軟弱圍巖隧道變形破壞機(jī)制及處治措施

陶云平

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030032)

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軟弱圍巖隧道變形破壞機(jī)制及處治措施

陶云平

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030032)

為深入研究軟弱圍巖隧道產(chǎn)生變形破壞的機(jī)制及其處治措施，選取四方山隧道為工程實(shí)例，分析其產(chǎn)生局部掉塊、拱架剪切變形、塌方等病害的特征。在此基礎(chǔ)上研究了該隧道產(chǎn)生變形破壞的機(jī)制，從而有針對(duì)性地提出了相應(yīng)的處治措施，并利用數(shù)值模擬手段對(duì)處治效果進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：①四方山隧道產(chǎn)生變形破壞的主要原因在于其受到水平巖層、地應(yīng)力、地表防排水、人為因素等的影響；②采取加強(qiáng)初期支護(hù)及基底錨注加固措施后，該隧道水平、豎向位移得到有效控制，軟弱破碎圍巖中的節(jié)理、裂隙減少，避免了地下水滲入而引起的基底圍巖膨脹；③處治后,隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移大幅下降，圍巖塑性區(qū)范圍減小，豎向位移大幅降低，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，塌方變形處治效果良好。

軟弱圍巖；隧道變形；破壞機(jī)理；處治措施

隨著我國(guó)公路隧道建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，公路隧道工程逐步向崇山峻嶺地區(qū)發(fā)展，穿越軟弱圍巖地層的長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多。眾所周知，軟弱圍巖對(duì)于隧道工程的影響非常顯著，由于軟弱圍巖整體強(qiáng)度較低，在一定地應(yīng)力條件下，極易發(fā)生大變形及失穩(wěn)破壞，如基底失穩(wěn)、襯砌開(kāi)裂、大變形、塌方等[1]，直接威脅著隧道施工人員、機(jī)械的安全，而且會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)增高，影響工期。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟弱圍巖隧道破壞機(jī)理及其處治措施開(kāi)展了大量的研究。李鵬飛等[2]總結(jié)分析了軟弱圍巖隧道變形機(jī)制、變形時(shí)空效應(yīng)、變形特性，并提出了為控制掌子面超前變形、擠出變形及后方變形所采取的工程措施；張健儒[3]分析了軟弱圍巖工程地質(zhì)特性、軟巖隧道變形機(jī)制及變形控制的基本理念，并結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例提出軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及施工應(yīng)采取的相應(yīng)對(duì)策；饒軍應(yīng)等[4]針對(duì)軟弱圍巖塌方提出了一套基于“地表排水、圍巖注漿、襯砌增強(qiáng)、基底防降”的塌方綜合處治方案,并對(duì)方案實(shí)施后的效果進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。

四方山隧道穿越軟弱圍巖地層，在施工過(guò)程中多次發(fā)生變形破壞，出現(xiàn)局部掉塊、初支開(kāi)裂、鋼拱架扭曲變形、塌方等病害，嚴(yán)重影響了施工安全，增大了施工成本。因此，筆者結(jié)合四方山隧道的工程特性，深入研究其發(fā)生變形破壞的機(jī)制及特性，從而有針對(duì)性地提出處治措施，并對(duì)處治后的效果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，結(jié)果可為類(lèi)似工程提供借鑒。

1　工程概況

四方山隧道位于欽州至崇左高速公路中段，是一座雙向四車(chē)道分離式特長(zhǎng)隧道，左線長(zhǎng)3 400 m，右線長(zhǎng)3 390 m，行車(chē)道寬2×3.5 m，建筑界限為凈高5.5 m，凈寬10.5 m。隧道穿越地段最高點(diǎn)約690 m，最低點(diǎn)位于隧道出口處的斜坡坡腳一帶，約290 m，相對(duì)高差400 m。四方山隧道位于復(fù)式背斜之中，巖層整體傾向北，傾角20°～30°，屬單斜構(gòu)造，中間夾有小型褶曲，裂隙較發(fā)育，多呈閉合狀。

四方山隧道左線掘進(jìn)至ZK76+748時(shí)，掌子面前方10 m范圍內(nèi)的初期支護(hù)出現(xiàn)局部掉塊及多條裂縫，隨后裂縫寬度不斷增大，拱頂和拱腰部位變形明顯，格柵拱架?chē)?yán)重扭曲破壞，錨桿被拉出，最終產(chǎn)生塌方。此次塌方涌出物為溶洞填充物，包括碎石土夾大塊石、黏性土，黏性土呈可塑狀，局部呈流塑狀，渣體較松散。塌方體長(zhǎng)度約15 m，塌方量約1 200 m3，填充了整個(gè)隧道斷面。

2　四方山隧道變形破壞機(jī)制

2.1水平巖層的影響

塌方段地層主要為第四系殘坡積層，由黏土和碎石塊組成，由于其地勢(shì)較緩，坡積層基本呈水平層狀，層間黏結(jié)力較低，其結(jié)構(gòu)較為松散破碎。當(dāng)隧道開(kāi)挖后，水平巖層產(chǎn)生定向軟弱面，使得隧道邊墻部位圍巖壓力較小，而拱部圍巖壓力較大，導(dǎo)致水平巖層豎向裂隙錯(cuò)動(dòng)，從而使該隧道變形破壞以水平擠壓變形為主，呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)變形特點(diǎn)。

