膨脹圍巖隧道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)研究

趙朋濤

摘要： 本文結(jié)合房家灣隧道工程實(shí)例，對(duì)膨脹巖產(chǎn)生膨脹的原因進(jìn)行了分析，并根據(jù)本隧道膨脹巖的特殊性質(zhì)采取了一系列的技術(shù)措施，有效控制了膨脹圍巖變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成的破壞，確保了隧道施工安全。

Abstract： In this paper， combined with the real example of Fangjiawan Tunnel engineering， the causes of expansive rock are analyzed， and a series of technical measures are adopted according to the special properties of the expansive rock tunnel， effectively controlling the damage of the expansive surrounding rock deformation on the tunnel structure， and ensuring the safety of tunnel construction.

關(guān)鍵詞： 隧道；膨脹巖；地應(yīng)力；技術(shù)措施

Key words： tunnel；expansive rock；crustal stress；technical measures

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）34-0142-03

0 引言

進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工時(shí)，時(shí)常遇到隧道穿越頁(yè)巖、長(zhǎng)石、云母、泥巖等具有膨脹性質(zhì)的圍巖地帶，或穿越主要由親水類礦物組成的粘土。以上圍巖具有浸水體積增大等膨脹特性，膨脹后的圍巖顆粒離散、相互間粘結(jié)力嚴(yán)重降低。同時(shí)巖土的膨脹產(chǎn)生了巨大的膨脹壓力。通常膨脹圍巖所在地層具有超固結(jié)的特性，即圍巖存在較高的應(yīng)力比，即P0/Ra（P0為地應(yīng)力；Ra為圍巖的抗壓強(qiáng)度）較高。圍巖初始儲(chǔ)存有較高的壓應(yīng)力，當(dāng)隧道圍巖開(kāi)挖后，圍巖的初始?jí)簯?yīng)力得到釋放的同時(shí)，伴隨著體積產(chǎn)生膨脹。因此膨脹圍巖通常帶有明顯的塑性流變特點(diǎn)，掘挖后洞身往往出現(xiàn)較大的塑性變形。由于膨脹圍巖遇水膨脹及卸載膨脹，導(dǎo)致穿越膨脹巖土地段的隧道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌、洞壁變形、初支及二襯破壞等現(xiàn)象。本文結(jié)合西成客運(yùn)專線房家灣隧道施工的實(shí)踐，對(duì)膨脹圍巖隧道的掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)、措施進(jìn)行了總結(jié)及探討，以期為讀者進(jìn)行此類膨脹圍巖隧道的施工帶來(lái)一點(diǎn)啟示。

1 工程簡(jiǎn)介

新建鐵路西成客運(yùn)專線西安至江油段（陜西境內(nèi)）的房家灣隧道位于勉縣境內(nèi)，為大巴山低中山區(qū)，通過(guò)地區(qū)大部分山勢(shì)陡峻，隧道范圍地表高程一般為630～1300m?？傮w地形北高南低，地形陡峻，溝壑交織，溝谷多呈狹窄的V型。隧道進(jìn)口位于小河廟村對(duì)面、養(yǎng)家河左岸，出口位于漆壩鄉(xiāng)大灣村。隧道起訖里程DgK281+147～DgK289+708，全長(zhǎng)8561m，其中V級(jí)圍巖308m，IV級(jí)圍巖1806m，Ⅲ級(jí)圍巖3700m。為雙線隧道。隧道洞身最大埋深444m，隧道采用進(jìn)口橫洞和1#橫洞輔助施工。

本隧道涉及地層按新老順序主要為第四系全新統(tǒng)沖積、洪積膨脹土、圓礫土、卵石土，志留系下統(tǒng)頁(yè)巖，奧陶系下統(tǒng)砂巖夾礫巖、砂巖與頁(yè)巖互層、灰?guī)r夾砂巖夾頁(yè)巖，寒武系下統(tǒng)頁(yè)巖夾砂巖夾灰?guī)r。本隧道特殊巖土為膨脹土和膨脹巖。

因?qū)鷰r的地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)不足，且設(shè)計(jì)所采用的支護(hù)參數(shù)偏低，隧道DgK285+360～390段在掘進(jìn)開(kāi)挖不久，即出現(xiàn)較大的支護(hù)變形情況，經(jīng)持續(xù)15d的變形及位移監(jiān)控量測(cè)，測(cè)明變形速率在3.5～7.0cm/d之間，最大變形速率11.9cm/d，通常變形值為25～50cm，最大變形值達(dá)79cm。部分初支變形嚴(yán)重侵限，噴射的混凝土開(kāi)裂，局部噴射的混凝土呈塊狀脫落，工字鋼拱架也變形明顯，隧底有隆起跡象。

2 圍巖膨脹原因探索

進(jìn)行膨脹性圍巖隧道施工前，需了解圍巖礦物構(gòu)成，測(cè)試圍巖初始儲(chǔ)存的壓應(yīng)力，從而查明圍巖出現(xiàn)膨脹的根源及特性，再采取針對(duì)性的施工技術(shù)措施及支護(hù)方案。

