大斷面軟巖偏壓隧道變形原因分析與處理

■陽小峻 ■中交二航局第五工程分公司，湖北 武漢 430012

1 工程概況

改建鐵路成昆線廣通至昆明段擴能改造工程(DK945+650～DK1091+600)線路由廣通北起，經(jīng)一平浪、祿豐、雙湄村、溫泉及讀書鋪，終至昆明西，全長106．241km。金家營隧道位于云南省祿豐縣金山鎮(zhèn)南雄村境內(nèi)，隧道起訖里程為DK982+007～DK982+934，全長927米，隧道設(shè)計為單洞雙線隧道，設(shè)計時速200KMd客運共用。

隧道屬中高低山丘陵區(qū)，地形起伏較小，自然坡度約5度～30度，局部較陡，植被發(fā)育。隧道上覆第四季全新統(tǒng)坡殘積(Qdl+el)松軟土，粉質(zhì)黏土、膨脹土;下伏基巖為前震旦系昆陽群鵝頭廠組(Ptld)千枚狀板巖、角礫巖、泥質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖等。地下水以土層空隙潛水和基巖為主:土層空隙潛水主要賦存于溝槽內(nèi)土體中，但水體以滲透為主，雨季受地表補給，水量較豐富;巖層含水以透水性差的千枚狀板巖、泥質(zhì)板巖、角礫巖為主，基巖裂隙水含量較少。但(14-3)層千枚狀板巖中夾白云巖，故基巖中可能存在少量巖溶管道水。同時隧道進口端洞身DK982+020～300存在偏壓危害;隧道出口段洞身DK982+600～+940存在偏壓危害。

DK982+203～242段隧道施工中，因此段屬于順層偏壓段，圍巖屬于Ⅴ級圍巖，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。施工中在 DK982+203～240段隧道左右側(cè)以及拱頂出現(xiàn)嚴重變形;隧道有些地方出現(xiàn)橫向裂紋，寬度達4㎝，且局部有時還有混凝土塊掉下來。其中隧道左側(cè)最大變形量達76㎝，拱頂沉降最大處達20㎝，隧道變形如下圖1

圖1 隧道變形圖

2 成因分析

DK982+203～242段工程地質(zhì)復(fù)雜，此段屬于順層偏壓段，其中隧道此段最小埋深30m，圍巖類型差;又因此段隧道沒有引起高度重視，沒有過多考慮圍巖復(fù)雜類型，開挖隧道時沒有嚴格按三臺階七步開挖法施工，導(dǎo)致隧道大變形。隧道變形具體成因大致為以下幾個方面:

(1)圍巖軟弱，承載力不足。隧道此段地質(zhì)以千枚狀板巖、白云巖與炭質(zhì)板巖等節(jié)理縫隙發(fā)育，富含地下水。特別是此段施工中炭質(zhì)板巖分布在隧道橫斷面左右兩側(cè)，炭質(zhì)板巖遇水軟化，造成承載力不足;據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果顯示，此段施工中拱頂沉降累計值達205mm。

(2)偏壓嚴重，隧道橫向位移。因受地形、設(shè)計選線等多種因素制約，隧道進出口均沿山坡等高線穿行，且地形較陡，隧道左右側(cè)覆蓋層厚度相差懸殊，側(cè)壓力大。特別是進口段，隧道覆蓋層厚度5～36m，施工中有塌方和側(cè)向擠壓滑移變形危險。據(jù)該隧道偏壓特點，增設(shè)隧道橫向位移觀測項目，即沿隧道中心線，每5m設(shè)置1個觀測點，每周用全站儀檢測隧道橫向位移情況。通過對隧道橫向位移觀測，2周累計橫向位移值達61mm，隧道橫向存在不穩(wěn)定因素。

(3)施工過程控制不嚴。施工過程中現(xiàn)場沒有嚴格按三臺階七步開挖法進行施工，中下臺階開挖施工中沒有按施工作業(yè)書進行施工，造成開挖中上臺階拱架兩側(cè)處于懸空狀態(tài)，造成初支產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)加大拱架下沉;施工沒有做好掌子面排水工作，炭質(zhì)板巖遇水軟化，出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象，拱腳部位因泡水，造成承載力不夠。

3 處理措施

隧道發(fā)生大變形后，首先對變形大的地段進行加固，防止變形加大或引起坍塌。采用臨時橫撐進行及時加固，臨時橫撐及豎向支撐均采用I20b工字鋼，縱向間距按1米布置，初支工字鋼焊接牢固。各臨時橫撐和豎向支撐采用Φ22螺紋鋼連接，環(huán)向間距1m，將臨時各鋼架進行有效連接，各支撐工字鋼長度可據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整，具體布置見圖2臨時支撐布置圖，以阻止隧道變形惡化。

圖2 臨時支撐布局圖

(1)處理原則。針對現(xiàn)場地質(zhì)特點及前期施工中出現(xiàn)的問題，經(jīng)對監(jiān)控量測資料分析研究后，確定該隧道施工加固處理原則:提高圍巖自穩(wěn)能力，約束隧道橫向位移，確保承載力滿足設(shè)計要求，確保施工安全。

