山嶺隧道軟弱圍巖變形機(jī)理分析與處治對策

趙 峰

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,四川成都611731)

1 工程概況

國高網(wǎng)樂雅高速公路槽漁灘隧道全長2 923 m,分為上下雙洞行車,單洞兩車道。隧址區(qū)屬于四川盆地西南邊緣淺～中切剝、侵蝕構(gòu)造低山地形,局部為侵蝕堆積臺地,隧道左線處于基巖強(qiáng)風(fēng)化帶,巖石屬極軟巖～軟巖,巖體松動,受風(fēng)化影響嚴(yán)重,層間結(jié)合差,巖體較破碎～破碎,以層狀破碎為主,含少量基巖裂隙水,呈滴水滲出。其中ZK74+158～ZK74+188段主要為中生界白堊系下統(tǒng)灌口組(K1g)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖和夾關(guān)組(K1j)細(xì)砂巖夾粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,傾角為4°～15°,細(xì)粒結(jié)構(gòu),泥鈣質(zhì)～鈣質(zhì)膠結(jié),為典型的緩傾角層狀巖層。該類圍巖在隧道開挖后,拱頂極易發(fā)生片狀坍塌,若有地下水的作用時,規(guī)模將明顯擴(kuò)大,圍巖級別為Ⅴ級。該段復(fù)雜的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件將對隧道施工產(chǎn)生重大影響。

2 監(jiān)控量測

隧道于2011年6月10日開挖至ZK74+158處,為安全通過軟弱圍巖段,采用上下臺階法開挖,設(shè)超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù),支護(hù)類型設(shè)計(jì)為Ⅴ型,設(shè)計(jì)斷面圖見圖1。

圖1 Ⅴ型支護(hù)襯砌

課題組在該段加強(qiáng)了監(jiān)控量測[1-2],每間隔5 m布置6個監(jiān)測斷面。6月27日監(jiān)測人員在隧道左線掌子面附近ZK74+186處左拱腰到拱頂位置發(fā)現(xiàn)有較明顯裂縫,且裂縫發(fā)展較快,部分初期支護(hù)呈潰破形式,鋼拱架已外露,附近也均有裂縫在發(fā)展,掌子面呈散體狀結(jié)構(gòu)并不時有碎塊塌落。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),截止到裂縫出現(xiàn)當(dāng)日,該兩個監(jiān)測斷面拱頂下沉值與周邊收斂值都無較明顯增大。但出現(xiàn)裂縫當(dāng)日,拱頂及凈空收斂變形急劇增大,典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析見圖2所示。

從圖2中可以看出,ZK74+162斷面從開挖至6月26日共13 d時間圍巖變形增長緩慢,累計(jì)拱頂下沉值不到20 mm,但6月27日,圍巖變形呈突增形式,拱頂下沉速率達(dá)35 mm/d,凈空收斂速率達(dá)43.9 mm/d,初期支護(hù)多處出現(xiàn)裂縫。

圖2 ZK74+162圍巖變形時態(tài)曲線

3 變形機(jī)理分析

3.1 初期支護(hù)背后空洞探測

為綜合分析變形原因,現(xiàn)場對ZK74+153～ZK74+173段進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測,檢測目的是探測初期支護(hù)背后是否存在空洞?，F(xiàn)場共布置了5條雷達(dá)測線,分別為左右起拱線測線、左右拱腰測線和拱頂測線。對雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,提出了4個鉆孔驗(yàn)證位置,里程分別為:ZK74+158、ZK74+163、ZK74+168、ZK74+173,均位于左拱腰附近。通過對開孔揭露情況的仔細(xì)觀察分析,ZK74+158和ZK74+163處可以看到初期支護(hù)背后有較明顯空洞存在;ZK74+168和ZK74+173處未見有明顯空洞,鉆孔深處均被泥漿填充。

綜合分析認(rèn)為:該檢測段落ZK74+158和ZK74+163處及其附近初期支護(hù)背后有空洞存在,其余位置所檢測測線處均未見有明顯空洞特征。

3.2 變形機(jī)理分析

軟弱圍巖段隧道變形主要表現(xiàn)在淺埋段地表沉降、洞周收斂、仰拱隆起、邊墻下沉,甚至初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破損[3](噴射混凝土開裂或表層脫落掉塊、鋼架扭曲、彎折、斷裂變形等)。

隧道開挖后,由于解除了部分圍巖的約束,原始的應(yīng)力平衡被破壞,圍巖將進(jìn)行二次應(yīng)力重新分布,圍巖向隧道內(nèi)部空間變形。在軟弱圍巖中,巖體強(qiáng)度很小,不能承受開挖后急劇增大的隧道周邊應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形,沿隧道周邊圍巖應(yīng)力松弛而形成一個應(yīng)力降低了的區(qū)域,高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。擾動了的巖體向隧道內(nèi)變形,當(dāng)變形超過一定數(shù)值就會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)和坍塌[3-6]。