經(jīng)對(duì)掌子面揭示的地質(zhì)情況進(jìn)行了詳細(xì)勘察，圍巖表觀整體呈棕、黃色，裂隙發(fā)育，裂隙充填灰白色黏土，土質(zhì)細(xì)膩，具滑感。進(jìn)行取樣土工試驗(yàn)，土樣自由膨脹率平均為78%，蒙脫石含量15.9%，具有弱-中等膨脹。

本段隧道埋深為385m，經(jīng)測(cè)定，圍巖初始地應(yīng)力（P0）處于7.25～9.39之間。圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度（Ra）為21.2MPa。應(yīng)力比P0/Ra=2.92～2.25<4.0，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003-2005）的分類標(biāo)準(zhǔn)，為高應(yīng)力，說(shuō)明圍巖中儲(chǔ)存著較高的初始地應(yīng)力，在開(kāi)挖卸載后變形顯著，且變形時(shí)間較長(zhǎng)，隧道洞身易坍塌。

3 膨脹圍巖段隧道施工的技術(shù)措施

了解了本項(xiàng)目圍巖膨脹產(chǎn)生的原因及特性后，結(jié)合膨脹圍巖隧道施工原則“加強(qiáng)圍巖、改善斷面、先柔后剛、先放后抗、預(yù)足變形、隧底加固”24字方針。采取了如下的具體掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)措施及方案。

3.1 加強(qiáng)圍巖 ①隧道進(jìn)行錨桿支護(hù)為圍巖加強(qiáng)最為有效的措施。錨桿長(zhǎng)度需超出膨脹圍巖的塑性半徑。錨桿長(zhǎng)度大于圍巖塑性半徑時(shí)，不僅提高了塑性區(qū)圍巖的自承載能力，且錨桿把塑性區(qū)與外圍彈性區(qū)聯(lián)結(jié)成穩(wěn)定整體，產(chǎn)生了良好的圍巖的徑向加固效果。且錨桿的長(zhǎng)度越大，其加強(qiáng)效果也就更好，但當(dāng)錨桿過(guò)長(zhǎng)時(shí)，施工難度加大，工程造價(jià)提高，且不能充分發(fā)揮超深錨桿部分的作用。如果錨桿長(zhǎng)度小于塑性區(qū)厚度，即錨桿全長(zhǎng)處于塑性區(qū)，則錨桿可隨著塑性區(qū)圍巖共同移動(dòng)，故圍巖仍容易出現(xiàn)剪切滑移破壞的質(zhì)量問(wèn)題。②一般圍巖塑性區(qū)厚度/錨桿長(zhǎng)度的比值為2/3能夠達(dá)到較好的處理效果。采用巖石力學(xué)的卡斯特納公式進(jìn)行圍巖塑性區(qū)確定。即通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)和聲波測(cè)式法測(cè)定圍巖松動(dòng)范圍來(lái)確定塑性區(qū)。③以往施工經(jīng)驗(yàn)證明，采用自進(jìn)式錨桿處理膨脹性圍巖的施工效果較佳，本項(xiàng)目使用了國(guó)產(chǎn)GMC自進(jìn)式錨桿，型號(hào)為R32。本項(xiàng)目確定的塑性區(qū)厚度為1.6～2.2m，采用的錨桿長(zhǎng)度為3.5m。④使用預(yù)應(yīng)力錨桿。為了控制圍巖在施做錨桿后的膨脹變形量，降低初支及二襯承受的圍巖膨脹應(yīng)力，錨桿的尾端設(shè)置1m長(zhǎng)的自由端，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，以抵制圍巖的膨脹應(yīng)力。端頭用厚8mm的18×18cm鋼板替換拱形墊板。⑤超前預(yù)支護(hù)采用超前小導(dǎo)管，為？準(zhǔn)42熱軋無(wú)縫鋼管制成，長(zhǎng)3.5m，壁厚3.5mm，小導(dǎo)管縱向設(shè)置間距2.0m，環(huán)向間距按40cm，外插角10°，布設(shè)范圍為拱部150°內(nèi)。endprint

超前小導(dǎo)管及錨桿布設(shè)如圖1所示。

3.2 改善洞形 通過(guò)修改隧道洞身斷面形式，增大邊墻和仰拱曲率，邊墻與仰拱等的過(guò)渡線條盡量圓順，使洞身掘進(jìn)邊緣線趨近于圓形。提高隧洞本身承受壓力的能力，避免局部應(yīng)力集中。

開(kāi)挖后支護(hù)形成環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu)。

3.3 先柔后剛、先放后抗、預(yù)足變形 鋼筋網(wǎng)噴厚度為25cm的C25砼，并將原設(shè)計(jì)的I20a工字鋼拱架換成U29型可伸縮鋼架，其布設(shè)間距也加密至80cm。

施工經(jīng)驗(yàn)表明，軟弱圍巖在開(kāi)挖后，先期變形量非常大，一般為20～50cm，同時(shí)，變形對(duì)支架系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的壓力荷載，常使型鋼鋼架發(fā)生扭曲變形。為此，在本項(xiàng)目施工中，使用了U29型可伸縮鋼架（如圖2所示）及噴錨等組成柔性支護(hù)系統(tǒng)，其能夠在一定程度上適應(yīng)了軟巖的開(kāi)挖后前期的大變形，避免了初支的變形破壞。

