隧道初支變形原因分析及有效綜合處理措施

魏欣

摘要： 四川省汶馬高速公路米亞羅3號隧道右線K163+970～+905段隧道圍巖具有膨脹性，施工期間多次出現(xiàn)初期支護(hù)混凝土環(huán)向、縱向變形開裂，表層起皮掉塊，初支鋼架嚴(yán)重變形，部分初期支護(hù)嚴(yán)重侵限等多種質(zhì)量問題。文章重點闡述了隧道產(chǎn)生初支變形的分析過程及采取的針對性綜合整治措施。

Abstract： The surrounding rock of the K163 + 970 ～ + 905 tunnel on the right side of Miyaluo No.3 tunnel of Wenma Expressway in Sichuan Province has expansive properties. During the construction period， many quality problems occurred， such as circumferential and longitudinal deformation and cracking of initial supporting concrete， surface peeling off， early support steel frame serious deformation， part of the initial support serious damage and so on. This paper focuses on the analysis process of the initial support deformation of the tunnel and the comprehensive measures to be taken.

關(guān)鍵詞： 公路隧道；膨脹性圍巖；初支變形；整治措施

Key words： highway tunnel；expansive surrounding rock；initial branch deformation；remediation measures

中圖分類號：U459.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0136-03

0 引言

四川省汶馬高速公路米亞羅3號隧道為左右線分離式隧道，隧道間距為25～40m，右線起訖里程K162+723～K166+000，長度4277m。采用雙曲線半圓拱的斷面形式，隧道凈寬10.9m，隧道凈高7.2m。

施工期間米亞羅3號隧道右線K163+970～+910段洞頂發(fā)生初期支護(hù)砼縱向開裂、掉塊現(xiàn)象，下邊墻連接板處初期支護(hù)擠出下沉開裂，邊墻初期支護(hù)墻面不均勻擠出，拱頂滲水。鋼架變形超限。部分拱頂初期支護(hù)拱架形成褶曲，受力結(jié)構(gòu)破壞等隧道病害。

此段原設(shè)計圍巖為Ⅳ級，采用Z4型襯砌支護(hù)，超前支護(hù)采用？準(zhǔn)22藥卷錨桿支護(hù)。

經(jīng)過分析研究病害產(chǎn)生的原因，并采取針對性的綜合有效處理措施和施工方法，完成了此段隧道的變形整治?，F(xiàn)將整治此段隧道的技術(shù)措施及特殊工藝及方法作如下介紹。

1 工程地質(zhì)概況

此段變形隧道由大里程向小里程方向掘進(jìn)。K163+950里程的地質(zhì)情況較為典型：

掌子面揭露圍巖以泥質(zhì)千枚巖、板巖互層夾變質(zhì)砂巖組成。掌子面左部和中部灰色薄層板巖、泥質(zhì)千枚巖互層，擠壓強(qiáng)烈，富含石英脈巖層紊亂極破碎，已軟化泥化，圍巖自穩(wěn)能力極差，導(dǎo)致超挖嚴(yán)重；右部為薄層板巖和薄～中厚層變質(zhì)砂巖互層含石英脈夾少量千枚巖，受構(gòu)造擠壓影響強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育雜亂，節(jié)理裂隙相互切割，導(dǎo)致巖體破碎，呈裂隙塊狀～碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)。掌子面地下裂隙水呈點滴～線狀流出并有一小股狀流水。

圍巖中的強(qiáng)風(fēng)化千枚巖、強(qiáng)風(fēng)化石英巖經(jīng)過土工試驗，其自由膨脹率（δef）為53%，結(jié)合其它指標(biāo)判定圍巖為具有遇水弱膨脹性質(zhì)的軟巖。

2 初支變形的原因分析

①圍巖中強(qiáng)風(fēng)化千枚巖和石英巖，具有遇水弱膨脹性質(zhì)。但是地質(zhì)勘察、設(shè)計及施工階段因圍巖膨脹性較低而忽視，對膨脹性造成的地質(zhì)危害程度估計不夠，所采取的初支結(jié)構(gòu)承載能力不足，施工時也沒能針對膨脹圍巖而采取相的施工技術(shù)措施。當(dāng)圍巖應(yīng)力聚集達(dá)到一定值后，造成初期支護(hù)急劇變形破壞，初期支護(hù)受力結(jié)構(gòu)被破壞后，變形進(jìn)一步加劇，造成初期支護(hù)侵限。因此膨脹性圍巖膨脹應(yīng)力的產(chǎn)生是導(dǎo)致初支變形的主要原因。

②本隧道地下水為受季節(jié)影響而水位發(fā)生變化的裂隙水，圍巖受地下水作用而反復(fù)遇水膨脹、失水干縮，使得圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化、軟化及泥化嚴(yán)重，因其具有膨脹性，圍巖本身聚集著較高的地應(yīng)力，隧道開挖使聚集的應(yīng)力部分得到釋放，部分而未能及時得到釋放的應(yīng)力作用于初支上。當(dāng)圍巖應(yīng)力得到釋放時，其巖體變松馳而產(chǎn)生更多、更大的裂隙，加速了地下水的滲入，促進(jìn)了巖體的吸水膨脹。前后膨脹圍巖應(yīng)力的疊加，導(dǎo)致初支出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。

