煤系地層隧道大變形分析及處治措施

王立宏

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056)

1 工程概況

廣東省某高速公路采用雙向六車道，設計速度為120 km/h。某隧道為分離式隧道，左線長565 m，右線長640 m。

隧址區(qū)地形地貌為構造侵蝕、溶蝕地貌類型，區(qū)內(nèi)地層巖性由新到老分別為第四系坡、殘積土，下石炭系測水組和下石炭系石磴子組地層。該隧道穿越地段上覆粉質(zhì)粘土，土體松散，強度及穩(wěn)定性極差，厚度較大;全、強風化灰?guī)r中隱伏巖溶發(fā)育，巖溶強烈發(fā)育。YK97+760～YK97+890段隧道穿越煤系地層，巖體主要為煤層、炭質(zhì)頁巖及炭質(zhì)灰?guī)r互層，全～強風化，呈土狀或半巖半土狀，結構松散，強度以及穩(wěn)定性差。整個隧道圍巖均劃分為V級。

2 支護參數(shù)

隧道的開挖寬達17.95 m，高達12.2 m，開面面積為174.9 m2，斷面的扁平率為0.68，其受力性能較差。隧道采用雙側壁導坑法開挖，變大斷面為小斷面，及時封閉，減小開挖引起的塑性區(qū)范圍。隧道襯砌的支護參數(shù)如下:

超前支護:拱部120°范圍內(nèi)設φ42超前小導管，小導管環(huán)向間距為40 cm，縱向間距為200 cm。

初期支護:噴30 cm厚C25混凝土;Ⅰ22b工字鋼拱架，拱架間距為50 cm;D25中空注漿錨桿，L=4 m，環(huán)向間距為100 cm，縱向間距50 cm;雙層鋼筋網(wǎng)。

二襯:60 cm厚C25鋼筋混凝土結構。

3 隧道變形特點

右側壁掌子面開挖至YK97+789，左側壁掌子面開挖至YK97+774。右側壁YK97+782～YK97+765、左側壁YK97+772～YK97+766段初期支護變形量增大，通過設置的監(jiān)測斷面YK97+968監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示，半月來洞內(nèi)累計收斂達到360.60 mm，日均變形量約24 mm。

通過現(xiàn)場查勘，變形段噴射混凝土表面出現(xiàn)裂紋，部分嚴重的地方出現(xiàn)掉塊，局部地區(qū)由于噴射混凝土的脫落，工字鋼裸露。臨時側壁側的部分工字鋼被壓扭曲?，F(xiàn)場采用反壓回填和加設臨時支撐的方式抑制了變形的繼續(xù)發(fā)展。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，降雨期間初期支護的洞頂下沉仍有較為明顯的加劇趨勢。

4 隧道變形分析

4.1 斷面結構力學分析

整個隧道開挖斷面達174.9 m2，扁平率小。大變形處隧道埋深約30 m，隧道拱頂很難形成可靠的承載拱。就隧道斷面而言，其整體受力性能差。

1)側導坑斷面呈“高瘦”形，其承受側向水平荷載能力較差。隧道開挖后由于初支上圍巖壓力不均勻，加之初支抗彎剛度相對小，在彎剪作用下，初期支護的變形較大。

2)隧道核心土斷面矢跨比較小，在拱頂部分地段初期支護局部可能受拉，對襯砌的穩(wěn)定極為不利。

3)隧道底腳處的應力集中過大，對地基承載力的要求高［1］。而本隧道仰拱一般敷設于煤系地層中，其承載力小，需對其進行加固改良。

4.2 工程地質(zhì)條件

1)工程地質(zhì)分析。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示，隧道所屬山脈是處于江灣河斷裂和乳源河斷裂所夾持的孤立巨山。經(jīng)歷了燕山、喜山等兩期構造運動。構造運動后地層中脆性巖石裂隙發(fā)育，柔性巖石扭曲褶皺發(fā)育。通過現(xiàn)場勘探顯示隧址區(qū)發(fā)育著兩斷層。

