(hù)快速地封閉。

圖2 大拱腳臺階法施工工序示意

4.3 仰拱與二襯施作時機(jī)的控制

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在仰拱施作完成以后，變形量達(dá)到了總變形量的80%以上，此時如果不及時施作二次襯砌，軟弱底層就有可能隆起，甚至坍塌。所以在以后的施工中，要控制仰拱施作在下部噴錨完成以后3 d內(nèi)完成，以便盡早封閉成環(huán)形成全環(huán)受力，減小變形。開挖支護(hù)后二襯要在30 d之內(nèi)完成，這就要求加快仰拱和二襯的施工進(jìn)度，仰拱距離掌子面的距離不超過30 m為宜，二襯距離掌子面的距離控制在50 m 以內(nèi)［6］。

4.4 銑挖機(jī)應(yīng)用于拱部輪廓線的開挖

通過前期的施工發(fā)現(xiàn)在大斷面軟巖地層中采用普通的鉆爆法施工非常不利于圍巖的穩(wěn)定，并且鉆爆法施工對已支護(hù)段落的圍巖變形影響也非常大。為減小爆破施工對圍巖的擾動，引進(jìn)了銑挖機(jī)。隧道拱部輪廓線采用銑挖機(jī)開挖，中下臺階采用預(yù)裂爆破配合挖機(jī)開挖。根據(jù)現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)繪制了采用鉆爆法和銑挖機(jī)配合預(yù)裂爆破法的日變形量與時間關(guān)系散點圖，見圖 3、圖 4。

圖3 兩種施工方法日收斂量與時間關(guān)系散點圖

由圖3、圖4可見，采用鉆爆法施工日均收斂量和下沉量均要比銑挖機(jī)配合預(yù)裂爆破法要大得多且遲遲不能穩(wěn)定，而采用銑挖機(jī)配合預(yù)裂爆破法則取得了良好的效果。

圖4 兩種施工方法日下沉量與時間關(guān)系散點圖

5 結(jié)論

1)采用與圍巖巖性相適合的漿液，能較好地防止軟巖在遇水后發(fā)生較大的變化，采取雙層注漿的方式，能較好地固結(jié)軟巖。

2)根據(jù)軟巖隧道塑性圈理論，預(yù)留合適的變形量與采取臨時仰拱使圍巖快速封閉成環(huán)，對于抑制隧道的塑性變形有較好的效果。

3)對于兩水隧道高地應(yīng)力，不僅要讓荷載卸得充分，還要注意支護(hù)的時機(jī)適當(dāng)，這就要求監(jiān)測人員將數(shù)據(jù)很好地進(jìn)行分析，二襯施作要及時跟上，使二次襯砌與初期支護(hù)一起承擔(dān)圍巖荷載。

4)通過在兩水隧道分別采用不同的施工方法并通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，得出采用機(jī)械和爆破相配合進(jìn)行開挖，仰拱和二襯緊跟掌子面施作是比較適合軟巖隧道的施工方法，能有效保證軟巖地質(zhì)隧道的施工安全。

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