軟巖隧洞施工變形特性的研究

韓 強(qiáng) 呂 斌

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

新疆阿克土木蘇克隧洞為軟巖隧洞，洞深段長(zhǎng)1825m，為無壓明流隧洞，開挖分進(jìn)出口同時(shí)進(jìn)行，隧洞開挖型式為圓拱直墻形，最大開挖斷面尺寸為6.1m×6.1m，襯砌斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸為4.9m×4.9m，設(shè)計(jì)流量48m3/s，隧洞縱坡1/1000。隧洞穿越的地層為第三系半膠結(jié)狀態(tài)的砂巖、砂礫巖和泥巖互層，巖體軟弱，工程地質(zhì)條件較差。天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度為 0.42～0.45MPa，縱波波速1000～2080m/s，洞體一般埋深30～40m，最大埋深43m，地下水不發(fā)育，局部地段含上層滯水。

1 開挖方法及支護(hù)參數(shù)

1.1 開挖方法

采用上下臺(tái)階法、先起拱點(diǎn)以上人工開挖，預(yù)留核心土，長(zhǎng)度控制在 1～2m。后起拱點(diǎn)以下，機(jī)械（小挖機(jī)）開挖為主，局部不平欠挖，人工風(fēng)鎬開挖。要求圍巖面清理干凈、平整，無松動(dòng)巖石?？刂瞥冢骨吠?。

開挖后斷面要求：洞軸線允許偏差5cm,底部標(biāo)高允許偏差 0～＋10cm,徑向、側(cè)墻允許偏差 0～10cm,開挖面平整度允許偏差≤10cm。開挖后支護(hù)前及時(shí)進(jìn)行隱蔽工程驗(yàn)收。

1.2 支護(hù)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件，Ⅳ類圍巖地區(qū)襯砌斷面型式為Ⅱ型，開挖斷面尺寸為6.1m×6.1m，格柵拱架間距1.0m，一次支護(hù)噴混凝土C20，厚度15cm，掛鋼筋網(wǎng)φ6，網(wǎng)格尺寸 20cm×20cm，系統(tǒng)錨桿φ20，長(zhǎng)度2.0～2.5m，間距1.0m，二次襯砌厚度40cm。Ⅳ-Ⅴ類圍巖地區(qū)襯砌斷面型式為Ⅰ型，開挖斷面尺寸為 6.1m×6.1m，格柵拱架間距 1.0m，一次支護(hù)噴混凝土 C20，厚度 20cm，掛鋼筋網(wǎng)φ6，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm，系統(tǒng)錨桿φ20，長(zhǎng)度2.0～2.5m，間距 1.0m，二次襯砌厚度 45cm。其中個(gè)別地質(zhì)條件較差地段，打超前錨桿。

2 巖體中一次支護(hù)后變形監(jiān)測(cè)

阿克土木蘇隧洞收斂監(jiān)測(cè)是控制施工安全、變更支護(hù)參數(shù)和確定襯砌型式的要信息來源，在不同地質(zhì)條件地段，安全監(jiān)測(cè)工作是軟巖隧洞保證安全施工，減少塌方，避免各種安全事故的發(fā)生的關(guān)鍵性措施。為此，安全監(jiān)測(cè)工作在軟巖施工中就特別重要。正是因?yàn)榘寻踩O(jiān)測(cè)貫穿于設(shè)計(jì)與施工的全過程，才保證了施工安全。

2.1 安全監(jiān)測(cè)

阿克土木蘇克隧洞為軟巖隧洞，以粘性土為主，具有一定的膨脹性，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。在隧洞施工中，以收斂和頂拱沉降監(jiān)測(cè)為主，通過監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)獲得圍巖沉降、收斂變形數(shù)據(jù)。

收斂監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置為 5測(cè)點(diǎn)、6條測(cè)線，斷面布置見圖1。

圖1 收斂監(jiān)測(cè)斷面布置圖

2.1.1 隧洞頂拱下沉狀態(tài)

頂拱沉降監(jiān)測(cè)斷面間距為25m，監(jiān)測(cè)采用前視頂拱掛尺，后視邊墻底板立尺。在埋深10～20m的洞段中，監(jiān)測(cè)天數(shù) 15～18d，距離掌子面 45m，沉降值一般在10～20mm之間，沉降速率一般在0.5～2.0mm/d之間。

就其目前的下沉變形狀態(tài)分析，該洞段最大總下沉變形量約為22mm左右，平均速率為1.28mm/d，沉降值、沉降速率均較小，下沉變形速率在監(jiān)控指標(biāo)的范圍內(nèi)，比較典型的頂拱下沉變形狀態(tài)如圖 2所示。

從圖中可以看出，在格柵拱架噴混凝土支護(hù)下，頂拱下沉變形沒有明顯的減緩，而是隨時(shí)間的增加，下沉變形增量緩慢的減少。

圖2 頂拱下沉監(jiān)測(cè)成果圖

圖3 頂拱下沉監(jiān)測(cè)成果圖

在隧洞埋深達(dá)到最大42m的洞段中，統(tǒng)計(jì)了監(jiān)測(cè)時(shí)間 15天左右各監(jiān)測(cè)斷面的資料，距離掌子面25～30m，沉降值一般在60～90mm之間，沉降速率一般在3～8mm/d之間，平均為4.9mm/d，沉降值、沉降速率均較大，典型的頂拱下沉變形狀態(tài)如圖 3所示。