隧址區(qū)圍巖的單軸抗壓強度低，完整性差，圍巖強度不足以承受開挖后釋放荷載，塑性變形大［2］。

2)水的分析。該段隧道地下水為表層殘坡積粉質(zhì)粘土、碎石土中的孔隙水、煤層中的孔隙水和炭質(zhì)頁巖中的裂隙水。水量大小受溶蝕、裂隙發(fā)育程度及季節(jié)變化影響，補給來源主要為大氣降水下滲補給，圍巖具有較強的透水性。

隧址區(qū)雨季持續(xù)時間長，雨水特別充沛。當?shù)叵滤聺B，煤層與炭質(zhì)頁巖遇水泥化，自重加大，土體的抗剪強度降低。同時受降雨的影響，土巖接觸面水量增大，降低部分土巖接觸面的粘結力。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，降雨期間支護的變形有明顯的加劇趨勢。

4.3 施工分析

1)由于隧道埋深較小，圍巖應力水平較低，且隧道分部開挖，圍巖本身在初期支護實施前大部分應力已經(jīng)釋放［3］。施工時初期支護工字鋼分段施作，由于受其自身剛度和現(xiàn)場連接精度的影響，工字鋼本身對圍巖的側向約束能力有限，并未能有效的維持圍巖的三維應力狀態(tài)。

2)側壁導坑采用臺階法開挖。在臺階底部設置20b工字鋼以迅速封閉初支以確保側壁的穩(wěn)定。通過現(xiàn)場查勘，初支大變形處工字鋼臨時橫撐受壓扭曲，部分橫撐脫落。由于臨時支撐兩端受力的不確定性，部分工字鋼發(fā)生了繞其截面強軸的彎曲失穩(wěn)，部分工字鋼發(fā)生了繞截面弱軸的彎扭失穩(wěn)。由于工字鋼本身為細長構件，在受偏心壓力的作用下工字鋼失穩(wěn)破壞。此處單獨采用工字鋼橫撐無法發(fā)揮材料的性能。

3)隧道穿越煤系地層，但部分地段有灰?guī)r入侵，多呈孤石狀，在開挖的過程需采取爆破。由于爆破對圍巖的擾動和對周圍初期支護的擾動較大，加劇了初期支護的失效。

4)左側導洞初期支護的仰拱滯后過長，導致該段側壁初期支護長時間不封閉。初支閉合的長度越長，導致初支上荷載越大［3］。

5)現(xiàn)場存在部分不按設計圖紙施工的情況，如掌子面開挖后不初噴，少打系統(tǒng)錨桿，超前支護不注漿等。

施工中采用的雙側壁導坑法，雖在控制地表沉降和水平位移方面起到了一定的作用，但由于其劃分的斷面多，施工工序繁瑣，對圍巖的擾動次數(shù)多，易導致圍巖失穩(wěn)。

5 初支變形處治措施

在分析了前述初支大變形產(chǎn)生原因的基礎上，結合本隧道穿越煤系地層的實際情況，為防止煤系地層剩余段初支發(fā)生類似病害，提出了“加固圍巖，改善變形，變形留夠，及時封閉，底部加強”的處治措施原則。

5.1 超前地質(zhì)預報

采用水平鉆取芯進行超前地質(zhì)預報，查明掌子面前方圍巖類型、軟硬程度、風化程度以及圍巖的產(chǎn)狀、裂隙以及其相互接觸關系。左右側壁開挖的時候，對掌子面進行地質(zhì)素描，為后期核心土的開挖提供地質(zhì)參考。

5.2 超前支護

由于煤系地層自穩(wěn)時間短，需采用強有力的超前支護以確保掌子面拱頂及其前方的穩(wěn)定性，故采用雙層小導管超前支護。小導管長3.5 m，縱向排距為1.5 m。

