天平山隧道軟巖施工控制技術(shù)研究

李興軍LI Xing-jun

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程公司，太原 030024）

（The 3rd Engineering Co.，Ltd.of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan 030024，China）

1 工程概況

天平山隧道（DK366+862～DK380+874，全長14012m）位于廣西自治區(qū)桂林市范圍內(nèi)，隧道最大埋深775m，雙線單洞，是貴廣鐵路的控制性工程之一。

2 工程地質(zhì)情況

隧道范圍內(nèi)覆土主要有第四系全新統(tǒng)地層，洞身穿過奧陶系、寒武系地層，以砂巖、頁巖為主，且洞身段穿越四條區(qū)域性大斷層，地下水發(fā)育，砂巖儲水性較好，裂隙發(fā)育，含水帶范圍廣闊。因此，該隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，塌方、突水、突泥、圍巖變形等各種不良地質(zhì)相互交錯(cuò)、相互影響。

3 隧道軟巖力學(xué)分析

巖體本身的物理性質(zhì)是決定巖體破壞的主要因素，因此，天平山隧道變形問題的研究，首先從研究軟巖本身的特性開始。軟巖中的泥質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)面控制了軟巖的工程力學(xué)特性，一般來說軟巖具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、可塑性、吸水膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等特點(diǎn)。

4 軟巖變形及破壞特點(diǎn)

隧洞開挖后，在巖體中形成了一個(gè)自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；若這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆等，前者稱為變形，后者稱為破壞。天平山隧道內(nèi)的巖性基本為層狀結(jié)構(gòu)，層狀巖體圍巖的變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等因素控制，其破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。

5 施工中支護(hù)體系變形破壞情況

由于前期對炭質(zhì)頁巖、板巖、石英巖、風(fēng)化砂巖等巖體互層交錯(cuò)或單體的高地應(yīng)力變形的能力、能量、持續(xù)時(shí)間等判斷不準(zhǔn)，施工中按照原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)施工，造成了前期施工過程中支護(hù)體系變形超限，數(shù)次發(fā)生大面積初支開裂、局部砼擠壓剝落、掉塊、鋼架扭曲斷裂的險(xiǎn)情，變形主要集中在拱頂、拱腰部位。

6 施工中的變形控制研究

6.1 正洞軟巖變形試驗(yàn)段位置選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘探報(bào)告，在天平山隧道在DK371+600～K372+600、DK376+100～DK377+100 等段洞身基巖為以頁巖、炭質(zhì)頁巖為主的軟質(zhì)巖，埋深大，可能存在擠壓性變形問題。為給后續(xù)施工提供經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合2#斜井位置，安排DK372+535～DK372+335 為軟巖變形試驗(yàn)段。在試驗(yàn)段支護(hù)參數(shù)的選擇上，充分考慮了軟巖具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、可塑性、吸水膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等特性，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，并且在施工中及時(shí)動態(tài)調(diào)整，最后取得整個(gè)隧道的施工支護(hù)參數(shù)，作為指導(dǎo)施工的依據(jù)。

6.2 擬采用的隧道施工方法

在軟巖區(qū)段可采用兩臺階或三臺階法，各工序及時(shí)緊跟，施作精細(xì)到位，質(zhì)量過關(guān)，排除施工不力造成大變形的因素。并注意拱腳及墻腳的穩(wěn)定措施，仰拱封閉距離等。

6.3 大變形分級控制及擬定支護(hù)參數(shù)

6.3.1 大變形分級基準(zhǔn)

對于天平山雙線大斷面隧道，按如表1 相對變形進(jìn)行大變形分級。

6.3.2 變形控制支護(hù)參數(shù)

可能會產(chǎn)生大變形的情況分析：

①常規(guī)變形：薄層炭質(zhì)頁巖或頁巖夾砂巖互層。

②I 級大變形：厚層炭質(zhì)頁巖。

③II 級大變形：厚層炭質(zhì)千枚巖，地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈。

④III 級大變形：厚層炭質(zhì)千枚巖，地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，伴有地下水滲流。

根據(jù)上述大變形分級標(biāo)準(zhǔn)，分別采取相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)如表2 所示。

說明：①常規(guī)變形采用常規(guī)V 級雙線隧道設(shè)計(jì)參數(shù)。

②I 級大變形在常規(guī)參數(shù)基礎(chǔ)上及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)噴10cm網(wǎng)噴混凝土。