2.2地應(yīng)力的影響

為全面了解四方山隧道地應(yīng)力狀況，筆者采用水壓致裂試驗(yàn)對(duì)其水平、垂直方向的主應(yīng)力情況進(jìn)行測(cè)試。其結(jié)果顯示：在地應(yīng)力測(cè)試深度范圍內(nèi)，應(yīng)力作用以水平力為主，最大主應(yīng)力作用方向主要在N25°W—N35°W，與該隧道區(qū)域構(gòu)造線基本一致。因此，在該地應(yīng)力情況下，隧道拱部、邊墻處水平應(yīng)力較大。由于塌方段隧道位于復(fù)式背斜之中，巖層整體向北傾斜20°～30°，屬于單斜構(gòu)造，中間夾有小型褶皺帶，裂隙較發(fā)育。隧道開(kāi)挖前褶皺背斜、裂隙一般處于受力平衡狀態(tài)。當(dāng)隧道開(kāi)挖后，受水平主應(yīng)力擠壓作用的影響，拱部及邊墻部位圍巖失去平衡，從而導(dǎo)致其產(chǎn)生剪切破壞，初支混凝土嚴(yán)重開(kāi)裂，格柵鋼架出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲破壞，最終發(fā)展為塌方。

2.3地表防排水的影響

2.4人為因素

塌方段隧道在開(kāi)挖過(guò)程中由于圍巖破碎、含水量較大，其圍巖級(jí)別由Ⅳ級(jí)變更為Ⅴ級(jí)，采取相應(yīng)的初期支護(hù)加強(qiáng)與及時(shí)封閉成環(huán)的措施，但由于拱腳處圍巖破碎程度較高，基底承載力嚴(yán)重不足，導(dǎo)致鎖腳錨桿失效。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，塌方前隧道拱頂最大累計(jì)下沉量達(dá)3.4 cm，累計(jì)水平收斂值達(dá)5.0 cm，但未引起設(shè)計(jì)及施工人員的足夠重視，導(dǎo)致拱部初支鋼拱架急劇變形，直至產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲破壞，最終導(dǎo)致塌方。

3　四方山隧道變形破壞處治措施

3.1塌方體清除

清除塌方體應(yīng)采用三臺(tái)階法挖除，臺(tái)階長(zhǎng)度不大于3 m，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，以保證掌子面的穩(wěn)定性。下半斷面左右錯(cuò)開(kāi)馬口開(kāi)挖，仰拱及時(shí)封閉成環(huán)。對(duì)局部出露的大塊孤石應(yīng)松動(dòng)爆破后再挖除。

3.2加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

對(duì)于塌方區(qū)，首先使用直徑42 mm、長(zhǎng)度6 m、壁厚3.5 mm的無(wú)縫鋼管進(jìn)行注漿加固，其環(huán)向間距和縱向間距均為1.0 m，呈梅花型布設(shè)，漿液為雙液漿，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5；其次，塌方區(qū)的初期支護(hù)采用“鋼拱架+鎖腳錨管及環(huán)向小導(dǎo)管+雙層鋼筋網(wǎng)+C30早強(qiáng)噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)體系，其中鋼拱架用I20a型，縱向間距為0.5 m，鋼拱架之間用φ22 mm縱向螺紋鋼筋連接，其環(huán)向間距為1.0 m；錨管及小導(dǎo)管均選用φ42 mm、壁厚3.5 mm的無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)3.0 m，具體情況如圖1所示。

圖1　加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

完成小導(dǎo)管的施工后，布設(shè)φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)間距為20 cm×20 cm，鋼筋網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不少于20 cm；最后噴射25 cm厚的C30早強(qiáng)混凝土。

3.3隧道基底錨注加固

該隧道基底圍巖破碎，利用錨注方式對(duì)隧道拱腳、仰拱等部位進(jìn)行加固，一是可提高基底圍巖抗壓強(qiáng)度，避免拱腳過(guò)早破壞而引起隧道周邊收斂較大；二是通過(guò)漿液的擴(kuò)散，可有效減少破碎圍巖中的節(jié)理、裂隙，避免地下水滲入而引起基底圍巖膨脹。

根據(jù)實(shí)際情況，在隧道兩側(cè)拱腳部位設(shè)置高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿，其設(shè)計(jì)參數(shù)為直徑φ=22 mm，長(zhǎng)度L=2.8 m，間距1.0 m，排距1.5 m，錨桿抗拔力應(yīng)大于120 kN。隧道底板處注漿加固采用R32N型自鉆式中空注漿錨桿，縱向、環(huán)向間距均為1.0 m，為保證漿液充分?jǐn)U散，采用長(zhǎng)、短管交錯(cuò)布置[7-8]，長(zhǎng)管為4.5 m，短管為3.0 m，其具體平面布設(shè)情況如圖2所示。

