隧道軟巖大變形處治與控制方法探討

【摘要】某公路隧道穿越軟巖破碎帶時(shí)發(fā)生大變形，本文在分析大變形的原因的基礎(chǔ)上總結(jié)出了軟巖大變形防治措施，優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】隧道施工；軟巖變形；防治措施

1、工程概況

某特長公路隧道設(shè)計(jì)為分離式單向雙車道，隧道左線6848m，右線全長6868m，隧道洞深最大埋深470m，線間距42m，施工時(shí)從隧道兩端掘進(jìn)。未設(shè)斜井及豎井等輔助坑道。施工中均采用復(fù)合襯砌，鉆爆法施工，該隧道地處祁呂弧形斷褶帶等構(gòu)造體系的交匯部分，地處祁連多字型構(gòu)造的槽地，隧道所處區(qū)段構(gòu)造單元屬安遠(yuǎn)斷坳，被夾持于古浪斷褶帶與烏鞘嶺斷褶帶之間，隧道途經(jīng)安遠(yuǎn)拉分盆地、西北緣活動(dòng)斷裂（F9）大斷層構(gòu)成的“擠壓構(gòu)造帶”，在此帶中分布的地層為線紅色，淡紅色砂巖、礫巖。粉砂巖、頁巖、碳質(zhì)頁巖，灰?guī)r加碳質(zhì)頁巖交匯互層，三疊系砂巖夾頁巖及薄層煤，及斷層帶中的構(gòu)造碎裂巖，泥礫巖層、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道掘進(jìn)至ZK2403+365、YK2403+385薄層煤、F9次生斷裂帶等軟弱圍巖地段時(shí)發(fā)生了大變形，單側(cè)最大變形達(dá)到600mm，見表1）致使初期支護(hù)破壞并嚴(yán)重侵入隧道襯砌凈空。

為確保隧道襯砌凈空，將初砌支護(hù)開裂。未侵占二襯段落進(jìn)行加固處理，對(duì)已侵占二襯的段落全部或部分拆除重做，并對(duì)該變形段落的二次襯砌鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)。對(duì)還未施工段落的初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，工程嚴(yán)重受阻，進(jìn)度滯后。因此，分析隧道軟巖圍巖大變形原因，及大變形防治技術(shù)對(duì)隧道施工具有重要意義。

2、軟巖大變形整治

針對(duì)該隧道軟巖大變形情況，經(jīng)共同研究，并吸取國內(nèi)外整治大變形的經(jīng)驗(yàn)，提出如下整治措施：

2.1用8m長Φ28自進(jìn)式注漿錨桿對(duì)兩側(cè)拱腰及邊墻部進(jìn)行加固.間距75cm（縱向）×100（環(huán)）拱墻范圍每環(huán)14根，錨桿長度8m。

該錨桿自帶鉆頭、在發(fā)生坍孔時(shí)仍能鉆進(jìn)孔位，且桿體為中空、水泥漿從錨桿頭涌出，尾部帶有止?jié){塞，可保證注漿飽滿，注漿壓力可達(dá)到2.0Mpa，漿液壓入巖層裂隙范圍大，加固圍巖的效果優(yōu)于普通錨桿。

2.2拱部采用4m長Φ22早強(qiáng)水泥藥卷錨桿加固。藥卷直徑較鉆孔直徑小20mm左右，藥卷長度為20-30cm，間距75cm（縱）×100（環(huán)）。

2.3隧道兩側(cè)邊墻起拱線縱向裂縫處施作4排Φ42×4mm注漿小導(dǎo)管，長度4m。

2.4加固完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析變形段趨于穩(wěn)定，然后對(duì)已侵入二次襯砌的段落全部或部分拆除或擴(kuò)挖，并采取了換拱處理。