③II 級大變形采用雙層支護(hù)，補(bǔ)工16 鋼架及18cm 網(wǎng)噴混凝土。

④III 級大變形采用加強(qiáng)雙層支護(hù)，并采取掌子面加固措施，可采用鋼管或玻璃纖維管注漿方式。

表1 天平山隧道量測變形分級

圖1 變形量測測點(diǎn)布置

⑤各級大變形，均根據(jù)變形量測數(shù)據(jù)及時(shí)反饋，及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)措施，以避免支護(hù)拆換。

6.4 試驗(yàn)段現(xiàn)場測試項(xiàng)目

試驗(yàn)斷面安排根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，斜井交叉斷后DK372+535～DK372+335 范圍，各項(xiàng)試驗(yàn)段長40m,并進(jìn)行工法效果檢驗(yàn)。

6.4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過開展試驗(yàn)，進(jìn)行工字剛鋼架和H 型鋼架效果對比，掌握軟巖大變形隧道圍巖應(yīng)力釋放和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律，提出變形控制標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的施工工法、施工措施。

①圍巖參數(shù)現(xiàn)場原位和取樣試驗(yàn)。

②斷面變形特征分析（不同施工開挖方式、不同支護(hù)強(qiáng)度）。

③適應(yīng)于變形特征的不等參支護(hù)參數(shù)的確定。

④合理的預(yù)留變形量。

⑤剛架（強(qiáng)化格柵、H 型鋼）與錨桿施作順序?qū)ψ冃蔚挠绊懛治鲈囼?yàn)、錨桿分部施作方法（先關(guān)鍵部位）。

⑥初支補(bǔ)強(qiáng)方法及參數(shù)，試驗(yàn)內(nèi)容詳見表2。

6.4.2 圍巖參數(shù)現(xiàn)場原位和取樣試驗(yàn)

選擇有代表性區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場原位巖體抗剪斷試驗(yàn)和巖體變形試驗(yàn)，取樣室內(nèi)進(jìn)行巖體強(qiáng)度和變形參數(shù)試驗(yàn)。

6.4.3 量測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)斷面及量測項(xiàng)目如表3 所示。測點(diǎn)布置如圖1 所示。

表2 不同變形等級的支護(hù)參數(shù)

表3 每試驗(yàn)段測試項(xiàng)目及測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

6.4.4 量測方法

支護(hù)應(yīng)力、圍巖及支護(hù)變形(位移)現(xiàn)場測試包括試驗(yàn)段收斂位移、掌子面內(nèi)部位移、圍巖壓力、襯砌接觸壓力、噴混凝土應(yīng)力、鋼架應(yīng)力、錨桿軸力、二襯混凝土應(yīng)力等。

①收斂位移監(jiān)測方法。結(jié)合收斂儀和斷面儀進(jìn)行監(jiān)測，每天量測一次，直至變形基本穩(wěn)定為止。

②圍巖壓力及接觸壓力監(jiān)測方法。采用振弦式雙膜壓力盒，頻率接收儀進(jìn)行監(jiān)測，每天量測一次，直至壓力基本穩(wěn)定為止。

③鋼架應(yīng)力監(jiān)測方法。采用外貼振弦式應(yīng)變計(jì)，頻率接收儀進(jìn)行監(jiān)測，每天量測一次，直至壓力基本穩(wěn)定為止。

④支護(hù)混凝土應(yīng)力監(jiān)測方法。采用埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，頻率接收儀進(jìn)行監(jiān)測，每天量測一次，直至壓力基本穩(wěn)定為止。

6.5 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及達(dá)到的目標(biāo)

為天平山隧道軟巖區(qū)段安全施工提供重要技術(shù)支撐，確保施工安全。

①支護(hù)由強(qiáng)至弱。在沒有完全掌握變形特點(diǎn)和變形規(guī)律之前，可采用強(qiáng)支護(hù)，避免變形超限后，在軟弱圍巖地段進(jìn)行換拱的極高安全風(fēng)險(xiǎn)，通過變形量測和應(yīng)力應(yīng)變量測，逐漸減弱支護(hù)參數(shù)。

②預(yù)留加固空間。在開挖時(shí)，不僅按照常規(guī)預(yù)留圍巖變形量，而且還要考慮預(yù)留在變形超限時(shí)進(jìn)行二次初支加固空間，預(yù)留變形量可根據(jù)量測和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行由大到小逐步調(diào)整。