槽漁灘隧道軟弱圍巖地段主要為泥質(zhì)砂土,呈散狀結(jié)構(gòu),地下水發(fā)育,圍巖遇水軟化,容易坍塌;由于施工質(zhì)量缺陷,初期支護(hù)與圍巖之間的空洞導(dǎo)致初期支護(hù)與圍巖不能形成整體而共同產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形,且空洞的存在導(dǎo)致該部位相當(dāng)于未作支護(hù),坍塌的圍巖松散體堆積在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上,當(dāng)初期支護(hù)承受超過其承載能力的荷載時,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生大變形甚至破損。

4 變形處治對策

4.1 初期支護(hù)凈空斷面檢測

為確定處治方案,確保變形段二次襯砌厚度及隧道凈空滿足設(shè)計(jì)要求[7],對槽漁灘隧道初期支護(hù)凈空斷面進(jìn)行了測量,共測量了4個斷面,里程分別為ZK74+158、ZK74+163、ZK74+168和ZK74+173,測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

4.2 變形處治方案設(shè)計(jì)

考慮到工程現(xiàn)場的實(shí)際情況,制定了ZK74+158～ZK74+188共30 m變形段的處治方案:

(1)洞身嚴(yán)重變形段設(shè)臨時支撐

表1 測量斷面侵限情況統(tǒng)計(jì)

①臨時工字鋼支撐:

在初期支護(hù)嚴(yán)重變形段ZK74+158～ZK74+188(30 m)初期支護(hù)外側(cè),增加臨時鋼支撐,采用I18工字鋼鋼架。

其中,ZK74+158～ZK74+178(20 m),為已施工Ⅴ型襯砌段,臨時鋼架間距平均1 m。ZK74+178～ZK74+188(10 m),為已施工Ⅴ加強(qiáng)型襯砌段,臨時鋼架間距平均0.6 m。實(shí)際施工段落和間距可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控量測資料作調(diào)整。

②臨時混凝土基礎(chǔ):ZK74+158～ZK74+188(30 m)上半斷面初期支護(hù)底部,增設(shè)C20混凝土基礎(chǔ),寬40 m、高40 cm。

(2)洞內(nèi)開挖后注漿

鑒于ZK74+158～ZK74+188(30 m)初期支護(hù)目前處于持續(xù)變形之中,初期支護(hù)背后有空洞以致大范圍坍塌,并導(dǎo)致圍巖松弛圈擴(kuò)大。在臨時鋼支撐施作且變形基本穩(wěn)定后,避開雨季,適時施作周邊注漿,加固圍巖和減小圍巖空隙率。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿加固范圍4.5 m,注漿孔環(huán)向間距1.5 m,注漿順序?yàn)橄葍蓚?cè),后拱頂。

(3)拆除嚴(yán)重變形段已施作的初期支護(hù)

對ZK74+158～ZK74+188(30 m)已施工的初期支護(hù)因變形較大需拆除重建,其數(shù)量包括以下四部分:

①ZK74+158～ZK74+188(30 m)施工的臨時工字鋼鋼架;

②ZK74+158～ZK74+188(30 m)上半斷面初期支護(hù)底部增設(shè)的C20混凝土基礎(chǔ);

③ZK74+158～ZK74+178(20 m)已施工的Ⅴ型襯砌段的初期支護(hù);

④ZK74+178～ZK74+188(10 m)已施工Ⅴ加強(qiáng)型襯砌段的初期支護(hù)。

(4)隧道初期支護(hù)變形嚴(yán)重段重新支護(hù)

對初期支護(hù)侵限較大和變形較大的段落30 m(ZK74+158～ZK74+188段),在施工過程中因地質(zhì)情況持續(xù)惡化造成該段初期支護(hù)嚴(yán)重變形,采用“置換初支、加強(qiáng)二襯”的支護(hù)方案,襯砌基本型式采用型襯砌。

其中,ZK74+158～ZK74+173段由于變形侵限相對較小,采用工字鋼間距為60 cm的V特加強(qiáng)-1型襯砌;ZK74+173～ZK74+188段由于變形侵限較大,采用工字鋼間距為40 cm的V特加強(qiáng)-2型襯砌。具體設(shè)計(jì)參數(shù)為:

①割除原初期支護(hù)工字鋼之間的噴射混凝土和連接鋼筋,嵌槽置換V特加強(qiáng)型I20b型工字鋼鋼架,恢復(fù)初期支護(hù)。

②采用φ 25中空注漿錨桿作為系統(tǒng)錨桿,兼鋼架定位作用,長度3.5 m。

③二次襯砌采用厚度60 cm的C25鋼筋混凝土。

④根據(jù)現(xiàn)場處理情況,對拱頂穩(wěn)定性較差的段落增設(shè)φ 42小導(dǎo)管作超前支護(hù)。

(5)加強(qiáng)排水措施

對ZK74+158～ZK74+188段,為防止和減小地下水靜水壓力對結(jié)構(gòu)造成影響、防止細(xì)小顆粒對主縱向排水溝(管)造成堵塞,在原有排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上,增設(shè)環(huán)向排水措施,將該段地下水直接排入隧道中央排水溝,主要措施如下:

在初期支護(hù)施作完成后,在拱頂鉆孔布置φ 50泄水孔,深度5 m,按間距5 m×3 m(縱×橫)布設(shè),布孔時應(yīng)結(jié)合利用加密、加長原有泄水孔;在泄水孔對應(yīng)位置,用市售三通管連接,將地下水集中引排進(jìn)入環(huán)向設(shè)置的φ 50HDPE單壁波紋管,每處φ 50HDPE管設(shè)置3根,將墻背水直接排入中央排水溝內(nèi)。φ 50HDPE單壁波紋管墻背環(huán)向設(shè)置段采用有孔結(jié)構(gòu),基底下橫向排水支管采用無孔結(jié)構(gòu)。

5 施工建議

(1)施工中應(yīng)堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、留核心、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測”的二十四字方針;

(2)隧道施工時,應(yīng)特別加強(qiáng)對該段地表以及隧道的巖體和水體的監(jiān)控量測,防止巖體失穩(wěn);

(3)隧道開挖建議采用微臺階環(huán)形掏槽留核心土法,當(dāng)圍巖特別軟弱含水時,可以采用中隔壁法(CD法)或交叉中隔壁法(CRD法),并可兼作超前導(dǎo)坑作用;

(4)工字鋼鋼架施作時,應(yīng)注意鋼架接長應(yīng)穩(wěn)妥可靠,每次只能有1～2個鋼架腳短時間懸空。定位錨桿和縱向連接鋼筋應(yīng)及時施作。如發(fā)現(xiàn)邊墻有坍塌,必要時還應(yīng)縱向設(shè)置鋼板或混凝土基礎(chǔ)。施工邊墻和仰拱工字鋼時,還應(yīng)注意必須保證圍巖和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

通過上述處治措施,隧道施工順利通過大變形段,從對變形過大區(qū)域的監(jiān)測結(jié)果來看,后期沒有出現(xiàn)異常情況,說明處治方案合理、有效。

6 結(jié) 語

槽漁灘隧道施工通過軟弱圍巖地段時產(chǎn)生了初期支護(hù)變形開裂的現(xiàn)象,為查找原因,有針對性的提出合理的處治方案,通過現(xiàn)場檢測的手段,對變形原因進(jìn)行了深入分析,并根據(jù)檢測結(jié)果,提出了合理的處治對策,解決了工程實(shí)際問題,也為今后類似工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(1)軟弱圍巖由于巖體強(qiáng)度小,不能承受開挖后急劇增大的隧道周邊應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形,當(dāng)變形超過一定數(shù)值就會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)和坍塌。而通過地質(zhì)雷達(dá)及鉆孔檢測發(fā)現(xiàn)初期支護(hù)與圍巖之間存在空洞,導(dǎo)致初期支護(hù)與圍巖不能形成整體而共同產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形,坍塌的圍巖松散體堆積在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上,當(dāng)初期支護(hù)承受超過其承載能力的荷載時,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生大變形直至破損。

(2)在制定處治方案時,對變形段初期支護(hù)侵限情況進(jìn)行詳細(xì)檢測,對侵限地段采用拆除原支護(hù)重新開挖支護(hù)的方法,能有效避免二襯厚度不足或二襯凈空侵限。

[1]蔣樹屏,趙 陽.復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道圍巖監(jiān)控量測與非確定性反分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(20):3460-3464.

[2]徐林生,孫 均,蔣樹屏.洋碰隧道進(jìn)口右線施工中的現(xiàn)場監(jiān)控量測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002,21(5):675-678.

[3]李偉平.公路隧道穿越軟弱圍巖的變形與控制方法[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2009,(2):44-49.

[4]關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1993:86-90.

[5]李樹軍.高地應(yīng)力大變形隧道變形特性及工程應(yīng)對措施分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2009,7(3):33-35,45.

[6]廖祥元,肖啟航.青坑隧道地質(zhì)復(fù)雜段坍塌機(jī)理分析與治理[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008,(S1):482-484.

[7]中華人民共和國交通部.JTG F80-1-2004.公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:人民交通出版社,2004:112-123.