5.3 預留變形量

本隧道埋深淺，隧道斷面大。絕大部分圍巖的變位在初期支護施作前已完成，伴隨著這一過程，地層應力得到釋放或者向圍巖深部轉移［3］。因此必須適當加大初期支護的預留變形量，以防止初支變形后侵入二襯空間，優(yōu)化后的預留變形量由原設計的15 cm增至30 cm。

5.4 初期支護

1)鋼支撐的選取:現(xiàn)場對兩種方案進行比選。a.22b工字鋼，縱向間距50 cm;b.重型格柵，格柵采用6Φ28，縱向間距40 cm。其沿隧道縱向2 m的縱斷面布置如圖1所示。

圖1 鋼拱架縱斷面布置圖

采用抗彎剛度等價代換，兩者抗彎剛度的計算如表1所示。

表1 鋼拱架與鋼格柵剛度對比表

若采用鋼格柵，剛度將增加約4.5%，剛度增加不明顯，且格柵鋼架的含筋量較鋼拱架的含鋼量大。

軟弱圍巖中，鋼拱架的應力分布較均勻且隨時間變化較平穩(wěn)，而鋼筋格柵的應力分布變異較大，局部易產(chǎn)生應力集中［4］。加之本隧道主要承受松散荷載，開挖后圍巖卸荷時間快，要求初支在第一時間內(nèi)有一定剛度和強度，最終決定采用原設計的22b@50 cm。

2)拱部、墻部徑向注漿加固:煤系地層中，中空注漿錨桿的錨固和注漿效果較差，加之現(xiàn)場施工困難，通過部分試驗段檢測顯示其改良加固圍巖效果不佳。鑒于此，取消原設計的中空注漿錨桿，采用 φ42小導管，L=4.0 m，間距100(環(huán))×50(縱)。徑向注漿采用水泥漿液，漿液水灰比1∶1，采用間歇式注漿。注漿遵循“先邊墻，后仰拱，隔孔跳排注漿”的原則。

3)隧底加固:現(xiàn)場開挖揭示仰拱處為松散煤層和強風化炭質(zhì)頁巖，遂采用φ42小導管注漿加固隧底地層，小導管長3.5 m，間距為100 cm(環(huán)向)×100 cm(縱向)。注漿后隧底的地基承載力得到了顯著的改善，仰拱下塑性區(qū)也明顯減少。

5.5 側導坑開挖與支護

側壁導坑的開挖采用三臺階法。為了及早的封閉斷面，每個臺階的底部設置臨時橫撐。對于部分水量加大的地方，對臨時橫撐加噴混凝土，將其改設為臨時仰拱，提高橫撐的穩(wěn)定性，確保施工的安全進行。

5.6 二次襯砌

由于在該類圍巖中，隧道開挖后變形速率大，很難獲得收斂的變形曲線，也很難滿足規(guī)范中對一般隧道的二襯施作時機的要求，為保證結構的安全，在有條件的情況下，要求二襯緊跟隧道掌子面。

6 結語

該段隧道已施工，現(xiàn)場監(jiān)控量測資料顯示，對煤系地層的該種處治措施是可行的。

1)對于軟弱地層中的淺埋隧道，可適當加大初期支護的預留變形量以防止初支變形較大而侵入二襯空間。

2)煤系地層中的系統(tǒng)錨桿錨固作用不明顯，建議采用小導管注漿加固圍巖，改善圍巖的物理力學參數(shù)。

3)煤系地層中圍巖和支護的相互作用“時空效應”明顯，開挖后應盡可能迅速的施作初期支護，“步步成環(huán)”，以防止圍巖發(fā)生過大的塑性變形。

［1］傅鶴林，郭 磊，歐陽剛杰，等.大跨度隧道施工力學行為及襯砌裂縫產(chǎn)生機理［M］.北京:科學出版社，2009:10-11.

［2］齊 甦，楊家凱，劉進學.鐘公穿煤隧道圍巖穩(wěn)定性分析與施工［J］.施工技術，2004，39(1):52-54.

［3］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004:149-151.

［4］趙 勇，劉建友，田四明.深埋隧道軟弱圍巖支護體系受力特性的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，30(8):1663-1670.