2.5加大預(yù)留變形量，為防止噴層變形和侵入二次襯砌的凈空，預(yù)留變形量由原設(shè)計(jì)SVC20cm調(diào)整為40cm。

2.6對(duì)變形段二次襯砌的鋼筋由原設(shè)計(jì)主筋Φ22間距25cm調(diào)整為主筋Φ25、間距20cm。

2.7及時(shí)施作仰拱及二襯在變形還未穩(wěn)定之前施作二次襯砌，讓二次襯砌也承受部分荷載。

2.8調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)，將原設(shè)計(jì)I20a型鋼縱向間距由75cm調(diào)整為50cm，初期支護(hù)的系統(tǒng)錨桿調(diào)整為拱部采用4m長Φ22早強(qiáng)水泥藥卷錨桿，拱腰及邊墻部采用6m長D25中空注漿錨桿。

3、整治后的效果

經(jīng)采用上述措施后，大變形得到整治，變形趨于穩(wěn)定，已開裂或混凝土薄落地段未發(fā)現(xiàn)有新的變化，監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)也趨于穩(wěn)定。后期掘進(jìn)的段落施工完成后，結(jié)構(gòu)完好；未出現(xiàn)任何開裂現(xiàn)象，即鋼拱架扭曲現(xiàn)象。

4、隧道軟巖變形原因

4.1圍巖強(qiáng)度對(duì)隧道變形的影響

該隧道穿過F9斷層帶構(gòu)成“擠壓構(gòu)造帶”隧道左右線分別穿過了砂礫巖、碎礫石夾泥土雜砂巖、碳質(zhì)頁巖、薄煤層地段，該地段節(jié)理發(fā)育局部巖體破碎，抗風(fēng)化能力差。由于各種巖體抗壓強(qiáng)度不同，開挖后圍巖變形程度差異較大，當(dāng)圍巖壓力超過巖體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖體發(fā)生變形破壞。由于以上軟弱圍巖的抗壓強(qiáng)度較低，開挖后易發(fā)生流塑性變形，因此軟弱圍巖是隧道發(fā)生變形的重要因素。

4.2初期支護(hù)對(duì)隧道變形的影響

碳質(zhì)頁巖、薄煤層地段圍巖及其破碎、抗風(fēng)化能力差，圍巖開挖后易風(fēng)化，開挖面在封閉之后形成了一個(gè)松動(dòng)圈，致使初期支護(hù)無法承受松動(dòng)圈所產(chǎn)生的荷載發(fā)生開裂、混凝土剝落、掉皮，鋼拱架扭曲變形等現(xiàn)象。

4.3設(shè)計(jì)預(yù)留變形量偏小

設(shè)計(jì)預(yù)留變形量V級(jí)SVC圍巖為20cm，通過監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)該段隧道拱頂沉降達(dá)到47cm，單側(cè)收斂達(dá)到60cm，對(duì)該段變形量大的區(qū)段設(shè)計(jì)預(yù)留變形量偏小。

4.4施工方法對(duì)隧道變形的影響

隧道施工方法也是影響變形的重要因素，由于工期緊、現(xiàn)場(chǎng)管理復(fù)雜、預(yù)防軟巖變形的措施力度不強(qiáng)，仰拱施作有時(shí)滯后。二次襯砌未及時(shí)跟進(jìn)，上、下臺(tái)階法施工時(shí)上下臺(tái)階距離偏大等都是直接影響軟弱圍巖變形的因素。

5、軟弱圍巖隧道大變形防治技術(shù)措施探討

隧道施工采用新奧法，將“先柔后剛”“以柔克剛”的理念應(yīng)用于隧道施工中，“以柔克剛”是開挖后先設(shè)置柔性支護(hù)，允許地層有一定程度的變形，以此釋放地應(yīng)力后再設(shè)置剛性支護(hù)。

5.1措施得當(dāng)、控制變形

通過長錨桿、水泥藥卷Φ42注漿小導(dǎo)管加固圍巖、增加預(yù)留變形量和調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)等措施控制大變形。

長錨桿是主動(dòng)控制軟巖大變形的重要手段，隧道碳質(zhì)頁巖地段系統(tǒng)錨桿拱部采用4m長Φ22早強(qiáng)水泥藥卷錨桿；拱腰及邊墻采用6m長D25中空注漿錨桿；將原設(shè)計(jì)的鋼拱架縱向間距由75cm調(diào)整為50cm。