③仰拱、襯砌加強(qiáng)。在沒掌握變形規(guī)律和變形持續(xù)時(shí)間之前，仰拱、襯砌按照原設(shè)計(jì)提高一個(gè)圍巖級別，留有安全余量，防止圍巖持續(xù)變形，作用到仰拱、襯砌上的應(yīng)力超限。在試驗(yàn)段施工過程中根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)再進(jìn)行逐步調(diào)整，確保隧道施工及以后的運(yùn)營安全。

④初期支護(hù)施工要“強(qiáng)”、“快”、“穩(wěn)”。優(yōu)化初期支護(hù)參數(shù)，在施工過程中嚴(yán)格按照試驗(yàn)參數(shù)規(guī)范施工，確保滿足支護(hù)體系的設(shè)計(jì)承載能力，達(dá)到強(qiáng)支護(hù)抑制變形的目的。同時(shí)加強(qiáng)工序銜接管理，高效組織，實(shí)現(xiàn)快速封閉成環(huán)，減小施工因素造成的拱部沉降、周邊收斂。同時(shí)在軟弱圍巖地段施工要本著安全第一的原則，切不可盲目冒進(jìn)。

⑤地質(zhì)探測及判別。準(zhǔn)確掌握掌子面前方地質(zhì)情況是確定軟巖支護(hù)參數(shù)控制軟巖變形的關(guān)鍵。在施工過程中采用先進(jìn)的RPD-150 地質(zhì)鉆機(jī)，對掌子面前方50～100 米范圍圍巖進(jìn)行鉆探取芯，探測掌子面正前方及隧道周邊地質(zhì)情況。由于鉆探存在盲區(qū)，所以在鉆探之外還采用了TSP-203 地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行物探，每100 米探測一次。同時(shí)配置專業(yè)的地質(zhì)工程師進(jìn)行地質(zhì)素描，然后綜合各類探測成果得出圍巖判定表，為支護(hù)參數(shù)擬定提供支撐。

⑥支護(hù)體系量測。圍巖變形、應(yīng)力的大小、時(shí)效、變形趨勢是判斷軟巖支護(hù)參數(shù)的重要依據(jù)。在量測系統(tǒng)中采用全站儀無尺量測方法，對圍巖拱頂下沉、水平收斂進(jìn)行量測，及時(shí)采集量測數(shù)據(jù)，利用回歸曲線法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判定變形等級；采用預(yù)埋壓力盒、應(yīng)變計(jì)等對鋼架應(yīng)力、錨桿軸力、圍巖應(yīng)力、接觸壓力等進(jìn)行量測，將量測結(jié)果進(jìn)行分析，對支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行評估，判定支護(hù)參數(shù)強(qiáng)弱，確定后續(xù)施工合理支護(hù)參數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)I 型支護(hù)參數(shù)在確保安全質(zhì)量的前提下，既有效地控制了有害變形，同時(shí)也兼顧了經(jīng)濟(jì)節(jié)約和加快施工進(jìn)度的作用，可以作為全隧道軟巖變形段的施工支護(hù)參數(shù)。

7 結(jié)束語

軟巖地質(zhì)條件下的大斷面隧道施工采用多分部施工法，通過小斷面、支護(hù)及時(shí)封閉、臨時(shí)支護(hù)等技術(shù)來阻止沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等破壞形式，確保隧道穩(wěn)定性，有其積極意義，但它限制了大型施工機(jī)械的使用，進(jìn)度慢、安全性差,多次擾動也增加了一定的安全隱患。本課題研究軟巖地質(zhì)條件下的臺階法安全施工方法的控制理論和控制方法,包括核心土、超前支護(hù)、超前加固、開挖進(jìn)尺、支護(hù)封閉距離及上述措施的綜合應(yīng)用,對于類似工程的施工有很大借鑒意義。

[1]肖翔.吊溝嶺隧道軟巖施工方法研究[D].西南交通大學(xué)，2008.

[2]畢冬輝.新奧法隧道軟巖施工技術(shù)[J].市政技術(shù)，2011（04）.

[3]李文濤，張穎.直眼掏槽在隧洞軟巖施工中的應(yīng)用及爆破參數(shù)優(yōu)化[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（01）.