③長時間未能澆筑二次襯砌也是初支變形加大的原因之一。

3 初支變形整治措施

3.1 整治初支變形的方向

根據(jù)本隧道產(chǎn)生初支變形的原因，采取了以下三項針對性措施。

一是加固原本已松馳破碎的圍巖，使其從破碎的塊狀凝結(jié)成穩(wěn)固整體，形成具有自承載能力的平衡拱，降低圍巖的變形位移量。這方面主要通過設(shè)置錨桿、壓漿等措施。二是加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力強(qiáng)度、剛度，提高初支的承載能力。主要通過加密鋼拱架，加強(qiáng)初支間的聯(lián)結(jié)，設(shè)置自進(jìn)式錨桿聯(lián)結(jié)鋼架等措施。三是及時澆筑襯砌，使襯砌與初支共同形成承載能力強(qiáng)大的環(huán)狀整體結(jié)構(gòu)。

3.2 具體的綜合整治方案

隧道初支大部分出現(xiàn)變形及超限，需進(jìn)行拆除、擴(kuò)挖后重新進(jìn)行初期支護(hù)的施工。新初支設(shè)置R51N自進(jìn)式注漿長錨桿，同時沿隧道全環(huán)設(shè)置？準(zhǔn)42注漿管。通過深孔注漿將圍巖松散破碎央塊聯(lián)結(jié)成穩(wěn)固整體，使其具有自承載能力環(huán)狀整體，大幅減少圍巖作用于初支上的壓力。并設(shè)置縱向[20槽鋼將錨桿與工字鋼拱架通過螺栓聯(lián)結(jié)（圖1），大幅提高鋼架的承受圍巖壓力的能力。

R51N自進(jìn)式注漿錨桿長10m，每斷面在拱墻處設(shè)置9根，在抑拱處設(shè)置5根，沿隧道縱向間距為2.0m。注漿管長度為4m，隧道全環(huán)按間距為1.5m梅花型設(shè)置。

初支采用網(wǎng)距為20cm×20cm的？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)，厚25cm的C25鋼纖維噴砼，全封閉型I20b鋼架（其間距由原設(shè)計的100cm加密至50cm）。

4 初支變形段施工的技術(shù)要點

①增設(shè)臨時支撐，確保安全。為了確保安全，換拱前沿隧道縱向每隔100cm設(shè)置1處臨時支撐鋼架，臨時支撐采用[18a槽鋼加工而成，槽鋼支撐與噴砼的間隙使用硬雜木楔緊。

②拱墻部位的原有初支拆除。拱墻部位的初支拆換施工每循環(huán)僅進(jìn)行1榀鋼架。采用液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行初支噴砼的拆除。割除鋼架、連接筋及鋼筋網(wǎng)，拆除初支后擴(kuò)挖隧道圍巖至斷面要求的尺寸。

③封閉圍巖。圍巖開挖后立即噴射厚約3cm的鋼纖維砼，以及時將圍巖開挖面封閉，以防止圍巖風(fēng)化，避免圍巖坍塌。新立的I20b鋼架按每0.5m設(shè)置1榀。鋼架間采用？準(zhǔn)22螺紋鋼筋焊接連接。鋪網(wǎng)距20cm×20cm的？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)，噴射厚25cm的C25鋼纖維砼。

④自進(jìn)式錨桿及注漿小導(dǎo)管施工。進(jìn)行自進(jìn)式錨桿及注漿小導(dǎo)管的施工，通過槽鋼將鋼架與錨桿連錨，壓注水泥漿，使破碎圍巖固結(jié)。

R51N錨桿采用鑿巖臺車打設(shè)，與槽鋼連接后壓注水灰比為0.35～0.45水泥漿，壓漿壓力取4.0～5.0MPa。

注漿小導(dǎo)管采用？準(zhǔn)42無縫鋼管加工而成，沿管身每20cm打？準(zhǔn)8mm孔。采用風(fēng)槍鉆孔后插管。壓注水灰比為0.35～0.45水泥漿，壓漿壓力控制在1.5MPa以內(nèi)，孔口設(shè)置止?jié){塞及排氣孔。

⑤仰拱拆除及更換。仰拱部位的拆除及更換與墻拱相似，每次鑿換長度控制在4m內(nèi)。

⑥監(jiān)控量測。加強(qiáng)監(jiān)控量測，以檢驗整治措施及施工方法是否合理及安全，把量測信息及時反饋，根據(jù)量測信息的分析結(jié)果，對整治的方法及措施做出調(diào)整及修正。