5.2“先柔后剛”、“以柔克剛”

先柔后剛是指先施作柔性初期支護(hù)體系，再施作剛性二次襯砌。允許二襯承受適當(dāng)?shù)膰鷰r荷載。以柔克剛是指主要以錨噴網(wǎng)鋼筋砼。長錨桿和型鋼鋼架等組合的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同作用。承受圍絕大部分威嚴(yán)壓力和變形。

5.3預(yù)留變形量、謹(jǐn)防侵入凈空

軟弱圍巖段確定開挖輪廓線外，必須要預(yù)留合理的變形量，以預(yù)防初期限支護(hù)變形后侵入二襯凈空，同時(shí)適量的預(yù)留變形量可釋放地應(yīng)力。V級(jí)圍巖軟弱段宜預(yù)留30cm—40cm變形量。

5.4封閉成環(huán)、防止局部變形擴(kuò)大

仰拱要及時(shí)跟進(jìn)，仰拱應(yīng)在拱墻施作后及時(shí)施作，不應(yīng)滯后過多，這樣可及時(shí)封閉成環(huán)，有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼度和受荷能力。

5.5開挖時(shí)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)

施工時(shí)盡量減少誘發(fā)圍巖變形的不利因素，控制圍巖的發(fā)展；做到“短開挖”“弱爆破”嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，采用減弱振動(dòng)爆破技術(shù)，減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，采用預(yù)支護(hù)，對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，加固破碎圍巖。開挖循環(huán)進(jìn)尺宜控制在0.5m-0.75m。

5.6多支護(hù)（強(qiáng)支護(hù)）

先利用長錨桿控制軟巖大變形，再采用錨噴網(wǎng)柔性支護(hù)和工字鋼支撐；在限制圍巖變形的同時(shí)允許圍巖釋放部分位移，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。

5.7短臺(tái)階法開挖，及時(shí)封閉（早封閉）

施工時(shí)采用短臺(tái)階法開挖，嚴(yán)格控制施工安全距離，開挖循環(huán)進(jìn)尺，確保由于仰拱的及時(shí)施作，可有效減緩圍巖變形速率，使初期支護(hù)及早成環(huán)，與圍巖一起形成拱，控制軟巖大變形。掌子面距離仰拱不超過20m。掌子面距離二襯不超過50m。

5.8加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

在隧道施工中、尤其是軟弱變形段；要切實(shí)做好監(jiān)控量測(cè)工作，以便準(zhǔn)確掌握圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，合理調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，指導(dǎo)施工工藝，為隧道工程快速掘進(jìn)，支護(hù)材料的提前準(zhǔn)備以及災(zāi)害事故的有效預(yù)防提拱可靠的資料與信息，實(shí)現(xiàn)隧道施工的“信息化、動(dòng)態(tài)化”。

6、結(jié)論及見意

6.1自進(jìn)式注漿長錨桿是加固軟巖控制變形的主要手段，將錨桿打入圍巖松動(dòng)圈外，再注漿。該錨桿自帶鉆頭、在發(fā)生坍孔時(shí)仍能鉆進(jìn)孔位，且桿體為中空、水泥漿從錨桿頭涌出，尾部帶有止?jié){塞，可保證注漿飽滿，注漿壓力可達(dá)到2.0Mpa，漿液壓入巖層裂隙范圍大，加固圍巖的效果優(yōu)于普通錨桿。

6.2在軟弱圍巖段應(yīng)貫徹“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)（多重支護(hù)）、早封閉、勤量測(cè)”的方針進(jìn)行施工。

6.3在軟弱圍巖段、宜采用“先柔后剛”、“先放后抗”，不宜采用“以剛克剛”的理念。

6.4在軟弱圍巖段的施工中應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌，在初期支護(hù)未穩(wěn)定之前施作二次襯砌，讓二次襯砌也承受部分荷載。

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