(2)處理方案。據(jù)本工程特點與結(jié)合相關(guān)類似工程處理措施，最終采用Φ42鋼管注漿加固洞身圍巖，加固完對隧道變形段進行侵限處理。

Φ42鋼管注漿加固:固結(jié)松動圈圍巖，提高圍巖抗剪強度及自支護能力，減小支護上松動壓力，使圍巖與支護共同受力，減少初期支護上承受偏壓荷載。施工工藝:在變形段拱墻部位，徑向打設(shè)Φ42花管，按1m×1m梅花型布設(shè)，花管長4m。注水灰比為1∶1水泥水玻璃漿，注漿壓力0．5～1MPa。加固完后侵限處理采取拱架逐榀折除，人工風鎬進行處理，嚴禁采用爆破，每處理完6米馬上進行襯砌。

4 施工工藝流程

4．1 隧道圍巖加固

在處理隧道變形初支侵限前，首先要對隧道圍巖進行加固，以防止隧道變形加大。采用加設(shè)Ф42環(huán)向小導(dǎo)管并注漿，間距 1m(縱)*1m(環(huán))，鉆孔位置具體見圖3隧道洞身圍巖加固圖，水泥-水玻璃雙液高壓注漿工藝，注漿終壓不小于1Mpa，注漿采取先單數(shù)孔注漿，雙數(shù)孔做觀測孔，單數(shù)孔注漿完畢后，再對雙數(shù)孔進行注漿。

圖3 隧道洞身圍巖加固圖

①施工準備:搭設(shè)工作平臺，同時進行注漿設(shè)備準備、管材加工、材料準備、機具準備。②小導(dǎo)管安裝:測量放樣，在設(shè)計孔位上做好標記，用風動鑿巖機鉆孔，孔徑較設(shè)計導(dǎo)管管外徑大20mm以上。成孔后將小導(dǎo)管按設(shè)計要求插入孔中，尾部與鋼架焊接牢固，與鋼架共同組成支護體系。③注漿:注漿前先沖洗管內(nèi)沉積物，漿液先稀后濃，由下至上順序進行。單孔注漿壓力達到設(shè)計要求值，持續(xù)注漿10min且進漿速度為開始進漿速度的l/4或進漿量達到設(shè)計進漿量80%及以上時注漿方可結(jié)束。小導(dǎo)管注漿采用水泥漿液(添加水泥重量5%的水玻璃)，注漿參數(shù)如下:水泥漿水灰比:1∶1;水玻璃濃度:35波美度;注漿壓力:一般為O．5～1．OMPa;漿液初凝時間:80～120min;注漿施工中認真填寫注漿記錄，隨時分析和改進作業(yè)，并注意觀察施工支護工作面狀態(tài)。注漿參數(shù)應(yīng)據(jù)注漿試驗結(jié)果及現(xiàn)場情況調(diào)整。

4．2 隧道初支侵限處理

在隧道圍巖加固完成后，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后開始處理初支侵限。首先測量組檢查隧道變形詳細情況，每隔1m測量一個斷面，測量出變形后數(shù)據(jù)，提供給施工技術(shù)人員，按照數(shù)據(jù)進行侵限處理。在處理侵限當中，因隧道左邊變形大，先從左邊開始進行處理，采用人工風鎬進行處理，接著開始處理右邊，直到6米長全部處理完畢。

隧道侵限處理工序:測量→拆除臨時支撐→拆除噴射混凝土→切割鋼筋、鋼拱→重新安裝鋼筋、鋼拱→噴射砼→測量→下一榀

在處理完6m長隧道初期支護變形后，應(yīng)據(jù)量測結(jié)果確定二次襯砌施作的適當時間，施作過早可能使二次襯砌承受過大荷載，施作過遲則可能使初期支護破壞。及時對二次襯砌進行施作。

4．3 隧道監(jiān)控量測

因隧道變形大，應(yīng)適當增加量測斷面及量測頻率，每2至5米布置一個斷面，每四小時量測一次，進行匯報制度。主要是測量洞內(nèi)拱頂位置沉降、洞內(nèi)收斂。每天按監(jiān)控頻率進行測量、分析、比較測量數(shù)據(jù)，及時反饋給指揮部。

經(jīng)一個多月艱苦奮戰(zhàn)，約40m的侵限全部處理完畢。經(jīng)反復(fù)量測，拱頂最大沉降5mm，隧道最大收斂10mm，支護沒有裂縫和異常，達到預(yù)期目標。

5 體會

(1)愛護圍巖、保護圍巖是隧道施工最重要的原則，軟弱圍巖應(yīng)采取有效措施增強圍巖的自支護能力。(2)該隧道地處云南地區(qū)，該地區(qū)降雨豐富，又因隧道所處地質(zhì)松散軟弱，富含水分，圍巖且具遇水軟化，拱腳處承載力不足，隧道拱頂下沉明顯，建議拱腳采用大拱腳施工。(3)采用動態(tài)施工:設(shè)計→施工檢驗→地質(zhì)預(yù)報→量測反饋→修正設(shè)計的一體化設(shè)計施工管理系統(tǒng)。通過對圍巖動態(tài)評價及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析及時提供合適支護參數(shù)，進行動態(tài)設(shè)計和調(diào)整施工工法、預(yù)留沉降量、施工步距等。(4)軟弱圍巖嚴格按照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”原則施工。(5)建議隧道設(shè)計中盡量少采用偏壓隧道，以確保隧道結(jié)構(gòu)和運營的安全。

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