⑦襯砌緊跟。完成變形初支的整治后，緊跟進(jìn)行襯砌的澆筑。并要盡量減少襯砌施工各工序施作時間，及早形成整體承載。

5 初支變形的整治效果

整治后布設(shè)測點進(jìn)行拱頂下沉、圍巖收斂及仰拱高程等的量測。

每個量測斷面布置1個拱頂下沉點和2條凈空水平收斂量測線。沿隧道縱向每5m設(shè)一個監(jiān)控量測斷面。觀察時間為30天，觀察頻率為前15天每天1次。后15天每兩天1次。

監(jiān)控量測結(jié)果如表1所示。

從表中可看出，拱頂下沉、周邊收斂值及速率均在規(guī)范要求的安全值范圍內(nèi)。仰拱高程沒有變化，表明隧道仰拱無隆起現(xiàn)象。

監(jiān)控量測結(jié)果說明按照本項目的整治方法進(jìn)行初支變形整治取得了預(yù)期效果。

6 膨脹性圍巖尚未掘進(jìn)段的施工措施

根據(jù)變形段整治后，總結(jié)了經(jīng)驗，對圍巖特性有了更深入了解，在隧道新掘進(jìn)段采取的支護(hù)方案及施工方法如下。

6.1 施工原則

①圍巖開挖后，及時噴射砼將暴露巖石封閉，最大程度地避免巖石遇水膨脹而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。②強(qiáng)化超前注漿及徑向注漿，通過注漿將破碎圍巖固結(jié)與整體，提高了圍巖自承載能力，降低作用于初支及襯砌的圍巖壓力。③使用能夠在一定程度內(nèi)變形的柔性鋼架，使圍巖能夠釋放大部分應(yīng)力。④初支鋼架及隧道襯砌及早成環(huán)。達(dá)到承載條件最好的狀態(tài)，以更好地承受地應(yīng)力。⑤隧道預(yù)留足夠變形量，以確保成型的襯砌厚度及隧道凈空滿足設(shè)計要求，避免返工。

6.2 開挖方法及初支方案

①開挖方法。采用環(huán)形開挖留核心土法施工。

②超前支護(hù)方案。

膨脹巖內(nèi)本身積聚了一定的應(yīng)力，開挖后應(yīng)力釋放使圍巖出現(xiàn)較大變形，且?guī)r體破碎，故成孔困難。本項目采用自進(jìn)式錨桿及超前注漿小導(dǎo)管的聯(lián)合超前支護(hù)方式。

超前支護(hù)范圍為拱部120度。自進(jìn)式錨桿與小導(dǎo)管沿隧道開輪廓線外按80cm間隔布置，外插角1～2度。自進(jìn)式錨桿長度為12m，小導(dǎo)管長度為6m，搭接長度大于1m。

③初期支護(hù)方案。

圍巖開挖后立即噴射厚約為3cm的鋼纖維砼，以及時將圍巖開挖封閉，以防止圍巖風(fēng)化，避免圍巖坍塌。

采取柔性可收縮鋼架，以便順應(yīng)隧道開挖后圍巖初期變形要求，較剛性鋼架而言，大幅度降低了圍巖壓應(yīng)力。可收縮鋼架采用I20b工字鋼制成，在兩側(cè)邊墻部位各安裝了一個可縮性接頭，其可收縮量為30cm。按每0.5m設(shè)置1榀。鋼架間采用？準(zhǔn)22螺紋鋼筋焊接連接。每個邊墻底部的鋼架腳部增設(shè)2根？準(zhǔn)42、4m長的鎖腳導(dǎo)管，與鋼架焊接，以避免鋼架向隧道內(nèi)變形。

鋪網(wǎng)距20cm×20cm的？準(zhǔn)8鋼筋網(wǎng)，噴射厚25cm的C25鋼纖維砼。

系統(tǒng)錨桿采用長4m的？準(zhǔn)25自進(jìn)式中空注漿錨桿，按1.0m×1.0m間距梅花型布設(shè)。并徑向按3.0m×3.0m間距增設(shè)長4m的？準(zhǔn)42注漿管注漿，以增強(qiáng)圍巖牢固性和整體性。

④仰拱及襯砌。

仰拱施工及時跟進(jìn)，不能滯后于掌子面超過30m，并全幅一次性施工。

襯砌也要及時跟進(jìn)，但也不能過早，要在圍巖應(yīng)力得到較為充分的釋放后進(jìn)行施工，本項目選擇在圍巖變形速率由快速轉(zhuǎn)變成平緩后及時安排澆筑。

7 結(jié)束語

本項目針對膨脹圍巖引起的初支變形采取的整治措施取得了良好的效果。同時在后序隧道掘進(jìn)施工時采取的超前支護(hù)、初期支護(hù)方案及施工方法也取得了成功，沒有再出現(xiàn)初支變形超限及破壞等現(xiàn)象。為膨脹巖隧道的施工提供了可借鑒的經(jīng)驗。

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