圖2　隧道基底錨注加固

4　處治效果評(píng)價(jià)

擬采用大型有限元軟件對(duì)四方山隧道變形處治結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。建立二維平面模型，對(duì)隧道塌方段處治前后進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算區(qū)域上部取至實(shí)際地表，左、右部取為離隧道外緣約2倍的隧道凈寬，下部取為離隧道下緣約2倍的隧道凈高[9]。該模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，所得處治前后的隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)水平、豎向位移云圖如圖3—4所示。

表1　模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

圖3　隧道初期支護(hù)水平位移云圖

圖4　隧道初期支護(hù)豎向位移云圖

由圖3可以看出，原隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移的范圍較大，主要分布在隧道兩側(cè)拱肩及拱腳處，水平位移在兩側(cè)拱肩部位達(dá)到最大值，其值為15.43 cm；采取處治措施后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移的范圍大幅度減小，在兩側(cè)拱腳部位，水平位移達(dá)到最大值，為1.65 cm，僅為原最大值的10.7%。

由圖4可以看出，原隧道在初期支護(hù)施作完成后，由于其支護(hù)強(qiáng)度不足，圍巖塑性區(qū)不斷向外擴(kuò)展，拱頂下沉量不斷增大，其最大值達(dá)11.10 cm；同時(shí)，由于仰拱支護(hù)強(qiáng)度不足，隧道基底向上隆起量達(dá)13.70 cm；采取處治措施后，圍巖塑性區(qū)范圍大幅減小，拱頂下沉量最大值僅為3.42 mm，基底上隆量最大值僅為7.79 mm。

總之，采取加強(qiáng)初期支護(hù)及基底錨注加固后，水平、豎向位移得到有效控制，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表沉降及周邊位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以綜合判定隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，塌方變形處治效果良好。

5　結(jié)　語(yǔ)

1)由于四方山隧道水平巖層產(chǎn)生定向軟弱面，且隧址區(qū)內(nèi)地應(yīng)力的最大主應(yīng)力作用方向與該隧道區(qū)域構(gòu)造線基本一致，當(dāng)隧道開(kāi)挖后，在水平主應(yīng)力擠壓作用的影響下，拱部及邊墻部位圍巖失去平衡，從而導(dǎo)致其產(chǎn)生剪切破壞。

2)地表防排水措施不當(dāng)導(dǎo)致地下水位上升，一方面引起外荷載大幅增加，圍巖自承能力急劇下降；另一方面引起膨脹壓力，增大隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量，導(dǎo)致變形破壞。

3)由于設(shè)計(jì)、施工人員未對(duì)原隧道拱頂下沉量及水平收斂值引起足夠重視，未及時(shí)采取有效處治措施，導(dǎo)致拱部初支鋼拱架急劇變形，最終導(dǎo)致塌方。

4)采取加強(qiáng)初期支護(hù)及基底錨注加固措施后，一方面提高了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，減小其水平及豎向位移；另一方面減少了軟弱破碎圍巖中的節(jié)理、裂隙，避免了地下水滲入而引起的基底圍巖膨脹，避免了拱腳過(guò)早破壞而引起的隧道變形較大。

5)由數(shù)值模擬結(jié)果可知，處治后隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移大幅下降，圍巖塑性區(qū)范圍減小，豎向位移大幅降低，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以綜合判定隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，塌方變形處治效果良好。

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(責(zé)任編輯：?jiǎn)檀淦?

Damage Mechanism and Prevention Measures of Weak Surrounding Rock Tunnel Deformation

TAO Yunping

(China Railway 17th Bureau Group Railway No.5 Transportation Engineering Co., Ltd.， Taiyuan 030032， China)

In order to study the damage mechanism and prevention measures of the weak surrounding rock tunnel deformation, taking the Sifangshan tunnel as an engineering example, its disease characteristics of the local off-block, arch shear deformation and collapse were summarized and analyzed. Based on the analysis results, the deformation and failure mechanisms of tunnel were studied, and then the corresponding treatment measures were put forward. Furthermore, the numerical simulation tools were used to conduct a comprehensive evaluation of the treatment effect. The results show that: (1) the main reasons of deformation and failure are in the effect of horizontal stratum, ground stress, ground surface drainage and human factors; (2) after adopting the measures of strengthening initial supports and base anchoring-grouting, the horizontal and vertical displacements can be efficiently controlled, and the joints and fractures are reduced in the weak broken surrounding rocks to avoid the infiltration of groundwater which can cause the expansion of base surrounding rocks; (3) using numerical simulation tools to analyze the tunnel before and after being treated with, the analysis results show that the horizontal displacement of the initial support structure of tunnel dramatically drops after be treated with, the range of plastic zone in surrounding rock is reduced, and the vertical displacement is significantly reduced. Finally, the tunnel is in a stable state, and the treatment effect of collapse deformation is very well.

weak surrounding rock; tunnel deformation; damage mechanism; prevention measure

2015-10-12

陶云平(1984—)，男，山西太原人，工程師，主要從事公路工程施工管理方面的研究。E-mail:582991719@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.013

TV554;U452

A

1002-5634(2016)01-0069-04