從圖3中可以看出，頂拱下沉過程線沒有拐點(diǎn)，下沉變形量呈勻速增加，這就是土體隧洞與巖體隧洞的不同之處。在沉降過程中，洞室底板肉眼可見隆起，說明洞室是整體下沉的，其數(shù)據(jù)明顯高于埋深淺的洞段，可見隧洞埋深大的洞段與埋深淺的洞段變形有明顯的不同，土體隧洞埋深的深淺對(duì)洞室變形影響很大。

2.1.2 隧洞收斂變形狀態(tài)

收斂變形監(jiān)測(cè)斷面間距為25m，在埋深10～20m的洞段中，監(jiān)測(cè)時(shí)間 25天左右各監(jiān)測(cè)斷面的資料顯示，收斂值一般在4～18mm之間，收斂速率一般在 0.07～5.35mm/d之間，該洞段最大收斂變形量約為18mm左右，平均收斂速率為0.74mm/d；收斂值、收斂速率均較小，各監(jiān)測(cè)斷面拱角2-3測(cè)線的收斂值，均大于側(cè)墻4-5測(cè)線的收斂值，說明在該埋深洞段以拱角2-3測(cè)線變形為主。

其典型的收斂變形狀態(tài)如圖 4、5所示。圍巖初期加速變形一般為前 3～4d、距離掌子面兩倍洞徑時(shí)完成，開始趨向減速變形。在掌子面前進(jìn)過程中，下沉變形階段性的加速，形成變形臺(tái)階，變形已收斂?？刂贫词易冃蔚闹饕枪敖?-3、側(cè)墻4-5測(cè)線。

圖4 頂拱下沉監(jiān)測(cè)成果圖

圖5 頂拱下沉監(jiān)測(cè)成果圖

圖6 頂拱下沉監(jiān)測(cè)成果圖

以SL1-5斷面為例，停測(cè)時(shí)監(jiān)測(cè)天數(shù)27天，距離掌子面40m，收斂變形拱角2-3測(cè)線11.30mm，側(cè)墻 4-5測(cè)線 4.55mm；拱角 2-3測(cè)線收斂速率為0.17mm/d，側(cè)墻4-5測(cè)線收斂速率為0.09 mm/d，收斂值、收斂速率均較小。從圖4中可以看出，收斂變形趨于穩(wěn)定變形，呈等速變形狀態(tài)，說明變形已收斂，變形量和變形速率均在監(jiān)控指標(biāo)范圍內(nèi)，對(duì)二襯混凝土的厚度沒有影響。

從圖6中可以看出，收斂過程線沒有明顯的拐點(diǎn)，收斂變形量呈勻速增加，沒有收斂的跡象，各監(jiān)測(cè)斷面拱角2-3測(cè)線的收斂值，均小于側(cè)墻4-5測(cè)線的收斂值，說明在該埋深洞段以側(cè)墻4-5測(cè)線變形為主（見圖6）。

各監(jiān)測(cè)斷面的資料顯示，該洞段的變形明顯高于埋深淺洞段的變形，目前的變形已遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)的監(jiān)控指標(biāo)的范圍，在一襯噴射混凝土面上可見明顯的縱向和橫向裂縫，嚴(yán)重影響二襯混凝土的厚度和洞室安全。為此設(shè)計(jì)和施工方及時(shí)采取措施，用工字鋼對(duì)格柵拱架底角進(jìn)行水平橫向支撐，格柵拱架間距從1.0m改為0.5m，限制住了洞室水平向變形，效果明顯。支護(hù)后同期拱角2-3、側(cè)墻4-5測(cè)線的收斂值、收斂速率均比支護(hù)前小了一半，保證了洞室的安全和二襯混凝土的厚度。

2.2 施工期與永久期觀測(cè)相結(jié)合的觀測(cè)

這種觀測(cè)儀器主要采用從地表埋入巖體的多點(diǎn)位移計(jì)2套。每套5個(gè)測(cè)點(diǎn)（傳感器距開挖面分別為 0.5m、1.7m、4.3m、9.7m和 20.7m距離，在施工前埋設(shè)）；開挖后距開挖面1.0m埋入巖體單點(diǎn)位移計(jì) 2 只，雙點(diǎn)位移計(jì) 2 套；在錨桿上安裝錨桿應(yīng)力計(jì) 3 支，在格柵拱架上安裝應(yīng)力計(jì) 3 支。