為了使U29型鋼架及支初能夠適順應(yīng)圍巖的膨脹變形，噴射混凝土層在U29型鋼架的可伸縮部位設(shè)置縱向伸縮縫。當(dāng)圍巖變形量較大時(shí)，噴砼每隔5m設(shè)置一道寬10cm的橫向變形縫。

對(duì)初支預(yù)留25～50cm的預(yù)留變形量，待圍巖膨脹變形趨于穩(wěn)定后，再施作厚度為40cm的鋼纖維砼二襯，對(duì)圍巖實(shí)施剛性支護(hù)。

3.4 底板及仰拱施工 在膨脹圍巖地段，如果不能及時(shí)進(jìn)行封底，圍巖的膨脹作用極易使隧道底部隆起。因隧底處輪廓線曲率較大，兩側(cè)拱墻膨脹巖的膨脹應(yīng)力向底板傳遞，底板在強(qiáng)烈的膨脹應(yīng)力作用下較邊墻及拱頂更易于失穩(wěn)，所以及時(shí)施作底板仰拱是非常重要的。

故隧道上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，立即施作上臺(tái)階臨時(shí)仰拱，當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖完成后，采用棧橋法全幅澆注鋼筋混凝土底板及仰拱。

3.5 排水、保濕 膨脹圍巖遇水后膨脹，失水則收縮，圍巖在干濕循環(huán)的環(huán)境下產(chǎn)生脹縮效應(yīng)。不僅破壞了圍巖的結(jié)構(gòu)，由緊密的粘連變化成裂隙結(jié)合，嚴(yán)重的成為松散體，完全失去了強(qiáng)度，導(dǎo)致圍巖松垮坍塌。而且無(wú)論是體積膨脹還是收縮，均造成圍巖間應(yīng)力值寬幅變化，對(duì)圍巖的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞。特別是膨脹壓力對(duì)圍巖的壓力起到疊加作用。所以施工時(shí)，要隨時(shí)注意疏導(dǎo)圍巖滲水，控制好施工用水，減少掘進(jìn)作業(yè)面的水漫流或是浸泡圍巖，以達(dá)到“疏水保濕”的目的，減少圍巖干濕循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力變化對(duì)圍巖強(qiáng)度及整體性的破壞。

3.6 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè) 膨脹巖存在的濕脹干縮的特殊性質(zhì)往往對(duì)施工造成極大的不利影響。通常出現(xiàn)變形超限、圍巖坍塌及支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞等施工質(zhì)量問(wèn)題。故需在隧洞掘進(jìn)期間加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，以便能夠及時(shí)采取有效控制措施確保施工質(zhì)量及安全。膨脹圍巖隧道監(jiān)控量測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如圖3、表1所示。

4 施工的其它技術(shù)措施

①掘進(jìn)的掌子面預(yù)留3～7的核心土，避免膨脹土圍巖開(kāi)挖后，因應(yīng)力快速釋放引起掌子面坍塌。②膨脹圍巖段的隧道掘進(jìn)及支護(hù)等工序的施工要及時(shí)、緊湊的進(jìn)行。開(kāi)挖后及封閉掌子面，支護(hù)封閉成環(huán)。③因膨脹圍巖巖體節(jié)理發(fā)育、軟弱，要確保用最可能短的時(shí)間做完長(zhǎng)錨桿。錨桿孔施鉆與插入錨桿的間隔時(shí)間盡量縮短，要求鉆桿與插錨桿工序要緊跟。當(dāng)鉆孔坍塌，采用鉆機(jī)送桿，即在錨桿端頭安裝鉆頭，對(duì)坍孔進(jìn)行重新施鉆，鉆頭留存在孔內(nèi)。④仰拱施工、二次襯砌灌注與開(kāi)挖掌子面的距離盡量縮短，以盡快形成承壓能力強(qiáng)的環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)。

5 處理效果評(píng)價(jià)

采取了以上施工技術(shù)方法及措施進(jìn)行膨脹圍巖段的隧道掘施工，從現(xiàn)場(chǎng)檢查及監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，不再有圍巖變形超限及支護(hù)破壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，表明所采用的施工技術(shù)措施及方法是科學(xué)合理的。以期房家灣隧道在膨脹圍巖地段順利安全施工的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚪o予相同類型項(xiàng)目的施工提供一些幫助。

6 結(jié)束語(yǔ)

膨脹圍巖隧道掘進(jìn)及支護(hù)施工的關(guān)鍵在于查明膨脹圍巖的工程特性，然后根據(jù)圍巖變形的機(jī)理及變形特征進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變和施工支護(hù)參數(shù)的調(diào)整，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，確保及時(shí)獲知施工現(xiàn)場(chǎng)圍巖及支護(hù)的即時(shí)情況，以及時(shí)調(diào)整施工工藝方法及采取有效處理措施。

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