各種監(jiān)測(cè)儀器工作正常，監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)律與收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，格柵鋼筋計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力在開挖距離1.5倍洞徑以內(nèi)增長(zhǎng)較快，以后緩慢發(fā)展，格柵應(yīng)力在3倍洞徑以后，開挖1個(gè)月以后，受力趨于穩(wěn)定，錨桿由于圍巖蠕變效應(yīng)，趨于穩(wěn)定時(shí)間和距離長(zhǎng)一些。頂拱巖體變形較小，洞內(nèi)位移計(jì)變形值在6mm以下，地表多點(diǎn)位移計(jì)最大變形值在17mm以下，越靠近洞頂變形越大，遠(yuǎn)離洞頂變形越小,其中多點(diǎn)位移計(jì)因?yàn)樵陂_挖前從地表鉆孔埋入巖體，所以測(cè)得了施工全過程的變形值，該儀器已工作1年,利用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)了襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

根據(jù)收斂變形實(shí)測(cè)資料和變形曲線圖分析，阿克土木蘇隧洞變形較大，具有一定流變特性，圍巖屬較典型的粘彈性體。具有較強(qiáng)的膨脹性，且?guī)r體含水率大，其變形的時(shí)間效應(yīng)在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)接近開挖進(jìn)尺產(chǎn)生的空間效應(yīng)，應(yīng)加大支護(hù)強(qiáng)度并適當(dāng)預(yù)留變形量，控制和減小變形發(fā)展，并在適宜的時(shí)間和開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)進(jìn)行二次襯砌。根據(jù)開挖掌子面通過多點(diǎn)位移的時(shí)間及變形情況分析，開挖掌子面距離多點(diǎn)位移計(jì)1.5倍洞徑時(shí)變形速率隨進(jìn)尺逐漸增加，掌子面超過觀測(cè)斷面20～25m以后變形速率降至0.01mm/d，二次襯砌完成后變形停止。位移計(jì)觀測(cè)變形值均小于收斂變形值，變形規(guī)律符合軟巖隧洞的一般特征。

3 一次支護(hù)后變形特性

在泥巖地段一次支護(hù)以后，在淺埋深洞段，圍巖變形較小，變形值在18mm以下，開挖距離在1.5倍洞徑以內(nèi)，變形速率在1～6mm/d之間，當(dāng)開挖過去3倍洞徑以后，圍巖變形空間效應(yīng)釋放完畢，轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間效應(yīng)，圍巖變形蠕變效應(yīng)明顯，變形速率在0.05～0.20mm/d之間，變形隨時(shí)間繼續(xù)蠕變。而在深埋深洞段，上述效應(yīng)基本消失，收斂變形量呈勻速增加，沒有收斂的跡象，圍巖變形較大，變形值達(dá)280mm，收斂速率一般在3～15mm/d之間。

一般規(guī)律，當(dāng)圍巖變形達(dá)到總變形的80%～90%時(shí)，是施工二襯混凝土的最佳時(shí)機(jī)，但此工程深埋深洞段，在按現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案施工過程中，完全違背了上述規(guī)律，測(cè)不到總變形，如想測(cè)總變形有可能導(dǎo)致洞室坍塌。這也是在此地質(zhì)條件下，該隧洞深埋深洞段圍巖變形與其他工程不同之處。

在軟巖隧洞開挖中，遇到膨脹巖或類似地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于巖體作用在支護(hù)體上的應(yīng)力較大，在這種情況下很難用一次支護(hù)來限制其變形量，而適當(dāng)加強(qiáng)一次支護(hù)，限制一次支護(hù)的變形速率，并根據(jù)實(shí)際情況預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃瘟?，及時(shí)進(jìn)行二襯混凝土施工，利用二襯混凝土來抵抗圍巖應(yīng)力，是一種可行的方法。

4 結(jié) 語

(1)軟巖地區(qū)隧洞開挖及支護(hù)應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”施工原則。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)信息分析及時(shí)調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，有效抑制了圍巖異常變形，確保隧洞施工安全現(xiàn)場(chǎng)施工要適時(shí)支護(hù)，當(dāng)變形速率較小，很快趨于穩(wěn)定，就應(yīng)該減弱一次支護(hù)。當(dāng)變形速率較大，空間效應(yīng)釋放完畢以后，變形繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)及時(shí)采取措施增加一次支護(hù)強(qiáng)度，抑制和減少變形速率及變形值，并根據(jù)實(shí)測(cè)變形應(yīng)力的變化，適時(shí)進(jìn)行二次襯砌。

(2)隧洞中強(qiáng)膨脹泥巖段后續(xù)施工中，采取加強(qiáng)一次支護(hù)，增大預(yù)留變形量，用工字鋼對(duì)格柵拱架底角進(jìn)行水平橫向支撐，格柵拱架間距從 1.0m改為0.5m，限制住了洞室水平向變形，效果明顯，并及時(shí)跟進(jìn)施工二襯混凝土，二襯混凝土與開挖掌子面距離保持在 40～50m，這是通過收斂監(jiān)測(cè)資料分析得到的較佳距離。利用二襯混凝土抵抗圍巖膨脹力的施工方法，較好解決了膨脹泥巖對(duì)隧洞施工的影響。一次支護(hù)中格柵拱架、砂漿錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土和錨桿加混凝土封閉底板限制圍巖變形作用顯著，對(duì)圍巖安全穩(wěn)定起到很大作用，說明這種支護(hù)方式是行之有效。